CN111707299A - 一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的botda装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分布式光纤传感领域，公开了一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，包括窄线宽激光器，窄线宽激光器发出的光经分光器后分为两束，一束作为探测光经掺铒光纤放大器进行放大后进入传感光纤；另一束作为泵浦光，依次经电控单边带调制仪、脉冲信号调制器和脉冲光放大器后从另一端进入传感光纤；电控单边带调制仪用于在微波信号源的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制并对其进行扫频；脉冲信号调制器将泵浦光调制成为脉冲信号，脉冲光放大器对脉冲光进行放大后发送至传感光纤的另一端；泵浦光脉冲光与探测光在传感光纤中发生受激布里渊作用。本发明本发明使信号功率提高为传统BOTDA系统的2倍，提高了系统的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感系统，具体是一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置。
背景技术
分布式光纤传感因其抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀性好，可以实现传感光纤沿线多个参量的连续测量等优点，在石油化工、航天航空、桥梁隧道、大型基础建筑结构健康监测等各大领域的应用中显示出其独特的应用前景。
分布式光纤传感中，由于布里渊光时域分析(BOTDA)系统具有较高的测量精度，较长距离的传感距离，以及较优的系统可行性，所以该发明基于BOTDA系统实现。研究人员提出利用增益谱和损耗谱的方法来提高传感系统信噪比，最终提高测量精度和传感距离。传统获得增益谱和损耗谱的技术有平衡探测技术，但该方法装置复杂且成本较大(AlejandroDomínguez-López,Alexia López-Gil,Sonia Martín-López,and Miguel González-Herráez.Signal-to-Noise Ratio Improvement in BOTDA Using Balanced Detection[J].IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,2014,26(4):338-341)；还有利用双边带探测光与移频后泵浦光获得增益谱和损耗谱的技术(Haritz Iribas,Alayn Loayssa,FlorianSauser,Miguel Llera,and S′ebastien Le Floch.Enhancement of signal-to-noiseratio in Brillouin optical time domain analyzers by dual-probedetection.Proceeding of SPIE,2017,10323:103237D)，但是该技术需要对泵浦光和探测光都进行频率调制，增加了装置复杂度和成本。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，在降低系统装置成本的前提下达到提高信噪比的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，包括窄线宽激光器，所述窄线宽激光器发出的光经分光器后分为两束，一束作为探测光经掺铒光纤放大器进行放大后进入传感光纤；另一束作为泵浦光，依次经电控单边带调制仪、脉冲信号调制器和脉冲光放大器后从另一端进入传感光纤；
所述电控单边带调制仪用于在微波信号源的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替产生频率为频率为(vL+f1)的高频边带及频率为(vL-f1)的低频边带并对其进行扫频；所述脉冲信号调制器用于将泵浦光调制成为脉冲信号，所述脉冲光放大器用于对脉冲光进行放大后发送至传感光纤的另一端；其中，vL为窄线宽激光器发出的激光频率，f1为泵浦光的频移频率；
泵浦光脉冲光与探测光在传感光纤中发生受激布里渊作用，交替产生布里渊增益和布里渊损耗，散射光从传感光纤另一端后经光滤波器滤除杂散光后被光电探测器接收，然后被数据采集卡采集，实现分布式传感测量。
所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，还包括隔离器和环形器，所述隔离器设置在掺铒光纤放大器与传感光纤之间；所述环形器的第一端口与脉冲光放大器的输出端连接，第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口与光滤波器的输入端连接。
所述分光器为1×2光纤耦合器，所述分光器、掺铒光纤放大器、隔离器之间通过单模光纤跳线连接；所述分光器、单边带调制仪、脉冲信号调制器和脉冲光放大器和环形器之间通过单模光纤跳线连接。
所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，还包括计算单元，所述计算单元的输入端与所述数据采集卡连接，用于根据数据采集卡采集得到的布里渊增益谱和布里渊损耗谱，进行叠加计算得到合成布里渊谱，并根据合成布里渊谱，进行解调计算得到光纤沿线的传感信息。
所述脉冲调制器用于将泵浦光调制成为周期大于2倍泵浦脉冲在传感光纤中的传输时间的脉冲信号。
