CN107192439A - 一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，放大后脉冲光经1550nm光环形器、1550nm/1480nm波分复用器注入光纤；1480nm的光纤耦合泵浦光源，泵浦光经波分复用器的1480nm端注入光纤；光纤中的背向散射光经波分复用器后进入环形器，经第二个掺饵光纤放大器进行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被另一环形器和光纤布拉格光栅构成的滤波器滤波，滤掉第二个掺饵光纤放大器的自发辐射噪声、以及残存的1480nm泵浦光的后向散射光；光纤由一段50km的标准单模光纤、一段10m的掺饵光纤、以及一段25km的标准单模光纤构成；所述光时域反射仪实现了75km的探测距离。

Description

一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪

技术领域

本发明涉及光时域反射仪领域，尤其涉及一种基于单端操作、且无须远端供能的掺饵光纤中继远距离分布式振动探测系统。

背景技术

分布式光纤传感技术近年来受到广泛的关注和研究。其中，相位敏感的光时域反射仪因其超远的探测距离，超高的灵敏度，较高的频率响应，以及多点同时探测和定位能力而颇受瞩目。相位敏感的光时域反射仪主要应用于管道安全预警，周界安防，结构健康监测等需要进行大规模监测和传感的领域。由于光纤本身的无源衰减和光纤中较低的非线性光学效应阈值，的探测距离遇到了瓶颈，使得其应用受到了限制。为了增加系统的探测距离，文献中主要通过两类方法进行探测距离的提升。

第一类方法：在探测光纤的发射端使用掺饵光纤放大器(EDFA)提升发射探测脉冲的峰值功率，或在光纤接受端使用EDFA放大瑞利后向散射信号。

但是这种方法由于无法在脉冲传播过程中进行能量补充，没有改变探测脉冲功率随着传播单调衰减的缺点，因而只能在一定程度上提升探测距离，无法突破当前的瓶颈。

第二类方法：基于分布式放大。这其中包括：分布式布里渊放大，分布式拉曼放大，分布式高阶拉曼放大，以及结合了二者的分布式混合放大。此类方法可以有效的对探测脉冲的能量损耗进行补充，并且已被证明可以有效的延长系统的探测距离，其最高的探测距离可以超过100km。

但是此类方法存在如下若干缺点：

(1)基于分布式放大的长距离系统通常需要双端操作，即其需要在传感光纤的两端加泵浦光。尤其是那些使用分布式布里渊放大的系统，由于受激布里渊散射只能产生在与泵浦方向相反的方向，因此必须要求双端操作。双端操作无可避免的提升了系统的复杂度，操作难度，维护成本，以及易实施性等。

(2)由于受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)对环境变量，如温度，应变等敏感，因此基于这两种非线性效应的分布式放大，其过程本质上是不稳定的。如果温度或者应变存在明显的漂移，分布式放大的过程会给被放大信号引入严重的外加噪声。

发明内容

本发明提供了一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，本发明在简化系统复杂度的同时，以更高的可行性实现系统探测距离的提升，并可以在单端操作模式下工作，详见下文描述：

一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，包括：1550nm超窄线宽激光器产生连续光，经声光调制器、第一掺饵光纤放大器进行功率放大；

放大后脉冲光经1550nm光环形器、1550nm/1480nm波分复用器注入光纤；1480nm的光纤耦合泵浦光源，泵浦光经波分复用器的1480nm端注入光纤；

光纤中的背向散射光经波分复用器后进入环形器，经第二个掺饵光纤放大器进行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被另一环形器和光纤布拉格光栅构成的滤波器滤波，滤掉第二个掺饵光纤放大器的自发辐射噪声、以及残存的1480nm泵浦光的后向散射光；

滤波后的瑞利后向散射光进入PIN光电探测器，相应的光信号经采集卡采集后存入电脑进行后续的数据分析；

所述光纤由一段50km的标准单模光纤、一段10m的掺饵光纤、以及一段25km的标准单模光纤构成；实现了75km的探测距离。

其中，所述50km和25km的标准单模光纤为传感光纤，10m的掺饵光纤为增益光纤。

其中，所述标准单模光纤为：sm28e标准单模光纤。

其中，所述1550nm超窄线宽激光器为100Hz的NKT超窄线宽激光器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1.基于单端光脉冲发射及信号接收的架构实现了系统探测距离的提升；

