CN109974757A - 基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器，包括半导体激光器、光放大器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、啁啾光纤光栅、光电探测器以及信号处理器：所述半导体激光器，经过电流调制后的啁啾光脉冲由其输出端口输出，所述半导体激光器的输出端口与光放大器的输入端口相连，所述光放大器对啁啾光脉冲进行放大，并由光放大器的输出端口输出，进入第一光纤环形器的第一端口，由第一光纤环形器的第二端口进入所述传感光纤，所述传感光纤中散射回的信号经过所述第一光纤环形器的第二端口进入其第三端口。本发明系统结构简单，成本较低，易于实施。
Description
技术领域
本发明属于光纤的技术领域，具体涉及基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器
背景技术
光纤传感器具有抗电磁干扰能力强，非侵入性，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与光纤系统连接等优势。近年来，被广泛应用于天然气、石油管道安全监测，桥梁裂纹监测，气体浓度探测、边界安防等领域。
相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是一种新型的分布式光纤声音传感技术(DAS)，利用光纤中的后向瑞利散射，可以实现分布式动态检测。常规Φ-OTDR中，空间分辨率与信噪比、传感距离之间存在矛盾的关系，要获得更高的空间分辨率，需要压窄脉冲宽度，由于受激布里渊散射等非线性效应，光脉冲功率不能无限放大，压窄脉冲宽度会导致系统信噪比和传感距离降低。常规Φ-OTDR中，在传感距离大于十千米时，传感空间分辨率只能达到几米～几十米。
文献【Bin Lu,Zhengqing Pan,et al.High spatial resolution phase-sensitive optical time domain reflectometer with a frequency-swept pulse[J].Opt Lett,2017,42(3):391-394.】中提出利用扫频脉冲和匹配滤波技术可以解决传感距离与空间分辨率之间的矛盾关系，并且能够在传感距离约为20km时，实现亚米级空间分辨率。其主要是在数字域进行匹配滤波，在数字域设计与扫频脉冲满足复共轭关系的啁啾信号，通过卷积运算，可见扫频脉冲压缩成窄脉冲。该方案整体结构比较复杂，对探测器和数字信号处理带宽要求较高，有待进行系统优化。
文献【Pastor-Graells J.,Cortés L.R.,Fernández-Ruiz M.R.,et al.SNRenhancement in high-resolution phase-sensitive OTDR systems using chirpedpulse amplification concepts[J].Opt Lett,2017,42(9):1728-31.】中提出利用飞秒脉冲激光器作为传感光源，通过啁啾光纤光栅对飞秒脉冲光进行脉宽展宽，然后进行光放大，并在接收端通过另一组啁啾光纤光栅进行脉冲压缩，可实现厘米级空间分辨率，且提高系统的信噪比。其中，前后两组啁啾光纤光栅的色散满足复共轭的关系。但是，该系统的传感距离仅能达到几米，且飞秒脉冲激光器的成本较高。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器。
技术方案：本发明所述基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器，包括半导体激光器、光放大器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、啁啾光纤光栅、光电探测器以及信号处理器：所述半导体激光器，经过电流调制后的啁啾光脉冲由其输出端口输出，所述半导体激光器的输出端口与光放大器的输入端口相连，所述光放大器对啁啾光脉冲进行放大，并由光放大器的输出端口输出，进入第一光纤环形器的第一端口，由第一光纤环形器的第二端口进入所述传感光纤，所述传感光纤中散射回的信号经过所述第一光纤环形器的第二端口进入其第三端口，所述第三端口与所述第二光纤环形器的第一端口相连，由所述第二光纤环形器的第二端口进入所述啁啾光纤光栅，所述啁啾光纤光栅反射回的光经过第二端口进入其第三端口，所述第三端口与所述光电探测器的光输入端口相连，所述光电探测器的电学输出端口与所述信号处理器相连。
优选地，所述半导体激光器通过电流直接调制产生啁啾光脉冲。
优选地，所述半导体激光器包括分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器通过电流直接调制产生啁啾光脉冲，其连续光输出时波长为1550mm。
