CN107764297B - 基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，该系统将激光器输出的激光信号分成两路，一路激光信号利用微波源进行调制形成探测光，利用第一滤波器滤除探测光的高频部分，随后将滤波后的探测光传输给传感光纤；另一路激光信号，首先采用任意波形发生器按照预设规则产生对应的输出波形，利用输出波形对该路激光信号进行调制，形成泵浦脉冲，基于受激布里渊散射，泵浦脉冲中部分能量转移到探测光中，随后对泵浦脉冲和探测光中的频差进行扫描，从而获得传感光纤的布里渊增益谱，拟合得到布里渊频移，由此可以减少布里渊光时域分析系统的测量时间，实现布里渊光时域的动态分析。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统。
背景技术
分布式光纤传感是一种新型的传感技术，传感距离可以从几百米到上百公里。分布式光纤传感因具有抗电磁干扰、高的灵敏度以及长的传感距离等优点在石油管道监护、周界安放等领域得到了广泛的应用。
分布式光纤传感中应用较广的一类是布里渊光时域分析系统，布里渊光时域分析时基于受激布里渊散射的一种分析方式。具体地，探测光和泵浦光分别在传感光纤的两端输入，当两束光的频差在传感光纤的布里渊增益谱范围内时，一部分泵浦光的能量就会转移到探测光。通过对两束光的频差进行扫描，就可以得到光纤的布里渊增益谱，从而拟合得到布里渊频移；由于传感光纤的布里渊频移与光纤受到的温度、应变呈线性关系，因此通过探测传感光纤的布里渊频移就可以测量光纤周围的温度和应变。然而，布里渊光时域分析的扫频是一个相对缓慢的过程，同时又需要多次测量平均以提高信噪比，因此布里渊光时域系统多用于静态探测。振动信号是健康监测、石油化工安全监测等领域获取有效信息的重要途径之一，因此传统的布里渊光时域分析系统不能满足日益增长的动态测量需求。
发明内容
本发明提供一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，以解决目前分布式光纤传感器无法进行动态测量的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、微波源、任意波形发生器、第一滤波器、环形器和传感光纤，所述激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述耦合器的第一输出端连接所述第一电光调制器的第一输入端，所述第一电光调制器的第二输入端连接所述微波源，输出端通过所述第一滤波器与所述传感光纤的第一端连接；所述耦合器的第二输出端连接所述第二电光调制器的第一输入端，所述第二电光调制器的第二输入端连接任意波形发生器，输出端连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述传感光纤的第二端，所述环形器的第三端与分析处理装置连接；
所述激光器通过所述耦合器将其输出的激光信号分成两路，其中一路激光信号传输至所述第一电光调制器，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成探测光，所述第一滤波器滤除所述探测光的高频部分并将滤波后的探测光传输给所述传感光纤的第一端；另一路激光信号传输至所述第二电光调制器，所述第二电光调制器根据所述任意波形发生器的输出波形，将该路激光信号调制成泵浦脉冲，并通过所述环形器将所述泵浦脉冲传输给所述传感光纤的第二端；
所述传感光纤根据所述泵浦脉冲以及所述滤波后的探测光，基于受激布里渊散射对外界环境进行感测并通过所述环形器将感测信号传输给所述分析处理装置，由所述分析处理装置对所述感测信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤感测到的时域信息；所述任意波形发生器的输出波形包括长脉冲和短脉冲，且其波形根据所述长脉冲和短脉冲的预设脉冲宽度、相邻脉冲之间的预设时间间隔以及所述扫描的起始频率、频率扫描步长来决定。
在一种可选的实现方式中，所述相邻脉冲之间的预设时间间隔由所述传感光纤的长度决定，其大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间。
在另一种可选的实现方式中，所述扫描的起始频率大于两倍的所述传感光纤的布里渊增益谱带宽。
在另一种可选的实现方式中，所述任意波形发生器的输出波形VAWG表示为：
其中fi＝f0+(i-1)fstep，V0表示所述输出波形的初始幅值，rect()表示矩形函数，t表示所述输出波形的对应时间，τ1表示所述输出波形中长脉冲的脉冲宽度，τ2表示所述输出波形中短脉冲的脉冲宽度，Tin表示所述输出波形中两个相邻脉冲之间的预设时间间隔，f0表示所述扫描的起始频率，fstep表示频率扫描步长。