所述泵浦光的频移频率f1满足条件：10.7GHz<f1<10.9GHz，且泵浦光的扫频带宽为100MHz。
所述微波信号源的型号为：中星联华SLFS-D系列双通道微波模拟信号源；电控单边带调制仪采用KG-ModBox-SSB系列载波抑制单边带调制模块；脉冲调制器采用OPEAKOAM-SOA-PL型脉冲调制器，脉冲光放大器采用OPEAK EDFA-C-PL-NS-MB型脉冲掺铒光纤放大器；传感光纤采用G652系列单模光纤。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
其一，本发明采用电控单边带调制仪对泵浦光进行调制，驱动该调制仪的微波信号源通过RS232串口与计算机连接，便可利用串口协议控制泵浦光的调制频率以及扫频范围。首先将泵浦信号调制至频率为vL+f1的上边带信号并设置扫频范围(约100MHz)，即可获得布里渊损耗谱；再将泵浦信号调制至频率为vL-f1的下边带信号并设置扫频范围(约100MHz)，即可获得布里渊增益谱，其中f1约等于布里渊频移。最后通过算法叠加处理使信号功率提高为传统BOTDA系统的2倍，提高了系统信噪比。
其二，本发明只对泵浦光进行扫频，探测光经过隔离器直接入射到传感光纤中，探测光路实验装置较少，极大程度地降低了实验装置复杂度，节约成本。
其三，基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统(中国发明专利CN107764297A)利用电光调制器对泵浦脉冲进行频率调制会同时产生高低两个边带，而本发明只需要利用一个电控单边带调制仪就将泵浦信号调制为单个边带，这样就可以避免使用滤波器滤除不需要的边带，降低装置的复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置的结构示意图。
图中：1-窄线宽激光器、2-光耦合器、3-掺铒光纤放大器、4-光隔离器、5-传感光纤、6-电控单边带调制仪、7-微波信号源、8-脉冲光信号调制器、9-脉冲光放大器、10-光环形器、11-光滤波器、12-光电探测器、13-数据采集卡。
图2是本发明的频域原理图；
图3是本发明的数据处理原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，包括窄线宽激光器1、光耦合器2、掺铒光纤放大器3、光隔离器4、传感光纤5、电控单边带调制仪6、微波信号源7、脉冲光信号调制器8、脉冲光放大器9、光环形器10、光滤波器11、光电探测器12、数据采集卡13。
具体地，本实施例中，所述窄线宽激光器1发出的光经分光器2后分为两束，一束作为探测光，另一束作为泵浦光，探测光经掺铒光纤放大器3进行放大、隔离器4进行隔离后进入传感光纤5。环形器10的第一端口a与脉冲光放大器9的输出端连接，第二端口b与传感光纤5的另一端连接，第三端口c与光滤波器11的输入端连接。泵浦光依次经电控单边带调制仪6、脉冲信号调制器8和脉冲光放大器9后进入光环形器10的第一端口a，然后从光环形器10的第二端口b进入传感光纤5另一端，从传感光纤5另一端出射的探测信号从光环形器第二端口b进入，从第三端口c出射。
具体地，本实施例中，所述电控单边带调制仪6用于在微波信号源7的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替产生频率为频率为(vL+f1)的高频边带及频率为(vL-f1)的低频边带并对其进行扫频；所述脉冲信号调制器8用于将泵浦光调制成为脉冲信号，所述脉冲光放大器9用于对泵浦脉冲光进行放大后发送至传感光纤5的另一端；其中，vL为窄线宽激光器1发出的激光频率，f1为泵浦光的频移频率。具体地，本实施例中，所述泵浦光的频移频率f1约等于布里渊频移值，即f1≈vB，vB为布里渊频移，扫频范围设置等于ΔvB(约100MHz)。具体地，其满足条件：10.7GHz<f1<10.9GHz，且泵浦光的扫频带宽约等于布里渊谱线的带宽ΔvB，具体地，其值设定为100MHz。
如图2所示，为本发明实施例的频域原理图，本实施例中，窄带激光器光源频率为vLGHz，首先将微波信号源的微波信号施加给电控单边带调制仪，产生调制频率为(vL+f1)GHz的上边带泵浦信号并进行扫频，当扫描到频率差等于布里渊频移时，在传感光纤中的泵浦脉冲光与探测信号发生受激布里渊作用得到布里渊增益谱；然后通过电控单边带调制仪将泵浦信号调制为(vL-f1)GHz的下边带并进行扫频，当扫描到频率差等于布里渊频移时，在传感光纤中的泵浦脉冲光与探测信号发生受激布里渊作用得到布里渊损耗谱；也就是说，本发明中，由于泵浦脉冲光与探测光的频率差为±f1+Δf，其中Δf表示扫频频率，当频率差等于布里渊频移时，泵浦光脉冲光与探测光在传感光纤13中发生受激布里渊作用，交替产生布里渊增益和布里渊损耗，散射光从传感光纤5另一端后经光滤波器11滤除杂散光后被光电探测器12接收，然后被数据采集卡13采集，实现分布式传感测量。
本实施例中，滤出探测信号之后，可以通过算法处理得到合成之后的布里渊谱。布里渊增益谱的功率变化与+gBPH(z)Pc(z)Δz成比例关系，布里渊损耗谱的功率变化与-gBPL(z)Pc(z)Δz成比例关系；上述gB为布里渊增益系数，PH(z)和PL(z)分别为泵浦脉冲的高频和低频边带的功率，PC(z)为探测信号的功率。通过算法叠加之后整个信号功率值与gBPC(z)(PL(z)+PH(z))Δz成比例关系。具体地，当泵浦信号的上下边带功率值相等时，得到的信号功率是传统系统的2倍，如果两个信号中噪声统计特性独立，则系统的信噪比提高了3dB。本发明实施例的数据处理原理参见图3。具体地，本实施例提供的一种还包括计算单元，所述计算单元的输入端与所述数据采集卡13连接，用于根据数据采集卡13采集得到的布里渊增益谱和布里渊损耗谱，进行叠加计算得到合成布里渊谱，并根据合成布里渊谱，进行解调计算得到光纤沿线的传感信息。