优选地，所述啁啾光纤光栅为大啁啾系数光栅或多啁啾光纤级联，啁啾光纤光栅的色散特性与所述半导体激光器内调制产生的啁啾光脉冲满足复共轭的关系。
优选地，所述啁啾光脉冲的频率变化特性为Ep＝E0rect(t/T)exp(j2πfct+jπKt2)，则啁啾光纤光栅的响应函数可表示为其中T是脉冲宽度，fc是载波频率，K是LFM脉冲的调频斜率，rect(t/T)是矩形函数；匹配滤波后，宽脉冲被压缩为sinc型窄脉冲，sinc脉冲的3dB宽度与啁啾光脉冲的扫频范围成反比，即而与啁啾光脉冲宽度无关，可克服空间分辨率与脉冲宽度之间的依赖关系，进而解决空间分辨率与信噪比、传感距离之间的矛盾关系；通过啁啾宽脉冲和啁啾光纤光栅脉冲压缩，可以同时获得高空间分辨率、高信噪比和长传感距离。
优选地，所述光放大器包括掺铒光纤放大器和半导体光放大器，以实现对啁啾光脉冲光的放大。
优选地，所述传感光纤采用G652普通单模光纤，其损耗参数为0.35dB/km@1310nm，0.2dB/km@1550nm。
优选地，所述光电探测器为光电二极管或雪崩光电二极管，对探测光进行光电转换，将光信号转换为电信号。
有益效果：(1)本发明所述分布式光纤传感器系统结构简单，成本较低，易于实施；本发明利用啁啾光脉冲，有效增加注入传感光纤中的脉冲光能量，提高探测信号的信噪比和传感距离；
(2)本发明利用啁啾光纤光栅对散射信号进行匹配滤波，宽脉冲可压缩成窄脉冲，提升系统的空间分辨率，并克服空间分辨率与脉冲宽度之间的依赖关系，以及克服常规Φ-OTDR中空间分辨率与信噪比、传感距离之间的矛盾关系，同时提高多项指标，通过啁啾宽脉冲和啁啾光纤光栅脉冲压缩，可以同时获得高空间分辨率、高信噪比和长传感距离。
附图说明
图1为本发明所述分布式光纤传感器的结构框图；
图2为实施例中啁啾光脉冲的频率变化特性测量装置示意图；
图3为本发明所述多啁啾光栅级联提高色散系数示意图。
其中，1-半导体激光器；2-光放大器；3-第一光纤环形器；4-第二光纤环形器；5-布拉格光纤光栅；6-光电探测器；7-信号处理器；8-传感光纤；9-耦合器；10-单频激光器；11-示波器。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器，根据附图1中所示，分布式光纤传感器包括半导体激光器1、光放大器2、第一光纤环形器3、第二光纤环形器4、啁啾光纤光栅5、光电探测器6以及信号处理器7：半导体激光器1包括分布式反馈激光器，分布式反馈激光器通过电流直接调制产生啁啾光脉冲，其连续光输出时波长为1550mm，半导体激光器1，经过电流调制后的啁啾光脉冲由其输出端口11输出，半导体激光器1的输出端口11与光放大器2的输入端口21相连，光放大器2包括掺铒光纤放大器和半导体光放大器，以实现对啁啾光脉冲光的放大，光放大器2对啁啾光脉冲进行放大，并由光放大器2的输出端口22输出，进入第一光纤环形器3的第一端口31，由第一光纤环形器3的第二端口32进入传感光纤8，传感光纤8采用G652普通单模光纤，其损耗参数为0.35dB/km@1310nm，0.2dB/km@1550nm，传感光纤8中散射回的信号经过第一光纤环形器3的第二端口32进入其第三端口33，第三端口33与第二光纤环形器4的第一端口41相连，由第二光纤环形器4的第二端口42进入啁啾光纤光栅5，啁啾光纤光栅5为大啁啾系数光栅或多啁啾光纤级联，多啁啾光栅级联方式如附图3所示，啁啾光纤光栅5的色散特性与半导体激光器1内调制产生的啁啾光脉冲满足复共轭的关系；啁啾光纤光栅5反射回的光经过第二端口42进入其第三端口43，第三端口43与光电探测器6的光输入端口61相连，光电探测器6为光电二极管或雪崩光电二极管，对探测光进行光电转换，将光信号转换为电信号，光电探测器6作为接收器，直接对光纤中的散射光进行强度探测，光电探测器6的电学输出端口62与信号处理器7相连。
其中，第一光纤环形器3和第二光纤环形器4为标准3端口环形器。
本发明的基本原理为：
1、通过脉冲信号对半导体激光器1驱动电流进行直接调制，由于半导体激光器1的特性，直接调制会产生频率啁啾，其啁啾范围为GHz量级，半导体激光器1调制出的啁啾光脉冲的频率变化特性可以通过与一台稳频、频段相近、窄线宽激光1拍频的方式，经光电探测器6转换后，通过高速示波器11测量得到，如图2所示，啁啾光脉冲的频率变化特性测量装置包括半导体激光器1和单频激光器10，半导体激光器1和参考单频激光器10与同一耦合器9相连，耦合器9与光电探测器6相连，光电探测器6与示波器11相连。
2、啁啾光脉冲经过掺铒光纤放大器进行放大，由于多频率成分的存在，受激布里渊散射阈值会提高，注入光纤中的光能量得以提升，且可以通过增加脉冲宽度进一步提高注入光纤中的能量，提高信噪比。
