CN107289977B - 半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统和定位方法 - Google Patents

半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统和定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统和定位方法。传感系统包括激光器、环行器、传感光纤、反射镜、半导体光放大器、光电探测器和数据采集与处理单元;环行器的I端口连接激光器的输出端,II端口经过传感光纤连接反射镜,III端口连接半导体光放大器,半导体光放大器的输出光经光电探测器将转化为电信号进入数据采集与处理单元,用于检测与定位扰动。定位方法包括如下步骤:辨识输出信号的幅度是否出现两次变化,确定是否有扰动发生;确定两次幅度变化的时间间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,根据式
Figure DEST_PATH_IMAGE004
确定扰动点离反射镜的距离l。这里v为纤芯中的光速。本发明系统结构和信号处理都很简单,可以快速、有效地检测和定位传感光纤沿线的各种时变扰动。

Description

半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统和定位方法
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感系统和定位方法,特别是一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统和定位方法,属于光纤传感领域。
背景技术
随着社会的不断发展进步,加强国境防范,提高能源安全以及对大型建构的健康进行监控变得越来越重要。由于分布式光纤传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、无电力供应、高敏感性和远距离监控等诸多优点,能够在各种周界、管线和结构安全监测系统中实现对突发事件检测、预警和定位的分布式光纤传感技术成为研究热点。
目前,分布式光纤传感主要有光时域反射型(OTDR)和干涉型两大类。在传统的OTDR技术的基础上也提出了各种新型的OTDR传感系统,如基于布里渊散射的光时域反射(BOTDR)传感系统、偏振光时域反射(POTDR)传感系统以及相敏光时域反射(φ-OTDR)传感系统。φ-OTDR传感系统在长距离检测、高频响应和精确测量这三个方面具有很大优势。OTDR技术成熟,只需铺设一根传感光纤,使用方便,但系统可检测距离和分辨率有限,且实时性也比较差。干涉型传感器基本结构主要有马赫曾德(M-Z)干涉、萨尼亚克(Sagnac)干涉和迈克尔逊(Michelson)干涉三种。在基本的干涉结构的基础上又提出了各种基于组合型干涉仪的分布式光纤传感器。干涉型传感系统的主要代表是M-Z干涉型和Sagnac干涉型,它们的检测灵敏度都很高,也都可以实现多点定位。前者无需解调,但必须保证传感臂和参考臂等长,且需要对参考臂光纤扰动隔离,其抗干扰性有待改善。后者不需扰动隔离,抗环境慢变影响的能力强,但需要相位解调,且只能定位宽带扰动信号,定位结果受系统噪声影响大。此外,利用混沌的初值敏感性,把混沌应用到传感领域的光纤混沌传感也逐渐展开,如借助光纤环形激光器实现的混沌有源传感。但环形结构造成其使用不便,只能使用其中的一半光纤进行传感。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足,借助有源器件半导体光放大器的端面反射效应和增益特性进行系统设计,提出了一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统和定位方法。
为达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统,包括激光器、环行器、传感光纤、反射镜、半导体光放大器、光电探测器和数据采集与处理单元;所述环行器的I端口连接所述激光器的输出端,所述环行器的II端口经过所述传感光纤后连接所述反射镜,所述环行器的III端口连接所述半导体光放大器后,经过所述光电探测器将光信号转化为电信号,连接所述数据采集与处理单元,用于采集数据并进行检测与定位处理。
所述的激光器使用高相干光源或使用低相干光源,取决于所使用的半导体光放大器的有源区长度。所述的反射镜是普通的平面反射镜或是法拉第旋转反射镜。所述的半导体光放大器是反射式放大器或是行波放大器,其端面具有非零的反射率。
一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统的定位方法,用于上述的半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统,包括以下步骤:
步骤1:辨识输出信号的幅度是否出现两次变化,确定是否有扰动发生;
步骤2:确定两次幅度变化的时间间隔Δτ;
步骤3:根据式l=Δτ/2×v确定扰动点离反射镜的距离l,其中v为纤芯中的光速。
采用上述技术方案,本发明取得如下有益效果:
1、本发明利用半导体光放大器的端面反射作用巧妙地形成了一个F-P腔干涉仪,又借助半导体光放大器的增益作用,弥补了干涉光弱的缺陷。系统结构简单高效。
2、直线式的传感结构使用更方便。
3、利用两次干涉的时间差定位,信号处理简单快捷,且对扰动信号带宽没有要求。
本发明的工作原理与特点:
由于传感光纤末端反射镜的作用,光纤中存在着正反两个方向上传播的光。无扰动时,系统输出直流信号。当传感光纤受到外界扰动时,两个方向上传播的光的相位同时受到调制,但两个相位调制光到达半导体光放大器存在时间差。该时间差等于光从扰动位置传输到反射镜的往返时间2τd。因为半导体光放大器的端面反射作用,先后到达半导体光放大器的两个相位调制光,分别和其经过半导体光放大器两次端面反射的光在半导体光放大器内部发生微弱的干涉。干涉作用使光的相位变化转化为强度变化。半导体光放大器的增益使干涉信号得到放大。最终在系统的输出信号中出现两次幅度变化,据此可检测扰动的发生。而且两次幅度变化的时间间隔Δτ等于光从扰动点到达反射镜的往返时间2τd。据此可定位扰动。因此外界扰动可以通过监测系统输出信号的幅度变化来检测和定位。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明实施例中半导体光放大器的注入电流为25mA的系统的输出波形。
图3为本发明实施例中半导体光放大器的注入电流为50mA的系统的输出波形。
图4为本发明实施例中半导体光放大器的注入电流为200mA的系统的输出波形。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施例做进一步的说明。
实施例1
如图1所示,一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统,包括激光器、环行器、传感光纤、反射镜、半导体光放大器、光电探测器和数据采集与处理单元。所述环行器的I端口连接所述激光器的输出端,所述环行器的II端口经过所述传感光纤后连接所述反射镜,所述环行器的III端口连接所述半导体光放大器后,经过所述光电探测器将光信号转化为电信号,连接所述数据采集与处理单元,用于采集数据并进行检测与定位处理。
所述的激光器可以使用高相干光源,也可以使用低相干光源,取决于所使用的半导体光放大器的有源区长度。所述的反射镜可以是普通的平面反射镜,也可以是法拉第旋转反射镜。所述的半导体光放大器可以是反射式放大器,也可以是行波放大器,只要其端面具有非零的反射率即可。
实施例2
本实施例选用DFB激光器作为光源,自制的光纤端面镀膜形成的平面反射镜作为反射镜,美国THORLABS公司的BOA(Booster Optical Amplifier)模块BOA1004S作为半导体光放大器。环行器采用上海翰宇光纤通信技术有限公司生产的尾纤型环行器。光电探测器为北京敏光科技有限公司生产的10Gbps带前置放大的InGaAs光电探测器。数据采集与处理系统由一台普通微型计算机和英国PICO公司的PicoScope 5203数字示波器组成,示波器把采集的数据传送到计算机,用Matlab软件编程处理得到扰动位置。传感光纤长度为3.0827km,所有光纤均采用G.652标准单模光纤。
实施例3
一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统的定位方法,包括以下步骤:
步骤1:辨识输出信号的幅度是否出现两次变化,确定是否有扰动发生;
步骤2:确定两次幅度变化的时间间隔Δτ;
步骤3:根据式l=Δτ/2×v确定扰动点离反射镜的距离l。这里v为纤芯中的光速。
调节半导体光放大器的注入电流,使其具有一定的增益,此时系统工作在某个固定的状态。在距离反射镜2.1874km的传感光纤处加一个铌酸锂电光相位调制器作为模拟扰动源。利用Agilent公司的信号发生器(33250A)产生的频率为28kHz,峰峰值为4Vpp,脉宽为5us的脉冲信号在burst模式下的输出来模拟外界的瞬间扰动。burst参数为:周期5ms、1个cycle。
当半导体光放大器的工作电流分别为25mA、50mA和200mA时,系统的输出信号如图2~图4所示。从图2~图4可以看出,当传感光纤受到外部扰动后,输出信号的幅度出现两次变化,说明确实有扰动发生。图2~图4中两次变化的持续时间分别为τc1=4.987μs、τc2=5.041μs和τc3=5.024μs,都近似等于扰动脉冲的脉冲宽度5μs;两次变化之间的时间差分别为Δτ1=21.45μs、Δτ2=21.45μs和Δτ1=21.48μs。根据式l=Δτ/2×v即可确定扰动点离反射镜的距离l分别为2.1888km、2.1888km和2.1918km。这里取纤芯的折射率n=1.47,真空中的光速c=3×108m/s,故纤芯的光速v=c/n=3×108/1.47=2.041×108m/s。定位误差分别为1.4m、1.4m和4.4m,相对误差分别为0.064%、0.064%和0.2%。
另外,从图2-图4可看出,半导体光放大器的工作电流不必太大,大电流容易引入大的自发辐射噪声,定位误差也会增大。半导体光放大器的工作电流也不可过小,小电流下,半导体光放大器的增益较小,系统的干涉信号较弱,易受光电探测器的噪声影响。