在另一种可选的实现方式中，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成双边带信号，所述第一滤波器滤除所述双边带信号的上边带保留下边带并将滤波后的双边带信号传输给所述传感光纤的第一端，且该路微波信号的频率在此过程中保持不变。
在另一种可选的实现方式中，还包括第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤的第一端之间，所述第二偏振控制器设置在所述第二电光调制器与所述传感光纤的第二端之间；所述第一偏振控制器和第二偏振控制器都用于对输入至所述传感光纤的信号的偏振状态进行调整，以使该信号能够输入到所述传感光纤的慢轴。
在另一种可选的实现方式中，还包括第一光放大器和第二光放大器，所述第一光放大器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤的第一端之间，所述第二光放大器设置在所述第二电光调制器与所述传感光纤的第二端之间；所述第一光放大器和第二光放大器都用于对输入至所述传感光纤的信号进行放大。
在另一种可选的实现方式中，还包括隔离器，所述隔离器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤之间。
在另一种可选的实现方式中，所述第二电光调制器输出的泵浦脉冲表示为：
其中E0是第二电光调制器输入光场的复振幅，Ac为由于第二电光调制器有限消光比和偏置点漂移导致的残余载波的幅值。J2n+1是第一类贝塞尔函数，C＝πVAWG/2Vπ是调制系数，Vπ是第二电光调制器的半波电压，假设C较小，则只有一阶边带保留，高阶边带可以忽略。
在另一种可选的实现方式中，所述第二电光调制器用于根据所述任意波形发生器的输出波形，对该路激光信号进行频移并将其转换为脉冲形式的泵浦脉冲，所述传感光纤为保偏光纤。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对微波源扫频速度较慢的特点(频率跳变时间在ms量级)，利用固定频率的微波信号通过电光调制器进行调制，产生低于泵浦光布里渊频移的探测光信号。同时，利用任意波形发生器扫频速度快的特点(频率跳变时间在ns量级)，对泵浦脉冲进行频率调制，只需要几百兆赫兹左右带宽的任意波形发生器就可以对泵浦—探测光之间的频差进行扫描，大大减少了对高带宽任意波形发生器及矢量微波信号发生器的需求，降低了成本。同时利用任意波形发生器产生的脉冲微波信号通过电光调制器对泵浦光进行调制，只需要一个电光调制器就将泵浦光转换成脉冲形式并进行移频，在降低了成本的同时还减小了泵浦光的损耗；
2、本发明通过采用保偏光纤以抑制布里渊光时域分析系统中的偏振衰落现象，与传统采用扰偏器的方法相比，可以有效的降低信号采集时的平均次数，提高信噪比，提升系统的动态响应能力。
3、本发明采用了差分脉冲对技术以提高布里渊光时域分析系统的空间分辨率。通过向传感光纤先后注入脉冲宽度差为纳秒级别的脉冲对，将系统的空间分辨率提高到厘米级，使得系统在具有高动态响应能力的同时具有较高的空间分辨率。
附图说明
图1是本发明基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的一个实施例结构示意图；
图2是本发明基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的另一个实施例结构示意图；
图3是第二电光调制器输出的泵浦脉冲的波形图；
图4是230米传感光纤实验测得的探测光频移—距离—功率分布图；
图5是拉伸光纤处的布里渊频移分布图；
图6是拉伸光纤处未施加振动时，布里渊增益谱随时间的变化情况示意图；
图7是拉伸光纤处施加振动时布里渊增益谱随时间的变化情况示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的一个实施例结构示意图。该基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统可以包括激光器110、耦合器120、第一电光调制器130、第二电光调制器140、微波源150、任意波形发生器160、第一滤波器170、环形器180和传感光纤190，所述激光器110的输出端与所述耦合器120的输入端连接，所述耦合器120的第一输出端连接所述第一电光调制器130的第一输入端，所述第一电光调制器130的第二输入端连接所述微波源150，输出端通过所述第一滤波器170与所述传感光纤190的第一端连接；所述耦合器120的第二输出端连接所述第二电光调制器140的第一输入端，所述第二电光调制器140的第二输入端连接任意波形发生器160，输出端连接所述环形器180的第一端，所述环形器180的第二端连接所述传感光纤190的第二端，所述环形器180的第三端与分析处理装置200连接。所述传感光纤190可以为保偏光纤。