本实施例中，脉冲光信号调制器进行泵浦脉冲的调制，且泵浦脉冲信号的周期可以根据传感光纤的长度进行设置，具体地，其需要大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间，以避免脉冲之间发生串扰。具体地，本实施例中，泵浦光的高低频交替调制的变换周期可以为泵浦光脉冲信号周期的1～10倍。高低频交替调制时，一个频率下包含多个脉冲周期，是为了使采集卡可以多次采集数据进行平均，进而提高系统信噪比。
具体地，本实施例中，所述分光器2为1×2光纤耦合器，所述分光器2、掺铒光纤放大器3、隔离器4之间通过单模光纤跳线连接；所述分光器2、单边带调制仪6、脉冲信号调制器8和脉冲光放大器9和环形器10之间通过单模光纤跳线连接。单模光纤跳线的连接方式可以使系统的光路更加稳定，测量结果更加精确。
具体地，本实施例中，窄线宽激光器1的中心波长为1550.12nm，线宽小于1MHz；分光器的分光比为50：50。所述微波信号源7的型号为：中星联华SLFS-D系列双通道微波模拟信号源；电控单边带调制仪6采用KG-ModBox-SSB系列载波抑制单边带调制模块；脉冲调制器8采用OPEAK OAM-SOA-PL型脉冲调制器，脉冲光放大器9采用OPEAK EDFA-C-PL-NS-MB型脉冲掺铒光纤放大器；传感光纤采用G652系列单模光纤。
本发明提供了一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，采用电控单边带调制仪对泵浦光进行调制，通过可编程微波信号驱动控单边带调制仪，将泵浦信号交替调制至频率为(vL+f2)GHz的高频边带泵浦信号及(vL-f2)GHz的低频边带泵浦信号，并对其进行扫频，使其分别与探测信号发生受激布里渊作用产生增益谱和损耗谱，然后通过算法叠加处理使信号功率提高为传统BOTDA系统的2倍，从而提高了系统信噪比。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，包括窄线宽激光器(1)，所述窄线宽激光器(1)发出的光经分光器(2)后分为两束，一束作为探测光经掺铒光纤放大器(3)进行放大后进入传感光纤(5)；另一束作为泵浦光，依次经电控单边带调制仪(6)、脉冲信号调制器(8)和脉冲光放大器(9)后从另一端进入传感光纤(5)；
所述电控单边带调制仪(6)用于在微波信号源(7)的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替产生频率为频率为(vL+f1)的高频边带及频率为(vL-f1)的低频边带并对其进行扫频；所述脉冲信号调制器(8)用于将泵浦光调制成为脉冲信号，所述脉冲光放大器(9)用于对脉冲光进行放大后发送至传感光纤(5)的另一端；其中，vL为窄线宽激光器(1)发出的激光频率，f1为泵浦光的频移频率；
泵浦光脉冲光与探测光在传感光纤(13)中发生受激布里渊作用，交替产生布里渊增益和布里渊损耗，散射光从传感光纤(5)另一端后经光滤波器(11)滤除杂散光后被光电探测器(12)接收，然后被数据采集卡(13)采集，实现分布式传感测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，还包括隔离器(4)和环形器(10)，所述隔离器(4)设置在掺铒光纤放大器(3)与传感光纤(5)之间；所述环形器(10)的第一端口与脉冲光放大器(9)的输出端连接，第二端口与传感光纤(5)的另一端连接，第三端口与光滤波器(11)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，所述分光器(2)为1×2光纤耦合器，所述分光器(2)、掺铒光纤放大器(3)、隔离器(4)之间通过单模光纤跳线连接；所述分光器(2)、单边带调制仪(6)、脉冲信号调制器(8)和脉冲光放大器(9)和环形器(10)之间通过单模光纤跳线连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，还包括计算单元，所述计算单元的输入端与所述数据采集卡(13)连接，用于根据数据采集卡(13)采集得到的布里渊增益谱和布里渊损耗谱，进行叠加计算得到合成布里渊谱，并根据合成布里渊谱，进行解调计算得到光纤沿线的传感信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，所述脉冲调制器(8)用于将泵浦光调制成为周期大于2倍泵浦脉冲在传感光纤中的传输时间的脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，所述泵浦光的频移频率f1满足条件：10.7GHz<f1<10.9GHz，且泵浦光的扫频带宽为100MHz。
7.根据权利要求1所述的一种基于泵浦光扫频获取增益损耗谱的BOTDA装置，其特征在于，所述微波信号源(7)的型号为：中星联华SLFS-D系列双通道微波模拟信号源；电控单边带调制仪(6)采用KG-ModBox-SSB系列载波抑制单边带调制模块；脉冲调制器(8)采用OPEAKOAM-SOA-PL型脉冲调制器，脉冲光放大器(9)采用OPEAK EDFA-C-PL-NS-MB型脉冲掺铒光纤放大器；传感光纤采用G652系列单模光纤。
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