CN108204833A

CN108204833A - 一种基于近红外单光子探测器的botdr测量方法

Info

Publication number: CN108204833A
Application number: CN201611176926.1A
Authority: CN
Inventors: 曾和平; 鲍世娟
Original assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: East China Normal University; Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-26

Abstract

本发明公开了一种基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其包括以下步骤：步骤一，利用单光子探测与F‑P扫描方法相结合；步骤二，采用光脉冲信号、F‑P扫描干涉驱动信号、单光子探测器触发信号，这三信号同步执行的解决方案；步骤三，实现同时对光纤温度和应变的同时检测，即通过探测布里渊散射光功率和频移量；步骤四，获取传感光纤所受的温度和应变信息。本发明实现了人机交互功能，并可以因地制宜调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F‑P的扫描周期，使整个系统实现人工智能功能化，现代化，使其在当前的光纤通信领域具有较大的应用前景。

Description

一种基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法

技术领域

本发明涉及一种BOTDR测量方法，特别是涉及一种基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法。

背景技术

分布式光纤传感，利用激光在光纤中传播产生的后向散射现象，在通讯、遥感、航空航天及军事侦察等诸多国防民用领域有着广阔的应用前景。分布式传感方法具体可分为三大类：基于瑞丽散射的分布式传感、基于布里渊散射的分布式传感、基于拉曼散射的传感，满足不同方面，不同测量精度范围的应用需求。其中基于布里渊散射的分布式光纤传感方法，是当光信号进入光纤后，在光纤材料的分子中将伴随有微小振动的存在，从而导致光纤的内部结构发生改变，使折射率呈周期性分布，同时引起一个自发的声场。于是在声场的作用下光纤中传播的入射光波将产生的一个非弹性散射，称为布里渊散射。利用这种现象的分布式传感技术称之为基于布里渊散射的分布式传感技术。通常沿光纤分布的温度或者应力发生改变时，将影响到光纤中的布里渊散射信号的频移量；除此之外，其还将对后向布里渊散射光的强度产生影响。在基于布里渊散射的分布式光纤传感器中，在光纤的入射端输入一个经脉冲调制的光信号，当光信号在光纤的传播过程中将产生后向的瑞利散射，布里渊散射，和拉曼散射信号（由于拉曼信号较弱在此系统中被忽略），然后在入射端检测沿光纤长度分布的瑞利散射光，布里渊散射光的强度信息和布里渊相对频移信息来实现对光纤温度和应变的同时测量。由于布里渊散射具有空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，其在大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、电力通信网络、油气管道等的安全监测和故障预警与评估中显示出十分诱人的应用前景。

但是，由于布里渊散射光其光强十分微弱，难以检测，使得BOTDR具有较大的局限性，例如，其可测量距离较短，分辨率不高等缺点。为了提高其测量范围，诸多科学家开始采取使用单光子探测器的测量方案。但是，当前的单光子探测器基本只能工作在同一频率下，而且当前的BOTDR系统具有如下的特性如果提高了测量精度，测量距离就会变短；相反如果想要增加测量距离，必须以降低精度作为代价；这样完全限制了整个系统的性能。如何采取措施，突破这种限制，进一步提升BOTDR的测量距离、分辨率等参数，成为一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其实现了人机交互功能，并可以因地制宜调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描周期，使整个系统实现人工智能功能化，现代化，使其在当前的光纤通信领域具有较大的应用前景。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其包括以下步骤：

步骤一，利用单光子探测与F-P扫描方法相结合；

步骤二，采用光脉冲信号、F-P扫描干涉驱动信号、单光子探测器触发信号，这三信号同步执行的解决方案；

步骤三，实现同时对光纤温度和应变的同时检测，即通过探测布里渊散射光功率和频移量；

步骤四，获取传感光纤所受的温度和应变信息。

优选地，所述基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法设有一个基于近红外单光子探测器的BOTDR系统，其包括：

系统核心控制模块，用于实现信号光脉冲、F-P腔扫描干涉驱动信号以及单光子探测器触发信号的同步控制，并实现人机交互功能，调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描电压范围、扫描周期，使整个系统实现人工智能化。

脉冲激光发射模块，包括激光光源产生和声光调制模块，掺铒光纤放大器，其用于激光脉冲发射，作为BOTDR系统的入射光源。

探测模块，包括F-P扫描干涉模块和单光子探测器模块腔；F-P扫描干涉模块，包括F-P电压驱动模块和F-P扫描干涉仪两大模块，用于实现光纤后向散射光的频谱分离；SPD用于实现光纤后向散射光的频谱分离，并将收集的返回光子信号转成可探测的电信号，并进行相关数据的收集及处理；最后通过串口总线将处理后的数据发送到核心控制模块进行保存。