3、传感光纤中散射回来的信号，经过设计的特定啁啾光纤光栅5进行脉冲压缩，啁啾光脉冲的扫频方式一般是非线性的，也可以通过频段筛选选择线性变化的区间，啁啾光纤光栅5的色散特性设计要满足与啁啾光脉冲扫频特性成复共轭的关系。假设测得的啁啾光脉冲的频率变化特性为Ep＝E0rect(t/T)exp(j2πfct+jπKt2)，则啁啾光纤光栅的响应函数可表示为其中T是脉冲宽度，fc是载波频率，K是LFM脉冲的调频斜率，rect(t/T)是矩形函数；匹配滤波后，宽脉冲被压缩为sinc型窄脉冲，sinc脉冲的3dB宽度与啁啾光脉冲的扫频范围成反比，即：而与啁啾光脉冲宽度无关，可克服空间分辨率与脉冲宽度之间的依赖关系，进而解决空间分辨率与信噪比、传感距离之间的矛盾关系；通过啁啾宽脉冲和啁啾光纤光栅脉冲压缩，可以同时获得高空间分辨率、高信噪比和长传感距离；所述的啁啾光纤光栅为大啁啾系数光栅或多啁啾光栅级联的方式，如图3所示。
4、压缩后的光信号经过光电探测器6后，通过数字采集卡将模拟信号转化为数字信号在信号处理器7中进行下一步处理。
以上技术方案可以实现基于内调制脉冲和啁啾光栅的高空间分辨率高信噪比分布式光纤传感器。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如激光器的工作波段可以替换为其它波段；环形器可用耦合器替代等。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，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。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (8)
1.基于内调制脉冲和啁啾光栅的分布式光纤传感器，其特征在于：包括半导体激光器(1)、光放大器(2)、第一光纤环形器(3)、第二光纤环形器(4)、啁啾光纤光栅(5)、光电探测器(6)以及信号处理器(7)：所述半导体激光器(1)，经过电流调制后的啁啾光脉冲由其输出端口(11)输出，所述半导体激光器(1)的输出端口(11)与光放大器(2)的输入端口(21)相连，所述光放大器(2)对啁啾光脉冲进行放大，并由光放大器(2)的输出端口(22)输出，进入第一光纤环形器(3)的第一端口(31)，由第一光纤环形器(3)的第二端口(32)进入所述传感光纤(8)，所述传感光纤(8)中散射回的信号经过所述第一光纤环形器(3)的第二端口(32)进入其第三端口(33)，所述第三端口(33)与所述第二光纤环形器(4)的第一端口(41)相连，由所述第二光纤环形器(4)的第二端口(42)进入所述啁啾光纤光栅(5)，所述啁啾光纤光栅反射回的光经过第二端口(42)进入其第三端口(43)，所述第三端口(43)与所述光电探测器(6)的光输入端口(61)相连，所述光电探测器(6)的电学输出端口(62)与所述信号处理器(7)相连。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述半导体激光器(1)通过电流直接调制产生啁啾光脉冲。
3.根据权利要求2所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述半导体激光器(1)包括分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器通过电流直接调制产生啁啾光脉冲，其连续光输出时波长为1550mm。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述啁啾光纤光栅(5)为大啁啾系数光栅或多啁啾光纤级联，啁啾光纤光栅(5)的色散特性与所述半导体激光器(1)内调制产生的啁啾光脉冲满足复共轭的关系。
5.根据权利要求4所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述啁啾光脉冲的频率变化特性为Ep＝E0rect(t/T)exp(j2πfct+jπKt2)，则啁啾光纤光栅的响应函数可表示为其中T是脉冲宽度，fc是载波频率，K是LFM脉冲的调频斜率，rect(t/T)是矩形函数；匹配滤波后，宽脉冲被压缩为sinc型窄脉冲，sinc脉冲的3dB宽度与啁啾光脉冲的扫频范围成反比，即
6.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述光放大器(2)包括掺铒光纤放大器和半导体光放大器，以实现对啁啾光脉冲光的放大。
7.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述传感光纤(8)采用G652普通单模光纤，其损耗参数为0.35dB/km@1310nm，0.2dB/km@1550nm。
8.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于：所述光电探测器(6)为光电二极管或雪崩光电二极管，对探测光进行光电转换，将光信号转换为电信号。
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