CN110426067A - 一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统和方法，通过设置脉冲混沌激光信号源产生特性良好的混沌光信号，可以实现与距离无关的高分辨率测量，准确反映光纤张工故障点的位置信息；为了消除偏心纤芯中布里渊频移对弯曲敏感的问题，本实施例先将两个对称外层芯的布里渊频移求平均，以消除弯曲对布里渊频移的作用，再将平均处理后的布里渊频移与中间芯的数据联立求解系数矩阵，以实现温度、应力的解耦。
Description
技术领域
本发明涉及分布光纤传感领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统和方法。
背景技术
随着光纤传感技术迅速发展，光纤传感技术越来越受到人们的关注，正逐步成为继光纤通信产业之后又一大光纤应用技术产业。根据我们的现有研究成果，发现多芯光纤的外层芯布里渊频移对弯曲敏感的特性，而中间芯跟普通的单模光纤一样对弯曲并不敏感，所以在多芯光纤中构建布里渊分布式传感系统，不仅可以测温度，纵向应力，还能测横向弯曲，相当于拓展了一个维度。但是，实验发现，在多芯光纤中，中间芯不同位置处的布里渊增益峰值都出现在较为一致的频移处，而偏心纤芯中不同位置处的布里渊频移呈现出明显的较大差别，经过分析，认为多芯光纤中外层芯的布里渊频移在不同位置呈现出随机起伏的现象是由弯曲导致的，并且因弯曲导致多芯光纤中布里渊频移总量与理论值有较大的区别，使得定位的结果不准确，因此，为解决上述问题，本发明提供一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统和方法，可以消除因弯曲造成布里渊频移，并且可以实现空分复用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统和方法，可以消除因弯曲造成布里渊频移，并且可以实现空分复用。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，包括：脉冲混沌激光信号源、第一耦合器、多芯光纤扇入耦合器、多芯光纤扇出耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、直流偏振源、脉冲发生器、微波源、电光调制器、半导体光放大器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、偏振开关、光隔离器、第一环形器、第二环形器、光栅滤波器、光电探测器、示波器、信号处理器和多芯光纤；
脉冲混沌激光信号源产生的光信号经过50:50的第一耦合器后被分成两路，其中上面一路用于产生探测光，下面一路用于产生泵浦光，探测光由电光调制器产生，微波源将调制信号加载到电光调制器上，电光调制器工作于载波抑制的双边带模式下，两个边带光依次经过第一掺铒光纤放大器、偏振开关和光隔离器后，经过多芯光纤扇入耦合器进入多芯光纤的某个纤芯；另一路光经过高消光比的半导体光放大器后产生光脉冲，其中半导体光放大器由脉冲发生器驱动，产生的脉冲光先经第二掺铒光纤放大器进行放大，再经过第一环形器，由多芯光纤扇出耦合器进入待测多芯光纤；在接收端，第一环形器输出的光信号经过第二环形器到达光栅滤波器，光栅滤波器滤掉反斯托克斯光、EDFA的自发辐射噪声、泵浦光的瑞利散射和反射光，只剩斯托克斯光进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，再由示波器进行采集，其中脉冲发生器的触发信号接入示波器用于信号同步。
在以上技术方案的基础上，优选的，脉冲混沌激光信号源包括分布式反馈激光器、第二耦合器、第三偏振控制器和光纤反射镜；
分布式反馈激光器产生的连续激光被50:50的第二耦合器分成功率相等的两部分，一部分作为激光输出，另一部分作为反馈路径，在反馈路径中，光纤反射镜产生反馈光，偏振控制器调节反馈光的偏振态，在输出路径中就产生具有随机振荡的连续混沌激光。
在以上技术方案的基础上，优选的，多芯光纤为七芯光纤，包层为125微米，纤芯间隔为42微米，其中一个纤芯位于光纤的几何中心，剩余六个纤芯呈六角形排列。
进一步优选的，脉冲混沌激光信号源输出光信号的波长为1551nm。
进一步优选的，电光调制器为20GHz的马赫曾德电光调制器。
进一步优选的，光栅滤波器的带宽为6GHz。
进一步优选的，光电探测器的带宽为1GHz。
另一方面，本发明提供一种基于多芯光纤的布里渊时域分析方法，包括以下步骤：
S1、搭建布里渊时域分析系统；
S2、在接收端，对接收的光信号进行滤波、光电转换和采集处理，并记录无弯曲作用且不受应力时的初始布里渊频移以及每根芯的布里渊总频移量；
S3、将对称外层芯的布里渊频移起平均值抵消因弯曲引起的布里渊频移变化量；
S4、建立温度和应力的系数矩阵，并求解该系数矩阵，得到多芯光纤的中间芯和外层芯的温度和应力结果。
在以上技术方案的基础上，优选的，S2中每根芯的布里渊总频移量是温度、应力和弯曲造成布里渊频移变化量的和。
