CN109029515A - 基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，包括可调半导体激光器（1a），单频半导体激光器（1b），锁频器（2），第一偏振控制器（3a），第二偏振控制器（3b）；声光调制器（4），单向光纤放大器（5a），双向光纤放大器（5b），光环形器（6），多波长窄线宽布里渊光纤激光器（7），可调光滤波器（8），光电探测器（9），数据采集卡（10）；多波长窄线宽布里渊光纤激光器（7）由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器（7a）、传感光纤（7b）、双向掺铒光纤放大器（5b）、法拉第旋光镜（7c）组成。本发明设计合理，使用多波长窄线宽布里渊光纤激光器，通过探测高阶布里渊斯托克斯波频移量，实现高精度的温度和应变探测。
Description
技术领域
本发明涉及布里渊分布式光纤传感系统，具体为一种基于高阶布里渊斯托克斯波的高精度布里渊分布式光纤传感系统，包括半导体激光器、锁频器、偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、可调光滤波器、光电探测器、数据采集卡。
背景技术
分布式光纤传感具有显著的连续性优点，即只需一根光纤就可以准确感知光纤上任一点的信息，受到了越来越多研究者的研究和关注，目前已广泛应用于通信、交通、国防、土木、电力等重要领域。
其中，布里渊散射的分布式光纤传感在温度和应力探测方面，具有更好的性能，但是对于高精度的探测还有很多不足，主要体现在：
(1)、灵敏度方面
蒙特利尔综合理工大学V.L.Iezzi课题组(V.L.Iezzi,et.al.OpticsLetters,39(4):857-60,2014.)和南京大学张旭苹课题组(R.Xu,et.al.IEEE Photonics Journal,7(3):1-8,2015.)等研究者们提出了一种可以提高灵敏度的方案，使用两个多波长布里渊掺铒光纤激光器，一个激光器做为参考单元，另一个激光器做为传感单元，通过探测高阶Stokes实现了高灵敏度的点式光纤传感，最终分别获得约7MHz/℃和13.8MHz/℃的温度灵敏度。上述方案产生的高阶布里渊斯托克斯波处于多纵模状态，对应10MHz的线宽，难以提高探测精度。
(2)、压窄布里渊增益谱方面
由于布里渊光纤激光器本身具有线宽压窄效应，可以利用布里渊光纤激光器压窄布里渊增益谱，而且对于长腔长的布里渊光纤激光器，已经有很多方法实现其单纵模的窄线宽布里渊激光输出。申请者分别在100m(Y.Liu,et.al.IEEE Photonics TechnologyLetters,26(2):169–172,2014.)和1km(Y.Liu,et.al.Journal of LightwaveTechnology,35(9):1744-1749,2017.)腔长下，使用级联FP腔结构和三环结构，实现了0.41kHz和0.065kHz窄线宽布里渊激光输出；加拿大渥太华大学鲍晓毅课题组(B.Xiaoyi,et.al.IEEE Photonics Technology Letters,26(20):2058–2061,2014.)利用无芯光纤和FP窄带滤波器，在25km腔长下实现了短期内30Hz窄线宽输出。
上述方案提供了压窄方案，但都是探测一阶布里渊斯托克斯波，因此限制了探测精度的改进。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，包括可调半导体激光器，单频半导体激光器，锁频器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，声光调制器，单向光纤放大器，双向光纤放大器，光环形器，多波长窄线宽布里渊光纤激光器，可调光滤波器，光电探测器，数据采集卡。
所述多波长窄线宽布里渊光纤激光器由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器、传感光纤、双向掺铒光纤放大器、法拉第旋光镜组成。
所述可调半导体激光器和单频半导体激光器之间通过锁频器相连。
所述可调半导体激光器输出端与第一偏振控制器输入端相连，所述第一偏振控制器输出端与声光调制器输入端相连，所述声光调制器输出端与单向光纤放大器输入端相连，所述单向光纤放大器输出端与光环形器的第一端口相连，所述光环形器的第二端口与多波长窄线宽布里渊光纤激光器相连，所述多波长窄线宽布里渊光纤激光器与第二偏振控制器输出端相连，所述第二偏振控制器输入端与单频半导体激光器输出端相连；所述光环形器的第三端口与可调光滤波器输入端相连，所述可调光滤波器输出端与光电探测器输入端相连，所述光电探测器输出端与数据采集卡相连。