2.避免了传统中继技术中需要在传感区域(通常为野外环境)中额外建造供电设施提供泵浦能量的麻烦，极大地提升了系统的可行性和易操作性，降低了维护成本；

3.本发明结构简单，仅需增加一个1480nm泵浦光源，一个1550nm/1480nm的波分复用器、以及一段10m长的掺饵光纤。相比于基于分布式布里渊放大和分布式拉曼放大的分布式放大手段，具有非常简单的系统结构和非常低的成本；

4.本发明实现了单端操作架构下75km的探测距离，是目前为止单端操作模式中最远的探测距离。

附图说明

图1为基于的分布式振动探测系统的结构示意图；

图2为不开泵浦和开泵浦条件下的瑞利散射曲线(RBS)的示意图；

图3为空频能量分布的示意图；

图4为传感光纤尾端正弦振动的时域波形及频谱的示意图；

图5为分别给出了在53km,58km,63km和70km位置处的时域振动信号的示意图；

图6为分别给出了在泵浦功率为80mw,100mw,120mw,140mw,160mw和180mw的泵浦功率下得到的RBS曲线的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，包括：1550nm超窄线宽激光器产生连续光，经声光调制器、第一掺饵光纤放大器进行功率放大；

放大后脉冲光经1550nm光环形器、1550nm/1480nm波分复用器注入光纤；1480nm的光纤耦合泵浦光源，泵浦光经波分复用器的1480nm端注入光纤；

光纤中的背向散射光经波分复用器后进入环形器，经第二个掺饵光纤放大器进行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被另一环形器和光纤布拉格光栅构成的滤波器滤波，滤掉第二个掺饵光纤放大器的自发辐射噪声、以及残存的1480nm泵浦光的后向散射光；

滤波后的瑞利后向散射光进入PIN光电探测器，相应的光信号经采集卡采集后存入电脑进行后续的数据分析；

光纤由一段50km的标准单模光纤、一段10m的掺饵光纤、以及一段25km的标准单模光纤构成；光时域反射仪实现了75km的探测距离。

实施例2

下面结合具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，参见图1，详见下文描述：

一、搭建基于的分布式振动探测系统：

具体系统结构及相关参数描述如下：系统使用一个1550nm超窄线宽激光器(Ultranarrow line width laser,NLL)产生具有极高相干性的连续光，该连续光被一个声光调制器(Acoustic optic modulator,AOM)调制成具有一定脉冲宽度和峰值功率的脉冲光。该脉冲光经过一个EDFA进行功率放大，得到更高的峰值功率。

放大后的脉冲光经过一个1550nm的光环形器CIR，进入一个1550nm/1480nm(即1550nm和1480nm)的波分复用器(Wavelength division multiplexer,WDM)，最终探测脉冲光经过该WDM注入传感光纤。

同时，使用一个1480nm的光纤耦合泵浦光源，提供泵浦功率可调的连续泵浦光，该泵浦光经过WDM的1480nm端注入传感光纤。光纤中的背向散射光经过WDM后进入环形器CIR，从环形器CIR输出后经过第二个EDFA进行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被由环形器CIR和光纤布拉格光栅(Fiber brag grating,FBG)构成的滤波器滤波，滤掉第二个EDFA的自发辐射噪声(Amplifier spontaneous emission,ASE)以及残存的1480nm泵浦光的后向散射光以防止其对光电探测过程引入噪声。

最终经过滤波后的瑞利后向散射光(Rayleigh back scattered light wave,RBS)进入一个PIN光电探测器PD进行光电转换DAC，相应的光信号被一个NI-5122采集卡进行数据采集后存入电脑PC进行后续的数据分析。