本发明的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统和方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过设置脉冲混沌激光信号源产生特性良好的混沌光信号，可以实现与距离无关的高分辨率测量，准确反映光纤张工故障点的位置信息；
(2)为了消除偏心纤芯中布里渊频移对弯曲敏感的问题，本实施例先将两个对称外层芯的布里渊频移求平均，以消除弯曲对布里渊频移的作用，再将平均处理后的布里渊频移与中间芯的数据联立求解系数矩阵，以实现温度、应力的解耦。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统的结构图；
图2为本发明一种基于多芯光纤的布里渊时域分析方法中多芯光纤的结构图。
图中，PC1-第一偏振控制器，PC2-第一偏振控制器，EOM-电光调制器，MS-微波发生器，AWG-任意波形发射器，ISO-光隔离器，SOA-半导体光放大器，EDFA1-第一掺铒光纤放大器，EDFA2-第二掺铒光纤放大器，BPF-带通滤波器，PS-偏振开关，Filter-滤光器，PD-光电探测器，TDO-示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其包括：脉冲混沌激光信号源、第一耦合器、多芯光纤扇入耦合器、多芯光纤扇出耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、直流偏振源、脉冲发生器、微波源、电光调制器、半导体光放大器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、偏振开关、光隔离器、第一环形器、第二环形器、光栅滤波器、光电探测器、示波器、信号处理器和多芯光纤。
进一步优选的，脉冲混沌激光信号源包括分布式反馈激光器、第二耦合器、第三偏振控制器和光纤反射镜；其中，分布式反馈激光器产生的连续激光被50:50的第二耦合器分成功率相等的两部分，一部分作为激光输出，另一部分作为反馈路径，在反馈路径中，光纤反射镜产生反馈光，偏振控制器调节反馈光的偏振态，在输出路径中就产生具有随机振荡的连续混沌激光。
进一步优选的，电光调制器为20GHz的马赫曾德电光调制器，光栅滤波器的带宽为6GHz，光电探测器的带宽为1GHz。
进一步优选的，多芯光纤为七芯光纤，包层为125微米，纤芯间隔为42微米，其中一个纤芯位于光纤的几何中心，剩余六个纤芯呈六角形排列。
本实施例的工作原理为：脉冲混沌激光信号源产生波长为1551nm的光信号，该光信号经过50:50的第一耦合器后被分成两路，其中上面一路用于产生探测光，下面一路用于产生泵浦光，探测光由20GHz的马赫曾德电光调制器产生，微波源将调制信号加载到马赫曾德电光调制器上，马赫曾德电光调制器工作于载波抑制的双边带模式下，两个边带光依次经过第一掺铒光纤放大器、偏振开关和光隔离器后，经过多芯光纤扇入耦合器进入多芯光纤的某个纤芯，由于布里渊作用过程是偏振相关的，因此需要采用偏振开关，将两种正交偏振态下测得的布里渊光时域曲线求平均即可消除偏振衰落噪声；另一路光经过高消光比的半导体光放大器后产生光脉冲，其中半导体光放大器由脉冲发生器驱动，产生的脉冲光先经第二掺铒光纤放大器进行放大，再经过光纤环形器，由多芯光纤扇出耦合器进入待测多芯光纤；在接收端，输出的光信号经过光纤光栅滤波器滤掉反斯托克斯光、EDFA的自发辐射噪声、泵浦光的瑞利散射和反射光，只剩斯托克斯光进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，再由示波器进行采集，其中脉冲发生器的触发信号接入示波器用于信号同步，从示波器上采集到的数据经过离线处理即可获得布里渊增益谱，再对其进行洛伦兹拟合即可获得布里渊频移。
实施例二、
由于多芯光纤的中间芯对弯曲不敏感，外层芯对弯曲敏感，而温度对中间芯和外层芯的作用是一样的，所以可以利用中间芯对外层芯做温度补偿，实现温度补偿且增敏的分布式振动传感器。
S1、搭建布里渊时域分析系统；
S2、在接收端，对接收的光信号进行滤波、光电转换和采集处理，并记录无弯曲作用且不受应力时的初始布里渊频移以及每根芯的布里渊总频移量；
S3、将对称外层芯的布里渊频移起平均值抵消因弯曲引起的布里渊频移变化量；
其中，通过测量两个以上异质纤芯中的布里渊频移，再建立系数矩阵，实现对温度和应力的区分。然而，由于中间芯的布里渊频移只对温度、应力敏感，但偏心纤芯的布里渊频移不仅对温度、应力敏感，还对弯曲敏感，因此如果只用两个纤芯将无法实现解耦。为了能够求解温度和应力的系数矩阵，必须先将弯曲导致的布里渊频移变化消除掉。为了消除偏心纤芯中布里渊频移对弯曲敏感的问题，本实施例先将两个对称外层芯的布里渊频移求平均，以消除弯曲对布里渊频移的作用。
S4、建立温度和应力的系数矩阵，并求解该系数矩阵，得到多芯光纤的中间芯和外层芯的温度和应力结果。再将平均处理后的布里渊频移与中间芯的数据联立求解系数矩阵，以实现温度、应力的解耦。
以下是针对对称外层芯的布里渊频移求平均的方案详细的理论推导。
选择中间芯和两个对称的外层芯，分别以out+和out-表示，它们的布里渊频移变化量分别为：