本实施例中，所述激光器110通过所述耦合器120将其输出的激光信号分成两路，其中一路激光信号传输至所述第一电光调制器130，所述第一电光调制器130根据所述微波源150提供的微波信号，将该路激光信号调制成探测光，所述第一滤波器170滤除所述探测光的高频部分并将滤波后的探测光传输给所述传感光纤190的第一端(例如，所述第一电光调制器130根据所述微波源150提供的微波信号，将该路激光信号调制成双边带信号，所述第一滤波器170滤除所述双边带信号的上边带保留下边带并将滤波后的双边带信号传输给所述传感光纤190的第一端，且该路微波信号的频率在此过程中保持不变)；另一路激光信号传输至所述第二电光调制器140，所述第二电光调制器140根据所述任意波形发生器160的输出波形，将该路激光信号调制成泵浦脉冲，并通过所述环形器180将所述泵浦脉冲传输给所述传感光纤190的第二端。
所述传感光纤190根据所述泵浦脉冲以及所述滤波后的探测光，基于受激布里渊散射对外界环境进行感测并通过所述环形器180将感测信号传输给所述分析处理装置200，由所述分析处理装置200对所述感测信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤190感测到的时域信息。其中，所述泵浦脉冲和所述滤波后的探测光在相对传输至传感光纤190的对应侧后发生受激布里渊散射，泵浦脉冲中的部分能量将转移到探测光中，导致泵浦脉冲和探测光之间产生频差，而传感光纤中布里渊频移与外界环境中温度、应变呈线性关系，因此泵浦脉冲和探测光之间的频差可以反映出外界环境中的温度、振动等信息。探测光和泵浦脉冲在传感光纤处发生受激布里渊散射后，探测光被环形器180传输至分析处理装置200，分析处理装置200将该探测光转换为电信号并进行数据采集，随后对泵浦脉冲和探测光的频差进行扫描，获得该传感光纤的布里渊增益谱，拟合得到布里渊频移，从而可以动态感测到外界环境中温度、振动等信息的变化。
所述任意波形发生器160的输出波形包括长脉冲和短脉冲，且其波形根据所述长脉冲和短脉冲的预设脉冲宽度、相邻脉冲之间的预设时间间隔以及所述扫描的起始频率、频率扫描步长来决定。所述相邻脉冲之间的预设时间间隔由所述传感光纤的长度决定，其大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间。所述扫描的起始频率大于两倍的所述传感光纤的布里渊增益谱带宽。任意波形发生器的输出波形VAWG可以表示为：
其中fi＝f0+(i-1)fstep，V0表示所述输出波形的初始幅值，rect()表示矩形函数，t表示所述输出波形的对应时间，τ1表示所述输出波形中长脉冲的脉冲宽度，τ2表示所述输出波形中短脉冲的脉冲宽度，Tin表示所述输出波形中两个相邻脉冲之间的预设时间间隔，f0表示所述扫描的起始频率，fstep表示频率扫描步长。
所述第二电光调制器140输出的泵浦脉冲可以表示为：
其中E0是第二电光调制器输入光场的复振幅，Ac为由于第二电光调制器有限消光比和偏置点漂移导致的残余载波的幅值。J2n+1是第一类贝塞尔函数，C＝πVAWG/2Vπ是调制系数，Vπ是第二电光调制器的半波电压，假设C较小，则只有一阶边带保留，高阶边带可以忽略，如图3所示。
由上述实施例可见，本发明针对微波源扫频速度较慢的特点(频率跳变时间在ms量级)，利用固定频率的微波信号通过电光调制器进行调制，产生低于泵浦光布里渊频移的探测光信号。同时，利用任意波形发生器扫频速度快的特点(频率跳变时间在ns量级)，对泵浦脉冲进行频率调制，只需要几百兆赫兹左右带宽的任意波形发生器就可以对泵浦—探测光之间的频差进行扫描，大大减少了对高带宽任意波形发生器及矢量微波信号发生器的需求，降低了成本。同时利用任意波形发生器产生的脉冲微波信号通过电光调制器对泵浦光进行调制，只需要一个电光调制器就将泵浦光转换成脉冲形式并进行移频，在降低了成本的同时还减小了泵浦光的损耗；本发明通过采用保偏光纤以抑制布里渊光时域分析系统中的偏振衰落现象，与传统采用扰偏器的方法相比，可以有效的降低信号采集时的平均次数，提高信噪比，提升系统的动态响应能力；本发明采用了差分脉冲对技术以提高布里渊光时域分析系统的空间分辨率。通过向传感光纤先后注入脉冲宽度差为纳秒级别的脉冲对，将系统的空间分辨率提高到厘米级，使得系统在具有高动态响应能力的同时具有较高的空间分辨率。