工作时，两个激光器分别作为传感系统的探测光和泵浦光，第一可调半导体激光器作为传感系统的探测光源，经过偏振控制器、声光调制器、单向光纤放大器、光环形器后注入多波长窄线宽布里渊光纤激光器，偏振控制器用来调节进入电光调制器的偏振态；第二单频半导体激光器作为泵浦光源，经过偏振控制器注入多波长窄线宽布里渊光纤激光器，两个激光器和之间用锁频器进行锁定。多波长窄线宽布里渊光纤激光器产生高阶布里渊斯托克斯波，其由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器、传感光纤、双向掺铒光纤放大器、法拉第旋光镜组成，传感光纤既作为传感系统的传感单元又作为多波长窄线宽布里渊光纤激光器的增益光纤，双向光纤放大器的功率越大，产生的高阶布里渊斯托克斯波数量越多。泵浦光产生的受激布里渊散射和高阶布里渊斯托克斯波进行拍频，拍频信号经过光环形器与可调光滤波器相连，最终滤出的探测信号经过光电探测器后，从数据采集卡中解调出高精度的传感信息。通过探测光和可调光滤波器配合选择需要探测的波长，实现传感精度的选择。
实现本发明所述的基于高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，与现有技术相比，其优点与积极效果具体体现在，本分布式光纤传感系统通过探测高阶布里渊斯托克斯波实现高精度的温度和应力传感，其基本原理是提高传感灵敏度的同时压窄布里渊增益带宽，探测精度至少提高100倍。
本发明设计合理，使用多波长窄线宽布里渊光纤激光器，通过探测高阶布里渊斯托克斯波频移量，实现高精度的温度和应变探测。
附图说明
图1表示本发明提出的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统的结构示意图。
图2表示多波长窄线宽布里渊光纤激光器的结构示意图。
图中：1a-可调半导体激光器，1b-单频半导体激光器，2-锁频器，3a-第一偏振控制器，3b-第二偏振控制器，4-声光调制器，5a-单向光纤放大器，5b-双向光纤放大器，6-光环形器，61-第一端口，62-第二端口，63-第三端口，7-多波长窄线宽布里渊光纤激光器，7a-带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器，7b-传感光纤，7c-法拉第旋光镜，8-可调光滤波器，9-光电探测器，10-数据采集卡。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
如图1、2所示，本发明所述的一种基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，包括可调半导体激光器1a，单频半导体激光器1b，锁频器2，第一偏振控制器3a，第二偏振控制器3b，声光调制器4，单向光纤放大器5a，双向光纤放大器5b，光环形器6，多波长窄线宽布里渊光纤激光器7，可调光滤波器8，光电探测器9，数据采集卡10；其中，多波长窄线宽布里渊光纤激光器7由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器7a、传感光纤7b、双向掺铒光纤放大器5b、法拉第旋光镜7c组成。
基于上述的构成要件，本发明的构成关系如下：可调半导体激光器1a和单频半导体激光器1b之间通过锁频器2相连；可调半导体激光器1a输出端与第一偏振控制器3a输入端相连，第一偏振控制器3a输出端与声光调制器4输入端相连，声光调制器4输出端与单向光纤放大器5a输入端相连，单向光纤放大器5a输出端与光环形器6的第一端口相连，光环形器6的第二端口与多波长窄线宽布里渊光纤激光器7相连，多波长窄线宽布里渊光纤激光器7与第二偏振控制器3b输出端相连，第二偏振控制器3b输入端与单频半导体激光器1b输出端相连；光环形器6的第三端口与可调光滤波器8输入端相连，可调光滤波器8输出端与光电探测器9输入端相连，光电探测器9输出端与数据采集卡10相连。
两个激光器分别作为传感系统的探测光和泵浦光，第一可调半导体激光器1a作为传感系统的探测光源，经过偏振控制器3a、声光调制器4、单向光纤放大器5a、光环形器6的第一端口61和第二端口62注入多波长窄线宽布里渊光纤激光器7，偏振控制器3a用来调节进入电光调制器4的偏振态；第二单频半导体激光器1b作为泵浦光源，经过偏振控制器3b注入多波长窄线宽布里渊光纤激光器7，可调半导体激光器1a和单频半导体激光器1b之间用锁频器2进行锁定。多波长窄线宽布里渊光纤激光器7产生高阶布里渊斯托克斯波，其由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器7a、传感光纤7b、双向掺铒光纤放大器5b、法拉第旋光镜7c组成，传感光纤7b既作为传感系统的传感单元又作为多波长窄线宽布里渊光纤激光器7的增益光纤，双向光纤放大器5b的功率越大，产生的高阶布里渊斯托克斯波数量越多。泵浦光1a产生的受激布里渊散射和高阶布里渊斯托克斯波进行拍频，拍频信号经过光环形器6的第二端口62和第三端口63与可调光滤波器8相连，最终滤出的探测信号经过光电探测器9后，从数据采集卡10中解调出高精度的传感信息。
基于上述具体实施方式，本发明进一步的具体实施方案如下：
所采用的可调半导体激光器1a是可调范围为从1520nm到1630nm的连续运行激光器，光谱线宽为400kHz，边摸抑制比>45dB，最大输出功率为10dBm。
所采用的单频半导体激光器1b是中心波长1550nm的连续运行激光器，光谱线宽为3MHz，最大输出功率为5dBm。
所采用的声光调制器4是带宽为10GHz、消光比为40dB的调制器。