Claims (3)

1.一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统,其特征在于:包括激光器(1)、环行器(2)、传感光纤(3)、反射镜(4)、半导体光放大器(5)、光电探测器(6)和数据采集与处理单元(7);所述环行器(2)的I端口连接所述激光器(1)的输出端,所述环行器(2)的II端口经过所述传感光纤(3)后连接所述反射镜(4),所述环行器(2)的III端口连接所述半导体光放大器(5)后,经过所述光电探测器(6)将光信号转化为电信号,连接所述数据采集与处理单元(7),用于采集数据并进行检测与定位处理;所述的激光器(1)使用高相干光源或使用低相干光源,取决于所使用的半导体光放大器(5)的有源区长度;所述的半导体光放大器(5)是反射式放大器或是行波放大器,其端面具有非零的反射率。
2.根据权利要求1所述的半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统,其特征在于:所述的反射镜(4)是普通的平面反射镜或是法拉第旋转反射镜。
3.一种半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统的定位方法,用于权利要求1中所述的半导体光放大器有源干涉的分布光纤传感系统,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:辨识输出信号的幅度是否出现两次变化,确定是否有扰动发生;
步骤2:确定两次幅度变化的时间间隔Δτ;
步骤3:根据式l=Δτ/2×v确定扰动点离反射镜的距离l,其中v为纤芯中的光速。
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