CN107271027A - 一种基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，应用于光电传输领域，通过在传感光纤上写入宽带弱反镜阵列，实现对泵浦光经相干反馈产生的随机激光，增加泵浦光的功率，随机激光对探测光源的信号光提供分布式拉曼放大，该分布式拉曼放大可以用于补偿宽带弱反镜阵列的插入损耗，并对反馈光进行放大，提升光信噪比，进而提升探测灵敏度，并通过控制相邻宽带弱反镜之间的间距获得高空间分辨率；由于随机激光放大具有较低的相对强度噪声，因此能获得低噪声的分布式放大。
Description
技术领域
本发明属于光电传输领域，特别涉及一种全光纤分布式声波传感技术。
背景技术
全光纤分布式声波传感技术广泛应用于油气勘探、地震波检测等领域，传统分布式声波传感利用瑞利散射反馈回来的信号光，对其进行解调以获得由声波作用带来的信号光相位变化，从而实现对声波的测量。现有的技术采用极弱反光纤布拉格光栅(FBG)代替瑞利散射，提高信号光的反馈强度，但该技术受限于FBG的温漂效应，一旦FBG温度漂移过大，与波长不对应时，写入的FBG就会失效，因此无法工作在大范围温度变化的场景中，且FBG反射带宽窄，不利于引入随机分布放大的方法。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，通过在传感光纤中写入宽带弱反镜阵列，在检测传感光纤中超宽带弱反镜反射光的干涉相位，得到光纤上连续分布的声波、振动等参数的信息，从而实现分布式传感；并通过这些弱反射镜与瑞利散射的联合随机反馈产生随机激光实现传感光信号的分布式放大。
本发明采用的技术方案是：基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，包括：传感光纤，所述传感光纤上写入宽带弱反镜阵列；
还包括：探测光源、第一调制器、第二调制器、环形器、泵浦激光器、波分复用器、传感光纤、探测器、解调模块以及数据分析模块；
所述探测光源用于发出探测激光信号，所述第一调制器用于将探测光源调制成脉冲信号，所述第二调制器用于发出射频信号驱动第一调制器，所述泵浦激光器用于发出泵浦激光，所述环形器用于将调制后的脉冲信号单向传输到波分复用器；所述波分复用器用于将调制后的脉冲信号与泵浦激光耦合进传感光纤，所述传感光纤根据写入的宽带弱反镜阵列使泵浦激光相干反馈产生随机激光，所述随机激光对调制后的脉冲信号提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光经波分复用器从环形器单向传输至探测器；所述探测器采集反射光信号，并将反射光信号转变为电信号；通过处理将电信号转变为数字信号输入解调模块中解调出相位信息；通过数据分析模块对相位信息进行分析，得到传感光纤的扰动情况。
进一步地，当将该传感光纤制成光缆时，在光缆中填充声波增敏介质，将高传感光纤置于声波增敏介质中。
进一步地，所述第一调制器为声光调制器。
进一步地，所述探测激光信号、脉冲信号以及反射光波长均为1550nm。
进一步地，所述泵浦激光波长为1365nm。
进一步地，所述随机激光波长为1455nm。
本发明的有益效果：本发明通过在传感光纤上写入宽带弱反镜阵列，通过宽带弱反镜阵列实现对泵浦光经相干反馈产生的随机激光，增加泵浦光的功率，随机激光对探测光源的信号光提供分布式拉曼放大，该分布式拉曼放大可以用于补偿宽带弱反镜阵列的插入损耗，并对反馈光进行放大，提升光信噪比，进而提升探测灵敏度，并通过控制相邻宽带弱反镜之间的间距获得高空间分辨率；进而由于随机激光放大具有较低的相对强度噪声，因此能获得低噪声的分布式放大。
附图说明
图1所示为宽带弱反镜阵列仿真反射谱。
图2所示为宽带弱反镜传感光纤及光纤随机激光分布式放大示意图。
图3所示为FODAS整体结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明提供一种基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，包括传感光纤，在该传感器光纤写入宽带弱反镜阵列。
基于该传感光纤制成的光缆，通过在光缆中填充声波增敏介质，将传感光纤置于该介质中，以增强声波对光纤的作用效果。
本申请中写入的宽带弱反镜阵列的作用原理如下：
宽带弱反镜的好处是可以工作在高温环境中，也能对入射光信号有效反馈，而不受温度影响；并且在300℃高温环境下仍对探测光信号具有反射特性。宽带弱反镜的设计采用传输矩阵理论模型，通过式(1)将宽带弱反镜左右两侧前向和后向传输的光信号振幅联系起来，传输矩阵Mi如式(2)所示：
其中，r代表光振幅的反射系数，t代表光振幅的透射系数，“*”代表复共轭。相邻折射率层之间的距离由传输矩阵mi表示：
其中，n为有效折射率，k为波矢，Δd为相邻折射率层的距离，即相邻宽带若反镜之间的距离。
由此，将所有宽带弱反镜及宽带弱反镜间距离对应的传输矩阵依次序相乘，即可得到整体结构的传输矩阵，结合边界条件，可以推出宽带弱反镜阵列的总反射系数，进而得到反射谱。
图1为根据本发明实施例的一种宽带弱反镜阵列仿真反射谱，仿真得到的极弱反法珀腔阵列反射谱如图1所示，在单个宽带弱反镜反射率为0.05％，相邻宽带弱反镜间距约为 1m时，写入1000个宽带弱反镜阵列得到中心波长1550nm处平均反射率为33％，该平均反射率可以通过改变单个宽带弱反镜的反射系数来进行优化。