所采用的单向光纤放大器5a和双向光纤放大器5b其输出功率为0.5W～2W、波长范围为1545nm～1565nm。
所采用的带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器7a由未泵浦掺饵光纤环组成，其长度约10m。
所采用的传感光纤7b是km量级长度的单模光纤。
所采用的可调光滤波器8其波长覆盖范围为1480nm～1620nm，带宽可调范围为32pm～650pm。
所采用的光电探测器9其响应带宽是0～1GHz。
所采用的数据采集卡10其采样率为2GS/s，300MHz的带宽。
所采用的多波长窄线宽布里渊光纤激光器的工作原理如下：
光纤中，入射激光和光纤中声波发生非线性的相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起了光纤折射率的周期性调制，产生频率上、下移的反斯托克斯和斯托克斯布里渊散射光，在光纤中产生的布里渊频移vB，表示为
νB＝(2vA/c)vP (1)
其中，P为泵浦光频率，vA为声速，c为光速，vB在1550nm附近大约为10GHz。
对于多波长窄线宽布里渊光纤激光器，当激光腔内功率进一步增大时，发生级联受激布里渊散射，获得多波长窄线宽布里渊激光输出vLm(m＝2,3…)，即窄线宽高阶布里渊斯托克斯波，且每两阶布里渊斯托克斯波间隔为布里渊频移量vB，每阶布里渊斯托克斯波频率可以表示为：
vLm＝vL(m-1)+νB＝…νP+mvB (2)
带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器由未泵浦掺饵光纤环组成，可以保证每阶布里渊斯托克斯波的窄线宽运行，其
其中，B为中心波长，Δn为折射率变换量，Lg为未泵浦掺饵光纤长度，κ＝πΔn/λB为耦合系数，10m长度未泵浦掺饵光纤对于带宽低于1MHz。
所采用的高精度探测的工作原理：
光纤中布里渊散射光频移vB具有温度和应变效应，高阶布里渊斯托克斯波频移变化量ΔvLm可以表示为：
ΔvLm＝cBTmΔT+cBεmΔε (3)
其中，ΔT和Δε为温度变化量和应变变化量，cBTm＝m·cBT1＝m·1.10MHz/K为高阶布里渊斯托克斯波温度系数，而cBεm＝m·cBε1＝m·0.05MHz/με为高阶布里渊斯托克斯波应变系数，高阶布里渊斯托克斯波线宽Δvm可以表示为
其中，γA＝πΔνB声波衰减率，ΓC＝-clnR/nL为腔损耗率，L为腔长。可得高阶布里渊斯托克斯波对应的探测精度为：
由式(5)和式(4)，探测高阶斯布里渊托克斯波频移变化量，就可以获取传感光纤出的温度值和应变值，且探测阶数越高，精度也越高。
具体工作时，两个激光器分别作为传感系统的探测光和泵浦光，第一可调半导体激光器1a作为传感系统的探测光源，经过偏振控制器3a、声光调制器4、单向光纤放大器5a、光环形器6的第一端口61和第二端口62注入多波长窄线宽布里渊光纤激光器7，偏振控制器3a用来调节进入电光调制器4的偏振态；第二单频半导体激光器1b作为泵浦光源，经过偏振控制器3b注入多波长窄线宽布里渊光纤激光器7，可调半导体激光器1a和单频半导体激光器1b之间用锁频器2进行锁定。多波长窄线宽布里渊光纤激光器7产生高阶布里渊斯托克斯波，其由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器7a、传感光纤7b、双向掺铒光纤放大器5b、法拉第旋光镜7c组成，传感光纤7b既作为传感系统的传感单元又作为多波长窄线宽布里渊光纤激光器7的增益光纤，双向光纤放大器5b的功率越大，产生的高阶布里渊斯托克斯波数量越多。泵浦光1a产生的受激布里渊散射和高阶布里渊斯托克斯波进行拍频，拍频信号经过光环形器6的第二端口62和第三端口63与可调光滤波器8相连，最终滤出的探测信号经过光电探测器9后，从数据采集卡10中解调出高精度的传感信息。通过探测光和可调光滤波器8配合选择需要探测的波长，实现传感精度的选择。
上述分布式光纤传感器具有高精度探测的优点，提高灵敏度的同时压窄高阶布里渊斯托克斯波线宽，预计实现提高100倍的温度和应变探测精度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。
Claims (10)
1.一种基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：包括可调半导体激光器（1a），单频半导体激光器（1b），锁频器（2），第一偏振控制器（3a），第二偏振控制器（3b）；声光调制器（4），单向光纤放大器（5a），双向光纤放大器（5b），光环形器（6），多波长窄线宽布里渊光纤激光器（7），可调光滤波器（8），光电探测器（9），数据采集卡（10）；
多波长窄线宽布里渊光纤激光器（7）由带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器（7a）、传感光纤（7b）、双向掺铒光纤放大器（5b）、法拉第旋光镜（7c）组成；
所述可调半导体激光器（1a）和单频半导体激光器（1b）之间通过锁频器（2）相连；