其中，和分别是中间芯和两个对称外层芯的布里渊频移的总变化量，和分别是温度和纵向应力导致的中间芯和外层芯的布里渊频移变化量，和是弯曲引起的两个对称外层纤芯中的布里渊频移变化量。
以图2中阴影部分的两个对称外层纤芯为例，它们到光纤中心的距离一样，另外它们在本地坐标轴中的角向位置分别为θi和θi+π，弯曲导致的两个外层芯的布里渊频移变化量分别为：
其中α是弯曲响应系数，vB是无弯曲作用且不受应力时的初始布里渊频移，R是弯曲半径，θb是弯曲角。注意到：这表明对两个对称外层芯的布里渊频移做平均可以完全抵消掉弯曲引起的布里渊频移变化量，所以有：
其中是两个对称外层芯布里渊频移变化量的平均值，它只跟温度和应力有关，弯曲的作用已被完全消除了，这时再与中间芯的测量结果联立，通过求解系数矩阵即可实现对温度和应力的区分，由下式给出：
其中，是测得的中间芯和外层芯的温度灵敏度，和是测得的中间芯和外层芯的应力灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：包括：脉冲混沌激光信号源、第一耦合器、多芯光纤扇入耦合器、多芯光纤扇出耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、直流偏振源、脉冲发生器、微波源、电光调制器、半导体光放大器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、偏振开关、光隔离器、第一环形器、第二环形器、光栅滤波器、光电探测器、示波器、信号处理器和多芯光纤；
所述脉冲混沌激光信号源产生的光信号经过50:50的第一耦合器后被分成两路，其中上面一路用于产生探测光，下面一路用于产生泵浦光，探测光由电光调制器产生，微波源将调制信号加载到电光调制器上，电光调制器工作于载波抑制的双边带模式下，两个边带光依次经过第一掺铒光纤放大器、偏振开关和光隔离器后，经过多芯光纤扇入耦合器进入多芯光纤的某个纤芯；另一路光经过高消光比的半导体光放大器后产生光脉冲，其中半导体光放大器由脉冲发生器驱动，产生的脉冲光先经第二掺铒光纤放大器进行放大，再经过第一环形器，由多芯光纤扇出耦合器进入待测多芯光纤；在接收端，第一环形器输出的光信号经过第二环形器到达光栅滤波器，光栅滤波器滤掉反斯托克斯光、EDFA的自发辐射噪声、泵浦光的瑞利散射和反射光，只剩斯托克斯光进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，再由示波器进行采集，其中脉冲发生器的触发信号接入示波器用于信号同步。
2.如权利要求1所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：所述脉冲混沌激光信号源包括分布式反馈激光器、第二耦合器、第三偏振控制器和光纤反射镜；
所述分布式反馈激光器产生的连续激光被50:50的第二耦合器分成功率相等的两部分，一部分作为激光输出，另一部分作为反馈路径，在反馈路径中，光纤反射镜产生反馈光，偏振控制器调节反馈光的偏振态，在输出路径中就产生具有随机振荡的连续混沌激光。
3.如权利要求1所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：所述多芯光纤为七芯光纤，包层为125微米，纤芯间隔为42微米，其中一个纤芯位于光纤的几何中心，剩余六个纤芯呈六角形排列。
4.如权利要求1所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：所述脉冲混沌激光信号源输出光信号的波长为1551nm。
5.如权利要求4所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：所述电光调制器为20GHz的马赫曾德电光调制器。
6.如权利要求5所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：所述光栅滤波器的带宽为6GHz。
7.如权利要求6所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析系统，其特征在于：所述光电探测器的带宽为1GHz。
8.一种基于多芯光纤的布里渊时域分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、搭建如权利要去1所述的布里渊时域分析系统；
S2、在接收端，对接收的光信号进行滤波、光电转换和采集处理，并记录无弯曲作用且不受应力时的初始布里渊频移以及每根芯的布里渊总频移量；
S3、将对称外层芯的布里渊频移起平均值抵消因弯曲引起的布里渊频移变化量；
S4、建立温度和应力的系数矩阵，并求解该系数矩阵，得到多芯光纤的中间芯和外层芯的温度和应力结果。
9.如权利要求8所述的一种基于多芯光纤的布里渊时域分析方法，其特征在于：所述S2中每根芯的布里渊总频移量是温度、应力和弯曲造成布里渊频移变化量的和。
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