优选地，所述系统核心控制模块，用来实现三信号同步执行的解决方案，并实现人机交互功能；首先利用核心驱动模块产生两路电信号，并通过控制激光脉冲的频率与脉宽，实现测量光纤距离与脉冲周期的对应，然后调节系统延时实现同时单光子探测器触发信号与激光脉冲信号同步；接着根据探测器的累计测量时间，需要的系统分辨率产生相应的F-P电压驱动信号；这样便实现了根据需要调整系统的空间分辨率，测量时间，测量范围使得整个系统达到最佳性能的目的；通过实现人机交互功能，便于因地制宜调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描电压范围，扫描周期，使整个系统实现人工智能功能化，现代化。

优选地，所述脉冲激光发射模块首先利用1550nm连续激光器产生连续激光；接着核心控制模块产生频率可调、脉冲可控的脉冲信号，实现对线性光波进行调制，产生系统需要的脉冲光波；接着利用EDFA进行光放大处理，这样通过增加了单脉冲能量，使得布里渊散射信号强度增加，进而进一步提升整个系统的测量范围，测量精度，空间分辨率性能参数。

优选地，所述探测器模块包括F-P扫描干涉模块与SPD模块，首先通过F-P扫描干涉仪对频谱进行分离，接着利用SPD实现对单光子量级的灵敏探测，从而大大提高测距系统的测距精度、效率、测量范围。

本发明的积极进步效果在于：本发明通过调节激光脉冲的频率与脉宽，实现测量光纤距离与脉冲周期的对应，使其同时满足近、中、远程光纤长度测量的需求；实现了人机交互功能，并可以因地制宜调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描周期，使整个系统实现人工智能功能化，现代化，使其在当前的光纤通信领域具有较大的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于近红外单光子探测器的BOTDR（布里渊光时域反射仪）测量方法包括以下步骤：

步骤一，利用单光子探测与F-P（珐布里-珀罗）扫描方法相结合；

步骤二，采用光脉冲信号、F-P扫描干涉驱动信号、单光子探测器（SPD）触发信号，这三信号同步执行的解决方案；

步骤四，获取传感光纤所受的温度和应变信息。

本发明基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法设有一个基于近红外单光子探测器的BOTDR系统，其包括系统核心控制模块、脉冲激光发射模块、探测模块，其中：

脉冲激光发射模块，包括激光光源产生和声光调制（AOM）模块，掺铒光纤放大器（EDFA），其用于激光脉冲发射，作为BOTDR系统的入射光源。

探测模块，包括F-P扫描干涉模块和单光子探测器（SPD）模块腔。F-P扫描干涉模块，包括F-P电压驱动模块和F-P扫描干涉仪两大模块，用于实现光纤后向散射光的频谱分离；SPD用于实现光纤后向散射光的频谱分离，并将收集的返回光子信号转成可探测的电信号，并进行相关数据的收集及处理；最后通过串口总线将处理后的数据发送到核心控制模块进行保存。

系统核心控制模块、脉冲激光发射模块、探测模块，其中：系统核心模块，负责对系统的整体控制，尤其在体现实现三信号同步执行方案。首先，脉冲激光发射模块将激光经过AOM调制，EDFA放大后通过环形器进入传感光纤中；然后，返回的后向散射的光信号通过F-P扫描干涉仪后进行频谱分离，再利用SPD对这些光子进行收集、探测，并将收集的返回光子信号转成可探测的电信号进行处理；最后通过串口总线，送入系统核心控制模块进行保存。

系统核心控制模块，用来实现三信号同步执行的解决方案，并实现人机交互功能。首先利用核心驱动模块产生两路电信号，并通过控制激光脉冲的频率与脉宽，实现测量光纤距离与脉冲周期的对应，然后调节系统延时实现同时单光子探测器（SPD）触发信号与激光脉冲信号同步；接着根据探测器的累计测量时间，需要的系统分辨率产生相应的F-P电压驱动信号。这样便实现了根据需要调整系统的空间分辨率，测量时间，测量范围使得整个系统达到最佳性能的目的。通过实现人机交互功能，便于因地制宜调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描电压范围，扫描周期，使整个系统实现人工智能功能化，现代化。

脉冲激光发射模块首先利用1550nm连续激光器产生连续激光；接着核心控制模块产生频率可调、脉冲可控的脉冲信号，实现对线性光波进行调制，产生系统需要的脉冲光波；接着利用EDFA进行光放大处理，这样通过增加了单脉冲能量，使得布里渊散射信号强度增加，进而进一步提升整个系统的测量范围，测量精度，空间分辨率性能参数。

探测器模块包括F-P扫描干涉模块与SPD模块，首先通过F-P扫描干涉仪对频谱进行分离，接着利用SPD实现对单光子量级的灵敏探测，从而大大提高测距系统的测距精度、效率、测量范围。