图2为根据发明实例的一种写入宽带弱反镜的传感光纤及光纤随机激光分布式放大示意图，本领域技术人员可知图2中出现的UWF表示微波。宽带弱反镜间的距离在一定范围内(通常为1m)随机，无需严格相等，这一特点降低了写入宽带弱反镜阵列时的要求，具有实际操作性。宽带弱反镜提供相干反馈，反射回来的光信号用于检测声波作用带来相位差的改变量，光纤中的随机圆点其实是光纤中原有的瑞利散射。泵浦光在宽带弱反镜阵列中相干反馈产生1455nm的随机激光，该随机激光作为泵浦光对1550nm的信号光提供分布式拉曼放大，获得低噪声的分布式放大。
图3所示为根据本发明的实施例的基于该传感光纤的声波传感系统结构示意图。本发明还提供基于该传感光纤的声波传感系统，包括：探测光源、脉冲调制器、调制器、环形器、泵浦激光器、波分复用器、传感光纤、探测器、解调模块以及数据分析模块；
所述探测光源用于发出1550nm的探测激光信号，所述第一调制器用于将探测光源调制成脉冲信号，所述第二调制器用于发出射频信号驱动第一调制器，所述泵浦激光器用于发出1365nm的泵浦激光，所述环形器用于将调制后的脉冲信号单向传输到波分复用器；所述波分复用器用于将调制后的脉冲信号与泵浦激光耦合进传感光纤，所述传感光纤根据写入的宽带弱反镜阵列使1365nm的泵浦激光相干反馈产生1455nm的随机激光，增加1365nm泵浦光的功率，所述随机激光对调制后的脉冲信号提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光经波分复用器从环形器单向传输至探测器；所述探测器采集反射光信号，并将反射光信号转变为数字信号，所述解调模块从该数字信号中解调出相位信息；通过数据分析模块对相位信息进行分析，得到传感光纤的扰动情况。
采用多波长光学信道同时注入同时解调的技术提高声波传感的信噪比和灵敏度。
该第一调制器为声光调制器或电光调制器。
基于该传感光纤的声波传感系统的工作原理为：探测光源发出的探测激光，该探测激光通过声光调制器，所述声光调制器将探测激光调制成脉冲信号。调制后的脉冲信号通过环形器单向传输进入波分复用器，调制的1550nm脉冲信号与泵浦激光器产生的1365nm的泵浦激光信号通过波分复用器耦合到传感光纤。所述传感光纤写入宽带弱反镜阵列，宽带弱反镜提供相干反馈，相邻宽带弱反镜干涉返回起始端用于检测该相邻宽带弱反镜间由声波作用带来的探测激光信号相位差的改变量。所述波分复用器1365nm端注入1365nm 的泵浦激光，该泵浦激光在宽带弱反镜阵列中相干反馈产生1455nm的随机激光，增加 1365nm泵浦激光的功率，1455nm的随机激光会作为泵浦光对1550nm的信号光提供分布式拉曼放大，该分布式拉曼放大可以用于补偿宽带弱反镜阵列的插入损耗，并对反馈光进行放大，提升光信噪比，进而提升探测灵敏度。
由于随机激光放大具有较低的相对强度噪声(RIN)，因此能获得低噪声的分布式放大。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。
Claims (6)
1.基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，其特征在于，包括：传感光纤，所述传感光纤上写入宽带弱反镜阵列；
还包括：探测光源、第一调制器、第二调制器、环形器、泵浦激光器、波分复用器、传感光纤、探测器、解调模块以及数据分析模块；
所述探测光源用于发出探测激光信号，所述第一调制器用于将探测光源调制成脉冲信号，所述第二调制器用于发出射频信号驱动第一调制器，所述泵浦激光器用于发出泵浦激光，所述环形器用于将调制后的脉冲信号单向传输到波分复用器；所述波分复用器用于将调制后的脉冲信号与泵浦激光耦合进传感光纤，所述传感光纤根据写入的宽带弱反镜阵列使泵浦激光相干反馈产生随机激光，所述随机激光对调制后的脉冲信号提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光经波分复用器从环形器单向传输至探测器；所述探测器采集反射光信号，并将反射光信号转变为电信号；通过处理将电信号转变为数字信号输入解调模块中解调出相位信息；通过数据分析模块对相位信息进行分析，得到传感光纤的扰动情况。
2.根据权利要求1所述的基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，其特征在于，当将该传感光纤制成光缆时，在光缆中填充声波增敏介质，将传感光纤置于声波增敏介质中。
3.根据权利要求1所述的基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，其特征在于，所述第一调制器为声光调制器。
4.根据权利要求1所述的基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，其特征在于，所述探测激光信号、脉冲信号以及反射光波长均为1550nm。
5.根据权利要求1所述的基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，其特征在于，所述泵浦激光波长为1365nm。
6.根据权利要求1所述的基于宽带弱反镜和随机激光的光纤声波传感系统，其特征在于，所述随机激光波长为1455nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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