所述可调半导体激光器（1a）输出端与第一偏振控制器（3a）输入端相连，所述第一偏振控制器（3a）输出端与声光调制器（4）输入端相连，所述声光调制器（4）输出端与单向光纤放大器（5a）输入端相连，所述单向光纤放大器（5a）输出端与光环形器（6）的第一端口相连，所述光环形器（6）的第二端口与多波长窄线宽布里渊光纤激光器（7）相连，所述多波长窄线宽布里渊光纤激光器（7）与第二偏振控制器（3b）输出端相连，所述第二偏振控制器（3b）输入端与单频半导体激光器（1b）输出端相连；所述光环形器（6）的第三端口与可调光滤波器（8）输入端相连，所述可调光滤波器（8）输出端与光电探测器（9）输入端相连，所述光电探测器（9）输出端与数据采集卡（10）相连。
2.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述可调半导体激光器（1a）是可调范围为从1520nm到1630nm的连续运行激光器，光谱线宽为400kHz，边摸抑制比>45dB，最大输出功率为10dBm。
3.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述单频半导体激光器（1b）是中心波长1550nm的连续运行激光器，光谱线宽为3MHz，最大输出功率为5dBm。
4.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述声光调制器（4）是带宽为10GHz、消光比为40dB的调制器。
5.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述单向光纤放大器（5a）和双向光纤放大器（5b）的输出功率为0.5W~2W、波长范围为1545nm~1565nm。
6.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述带反馈的自动跟随多波长窄带滤波器（7a）由未泵浦掺饵光纤环组成，其长度10m。
7.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述传感光纤（7b）是km量级长度的单模光纤。
8.根据权利要求1所述的一种基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述可调光滤波器（8）的波长覆盖范围为1480nm~1620nm，带宽可调范围为32pm~650pm。
9.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述光电探测器（9）的响应带宽是0~1GHz。
10.根据权利要求1所述的基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统，其特征在于：所述数据采集卡（10）的采样率为2GS/s，300MHz的带宽。
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| CN201810817331.2A Pending CN109029515A (zh) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | 基于窄线宽高阶布里渊斯托克斯波的高精度分布式光纤传感系统 |
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| CN (1) | CN109029515A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102570256A (zh) * | 2012-01-16 | 2012-07-11 | 宜春学院 | 单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法及布里渊激光器 |
| CN104390723A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-03-04 | 太原理工大学 | 基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器 |
| CN104617472A (zh) * | 2015-02-02 | 2015-05-13 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 多波长超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器 |
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-
2018
- 2018-07-24 CN CN201810817331.2A patent/CN109029515A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐荣辉: "多波长布里渊掺铒光纤激光器及其应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑（月刊）》 * |
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