该分布式振动探测系统的传感光纤不同于一般系统的传感光纤。其依次由一段50km的标准单模光纤(Single mode fiber,SMF)，一段10m长的掺饵光纤(Erbiumdoped fiber,EDF)和一段25km长的标准单模光纤(Single mode fiber,SMF)构成。其中50km和25km的标准单模光纤SMF为传感光纤，10m长的掺饵光纤EDF为增益光纤。三段光纤按照其排放顺序，相邻段之间进行熔接而成为一整段约75km的传感光纤。

二、该分布式振动探测系统工作原理及相对于传统系统的优势描述：

该技术在传统系统的基础结构上，增加了1480nm泵浦光源，1550nm/1480nm的波分复用器和10m长的掺饵光纤提供集总式的中继增益。1550nm的探测光和1480nm的泵浦光经过波分复用器同时从光纤的首端注入传感光纤，这就避免了传统EDFA中继技术中，需要在传感区域中提供泵浦能量的麻烦，极大地提升了系统的可行性和易操作性，降低了维护成本。

由于1480nm和1550nm在波长上相距较远，并且不会落在受激拉曼散射和受激布里渊散射的增益带宽内，因此，1480nm的泵浦光和1550nm的探测光，除了在10m的掺饵光纤中会发生相互作用外，在其余位置均独立传播，相互之间没有耦合，保证了泵浦光的加入不会对原本的探测光造成意外影响。在10m长的掺饵光纤中，1480nm的泵浦光提供泵浦能量，对1550nm的探测脉冲进行功率放大，实现能量的中继补充，从而使原本已经经过严重衰减的具有极低峰值功率的探测脉冲重新获得较高的峰值功率，继而获得更远的探测距离。

三、该分布式振动探测系统的性能评价：

1、在75km的传感光纤(由50km、25km的SMF、以及10m长的EDF组成)尾端，绕入一个压电陶瓷管(Piezo electric ceramic cylinder,PZT)。使用任意波形发生器(Functiongenerator,FG)产生一定幅值的正弦信号驱动该PZT对传感光纤的尾部施加正弦振动激励。用搭建的系统对该振动进行监测，以验证75km的传感距离。

2、对25km的传感光纤(该段光纤绕制在一个轮轴上)施加敲击振动，利用搭建的系统对该敲击振动进行监测。

3、调节1480nm光源的泵浦功率，研究不同泵浦功率下瑞利散射曲线(RBS)的形态及相应的传感表现。

图2(a)、(b)分别为不开泵浦和开泵浦条件下的RBS曲线。从图2(a)中可以看到，在不开泵浦情况下，在整个传感区域内，瑞利散射功率随着距离增加而呈单调指数衰减。在50km处其信号幅值已经接近噪声水平。即在常规不加泵浦情况下，其单端探测距离只能达到50km。图2(b)给出了打开1480nm泵浦光源情况下得到的RBS曲线。可以看到，50km之后，在经过了10m的掺饵光纤后，探测脉冲的功率获得了极大的提升，之后又重新获得了长度约为25km的具有很好信噪比的RBS曲线，即探测距离增加了25km，最终获得了总体75km的单端探测距离。

为测试系统的振动探测性能，通过给PZT压电陶瓷环加载80Hz正弦驱动电压，实现对光纤尾端施加频率为80Hz的正弦振动激励。利用搭建的系统，在打开1480nm泵浦光源的条件下，对该传感光纤的尾端振动进行监测。对采集到的传感数据进行空频分析，可以得到如图3所示的空频能量分布。该图像为颜色编码的能量分布图，横轴为传感距离，纵轴为频率，某一点处的颜色代表对应位置处对应频率分量的相对能量大小。可以看到，在75km处，80Hz位置有一个亮点，该亮点准确的反应了压电陶瓷正弦振动的位置和频率信息。

提取75km处的时域振动信号，得到如图4(a)所示的振动波形。可以看到该波形基本准确的反应了PZT管对光纤施加的正弦振动。对该时域信号进行功率谱分析，可以得到如图4(b)所示的功率谱结构。该功率谱清晰的反应了80Hz的振动频率。并且具有较高的信噪比。值得一提的是，这里面在160Hz和240Hz处也存在较小的峰，其是由于强度探测的非线性导致的高次谐波，属于直接强度探测的本身特性。