参见图2，为本发明基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的另一个实施例结构示意图。图2与图1所示基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的区别在于，还包括第一偏振控制器210和第二偏振控制器220，所述第一偏振控制器210设置在所述第一电光调制器130与所述传感光纤190的第一端之间，所述第二偏振控制器220设置在所述第二电光调制器140与所述传感光纤190的第二端之间；所述第一偏振控制210器和第二偏振控制器220都用于对输入至所述传感光纤190的信号的偏振状态进行调整，以使该信号能够输入到所述传感光纤190的慢轴。本发明通过使输入至传感光纤的信号都能够进入传感光纤的慢轴，可以避免信号产生偏振衰落，使得感测信号变弱。
图2与图1所示基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的区别在于，还包括第一光放大器230和第二光放大器240，所述第一光放大器230设置在所述第一电光调制器130与所述传感光纤190的第一端之间，所述第二光放大器240设置在所述第二电光调制器140与所述传感光纤190的第二端之间；所述第一光放大器230和第二光放大器240都用于对输入至所述传感光纤190的信号进行放大。本发明通过对输入至传感光纤的信号进行放大，可以使感测信号更加明显。图2与图1所示基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的区别在于，还包括隔离器250，所述隔离器250设置在所述第一电光调制器130与所述传感光纤190之间，由此可以避免探测光传输回激光器。另外，所述分析处理装置200可以包括第二滤波器260、探测器270和信号采集处理器280，所述第二滤波器260的输入端与所述环形器180的第三端连接，输出端连接所述探测器270的输入端，所述探测器270的输出端连接所述信号采集处理器280，所述第二滤波器260用于对所述探测信号进行滤波处理，所述探测器用于将滤波后的探测信号转换为电信号，所述信号采集处理器用于对所述电信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤探测到的时域信息。
由上述实施例可见，本发明针对微波源扫频速度较慢的特点(频率跳变时间在ms量级)，利用固定频率的微波信号通过电光调制器进行调制，产生低于泵浦光布里渊频移的探测光信号。同时，利用任意波形发生器扫频速度快的特点(频率跳变时间在ns量级)，对泵浦脉冲进行频率调制，只需要几百兆赫兹左右带宽的任意波形发生器就可以对泵浦—探测光之间的频差进行扫描，大大减少了对高带宽任意波形发生器及矢量微波信号发生器的需求，降低了成本。同时利用任意波形发生器产生的脉冲微波信号通过电光调制器对泵浦光进行调制，只需要一个电光调制器就将泵浦光转换成脉冲形式并进行移频，在降低了成本的同时还减小了泵浦光的损耗；本发明通过采用保偏光纤以抑制布里渊光时域分析系统中的偏振衰落现象，与传统采用扰偏器的方法相比，可以有效的降低信号采集时的平均次数，提高信噪比，提升系统的动态响应能力；本发明采用了差分脉冲对技术以提高布里渊光时域分析系统的空间分辨率。通过向传感光纤先后注入脉冲宽度差为纳秒级别的脉冲对，将系统的空间分辨率提高到厘米级，使得系统在具有高动态响应能力的同时具有较高的空间分辨率。
以对振动信号进行感测为例，图4为230米传感光纤实验测得的探测光频移—距离—功率分布图，其中光纤在室温下的布里渊频移为10880MHz，光纤末端用水平位移台进行拉伸，可以看出在229米处有明显的60MHz的布里渊频移变化。图5为拉伸光纤处的布里渊频移分布图，可以看出系统的空间分辨率约为50cm。图6为拉伸光纤处未施加振动时，布里渊增益谱随时间的变化情况，可以看出未施加振动时布里渊频移基本保持一致。图7为拉伸光纤处施加振动时布里渊增益谱随时间的变化情况，可以看出布里渊频移随时间呈正弦变化，与施加的振动信号相符，证明该系统可以有效提取振动信号。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、微波源、任意波形发生器、第一滤波器、环形器和传感光纤，所述激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述耦合器的第一输出端连接所述第一电光调制器的第一输入端，所述第一电光调制器的第二输入端连接所述微波源，输出端通过所述第一滤波器与所述传感光纤的第一端连接；所述耦合器的第二输出端连接所述第二电光调制器的第一输入端，所述第二电光调制器的第二输入端连接任意波形发生器，输出端连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述传感光纤的第二端，所述环形器的第三端与分析处理装置连接；