整分布式传感系统中采用1550nm波段的近红外激光，其为常用的通信波段常用频率之一，随着当前光纤通信迅猛发展，其具有很大的军事及民用价值。

光脉冲信号与SPD触发信号同步原理：首先1550nm激光模块产生连续激光，通过隔离器耦合进AOM调制器中。与此同时，核心驱动模块同时两个产生同频的脉冲信号，一份送入AOM驱动器中作为触发信号，这样连续的激光就被调制为脉冲激光；然后这束脉冲激光进过掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大处理后通过环形器，耦合进入传感光纤；接着脉冲光信号到达检测点后，其后向散射光从环形的另一个端口被送F-P扫描干涉仪中，这样其频谱就发生了分离；最后，由SPD对频谱分离后的光信号进行检测。而由核心控制模块产生的另一组脉冲信号作为单光子探测器的触发信号，通过核心控制模块调节延时，使得单光子探测器的触发信号的延时与光纤位置点相对应；这样就达到同步探测的目的，即当光子到达探测器时，探测器同时进入雪崩模式，这样就可以对光纤测量点进行精确的控制，可以近一步提高系统的准确性。而在该BOTDR系统中，能检测的最远距离由脉冲激光的工作频率决定，频率越高，距离越短；通过调节激光频率即可调节测量范围，探测器的触发频率也会相应的改变，则保证了返回信号的探测的准确度及探测范围。

BOTDR测量方法：首先利用核心驱动模块产生两路电信号，并通过控制激光脉冲的频率与脉宽，实现测量光纤距离与脉冲周期的对应，然后调节系统延时实现同时单光子探测器（SPD）触发信号与激光脉冲信号同步；接着根据探测器的累计测量时间，需要的系统分辨率产生相应的F-P扫描电压驱动信号，这样便实现了根据需要调整系统的空间分辨率、测量时间、测量范围使得整个系统达到最佳性能的目的。BOTDR系统的基本流程:首先，根据测量需求设定核心控制模块的各项参数，包括激光脉冲的频率、脉宽、F-P扫描驱动的电压范围，扫描时间参数，尤其是调节核心驱动模块的延时，进行SPD触发信号与返回光信号对齐；然后启动1550nm激光光源产生连续激光，经过隔离器后用AOM进行调制使其变成脉冲光，然后调制后的激光可以送到EDFA进行放大（以情况而定，多用于长距离检测），放大后的脉冲激光通过环形器后耦合进传感光纤；特定位置点的后向散射光通过环形器的另一端进入F-P扫描干涉仪中，这样后向散射光的频谱被分离开来；然后由SPD对F-P腔射出的光进行检测，其产生的雪崩信号经过相应的放大、整型、模数处理后，通过串口总线送入核心控制模块进行保存。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，利用单光子探测与F-P扫描方法相结合；

步骤四，获取传感光纤所受的温度和应变信息。

2.如权利要求1所述的基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其特征在于，所述基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法设有一个基于近红外单光子探测器的BOTDR系统，其包括：

系统核心控制模块，用于实现信号光脉冲、F-P腔扫描干涉驱动信号以及单光子探测器触发信号的同步控制，并实现人机交互功能，调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描电压范围、扫描周期，使整个系统实现人工智能化；

脉冲激光发射模块，包括激光光源产生和声光调制模块，掺铒光纤放大器，其用于激光脉冲发射，作为BOTDR系统的入射光源；

3.如权利要求2所述的基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其特征在于，所述系统核心控制模块，用来实现三信号同步执行的解决方案，并实现人机交互功能；首先利用核心驱动模块产生两路电信号，并通过控制激光脉冲的频率与脉宽，实现测量光纤距离与脉冲周期的对应，然后调节系统延时实现同时单光子探测器触发信号与激光脉冲信号同步；接着根据探测器的累计测量时间，需要的系统分辨率产生相应的F-P电压驱动信号；这样便实现了根据需要调整系统的空间分辨率，测量时间，测量范围使得整个系统达到最佳性能的目的；通过实现人机交互功能，便于因地制宜调整系统的各项参数，例如调制光脉冲的重复频率、调制脉宽、F-P的扫描电压范围，扫描周期，使整个系统实现人工智能功能化，现代化。

4.如权利要求2所述的基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其特征在于，所述脉冲激光发射模块首先利用1550nm连续激光器产生连续激光；接着核心控制模块产生频率可调、脉冲可控的脉冲信号，实现对线性光波进行调制，产生系统需要的脉冲光波；接着利用EDFA进行光放大处理，这样通过增加了单脉冲能量，使得布里渊散射信号强度增加，进而进一步提升整个系统的测量范围，测量精度，空间分辨率性能参数。

5.如权利要求2所述的基于近红外单光子探测器的BOTDR测量方法，其特征在于，所述探测器模块包括F-P扫描干涉模块与SPD模块，首先通过F-P扫描干涉仪对频谱进行分离，接着利用SPD实现对单光子量级的灵敏探测，从而大大提高测距系统的测距精度、效率、测量范围。