另外，为了更加全面的调查新获得的25km的传感范围的传感性能，通过人手敲击的方式对25km长的光纤施加一致的振动激励。由于25km的光纤是缠绕在光纤轮轴上的，因此敲击轮轴可以起到对整个25km光纤施加统一振动激励的效果。使用实验室搭建的系统，在打开1480nm泵浦的条件下，对敲击轮轴引起的振动进行监测。图5(a)、(b)、(c)和(d)分别显示了53km,58km,63km和70km位置处的时域振动信号。可以看到，四个位置处的振动都比较准确的反应了敲击的节奏。由于选取的四个位置是大致平均分布在新获得的25km传感范围，因此可以认为，新获得的25km的传感范围可以较好的传感沿线振动事件。

本发明实施例中一个关键的问题是EDFA对探测脉冲的放大效果，而该放大效果比较明显的取决于光纤入射端注入的1480nm泵浦功率。因此实验中也同样研究了在不同泵浦功率下，EDFA对探测脉冲的放大效果。

图6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别给出了泵浦功率为80mw,100mw,120mw,140mw,160mw和180mw的泵浦功率下得到的RBS曲线。可以看到，随着泵浦功率的逐渐增大，前50km的RBS曲线没有明显变化，而后25km的RBS曲线幅值随着泵浦功率增大而明显增大。当泵浦功率达到140mw时(对应图(d))，可以发现后25km光纤中发生了受激布里渊散射，随着泵浦功率进一步增大，受激布里渊散射也越发严重。当泵浦功率达到180mw(对应图(f))时，后25km的RBS曲线已经发生极为严重的受激布里渊散射，其信噪比已经严重被恶化。综合考量各个泵浦功率下的RBS信号，可以发现当泵浦功率在100mw(对应图(b))到120mw(对应图(c))之间变化时，可以得到信噪比较高的RBS信号，并且避免受激布里渊散射效应的发生。

实施例3

下面针对实施例1和2，给出优选的器件型号和参数，如下：

本实施例中所使用的器件参数为：光纤：sm28e标准单模光纤。1550nm光源为线宽为100Hz的NKT超窄线宽激光器。使用的声光调制器为Gooch-Housego的200MHz调Q声光调制器。使用的1480nm泵浦光源为上海瀚宇光纤技术有限公司生产的泵浦功率可调的光源模块。

参见图1，具体实现时，还可以在PZT后端设置100mSMF，表明PZT处于75km探测光纤的末端，使得尾端的反射峰不会影响到PZT的振动波形。

在PZT上缠绕3m的SMF，PZT在激励电压的驱动下发生横向伸缩，将此振动传递给传感光纤，通过PZT对光纤施加一个外界振动的激励。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，包括：1550nm超窄线宽激光器产生连续光，经声光调制器、第一掺饵光纤放大器进行功率放大；其特征在于，

放大后脉冲光经1550nm光环形器、1550nm/1480nm波分复用器注入光纤；1480nm的光纤耦合泵浦光源，泵浦光经波分复用器的1480nm端注入光纤；

光纤中的背向散射光经波分复用器后进入环形器，经第二个掺饵光纤放大器进行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被另一环形器和光纤布拉格光栅构成的滤波器滤波，滤掉第二个掺饵光纤放大器的自发辐射噪声、以及残存的1480nm泵浦光的后向散射光；

滤波后的瑞利后向散射光进入PIN光电探测器，相应的光信号经采集卡采集后存入电脑进行后续的数据分析；

所述光纤由一段50km的标准单模光纤、一段10m的掺饵光纤、以及一段25km的标准单模光纤构成；所述光时域反射仪实现了75km的探测距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述50km和25km的标准单模光纤为传感光纤，10m的掺饵光纤为增益光纤。

3.根据权利要求2所述的一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述标准单模光纤为：sm28e标准单模光纤。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，其特征在于，所述1550nm超窄线宽激光器为100Hz的NKT超窄线宽激光器。