所述激光器通过所述耦合器将其输出的激光信号分成两路，其中一路激光信号传输至所述第一电光调制器，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的固定频率的微波信号，将该路激光信号调制成探测光，所述第一滤波器滤除所述探测光的高频部分并将滤波后的探测光传输给所述传感光纤的第一端；另一路激光信号传输至所述第二电光调制器，所述第二电光调制器根据所述任意波形发生器的输出波形，对该路激光信号同时进行频率调制和脉冲调制，形成泵浦脉冲，并通过所述环形器将所述泵浦脉冲传输给所述传感光纤的第二端；
所述传感光纤根据所述泵浦脉冲以及所述滤波后的探测光，基于受激布里渊散射对外界环境进行感测并通过所述环形器将感测信号传输给所述分析处理装置，由所述分析处理装置对所述感测信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤感测到的时域信息；所述任意波形发生器的输出波形包括长脉冲和短脉冲，且其波形根据所述长脉冲和短脉冲的预设脉冲宽度、相邻脉冲之间的预设时间间隔以及扫描的起始频率、频率扫描步长来决定，扫描的起始频率大于两倍的所述传感光纤的布里渊增益谱带宽。
2.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述相邻脉冲之间的预设时间间隔由所述传感光纤的长度决定，其大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间。
3.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述任意波形发生器的输出波形VAWG表示为：
其中fi＝f0+(i-1)fstep，V0表示所述输出波形的初始幅值，rect()表示矩形函数，t表示所述输出波形的对应时间，τ1表示所述输出波形中长脉冲的脉冲宽度，τ2表示所述输出波形中短脉冲的脉冲宽度，Tin表示所述输出波形中两个相邻脉冲之间的预设时间间隔，f0表示所述扫描的起始频率，fstep表示频率扫描步长。
4.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成双边带信号，所述第一滤波器滤除所述双边带信号的上边带保留下边带并将滤波后的双边带信号传输给所述传感光纤的第一端，且该路微波信号的频率在此过程中保持不变。
5.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，还包括第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤的第一端之间，所述第二偏振控制器设置在所述第二电光调制器与所述传感光纤的第二端之间；所述第一偏振控制器和第二偏振控制器都用于对输入至所述传感光纤的信号的偏振状态进行调整，以使该信号能够输入到所述传感光纤的慢轴。
6.根据权利要求1或5所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，还包括第一光放大器和第二光放大器，所述第一光放大器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤的第一端之间，所述第二光放大器设置在所述第二电光调制器与所述传感光纤的第二端之间；所述第一光放大器和第二光放大器都用于对输入至所述传感光纤的信号进行放大。
7.根据权利要求6所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤之间。
8.根据权利要求3所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述第二电光调制器输出的泵浦脉冲表示为：
其中E0是第二电光调制器输入光场的复振幅，Ac为由于第二电光调制器有限消光比和偏置点漂移导致的残余载波的幅值；J2n+1是第一类贝塞尔函数，C＝πVAWG/2Vπ是调制系数，Vπ是第二电光调制器的半波电压，假设C较小，则只有一阶边带保留，忽略高阶边带。
9.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述第二电光调制器用于根据所述任意波形发生器的输出波形，对该路激光信号进行频移并将其转换为脉冲形式的泵浦脉冲，所述传感光纤为保偏光纤。
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