CN111780789A - 高信噪比分布式光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
一种高信噪比分布式光纤传感器，包括激光器，光放大器，布拉格光纤光栅，第一光纤环形器，第二光纤环形器，传感光纤以及光电探测器，探测方式为直接探测。本发明不同于市面上的复杂的分布式光纤传感器，本传感器仅包含四个原件，结构简单，成本低。同时系统利用了对分布式反馈激光器的直接调制产生的啁啾效应，利用多频率光源注入传感光纤，提高了注入光能量，提升了信噪比。另外，本系统通过使用布拉格光纤光栅滤波器对啁啾频率的范围进行控制，可以有效的对相位进行提取。这种新型的分布式光纤传感器具有低成本、结构简单、信噪比高、应用灵活的优点，具有较高的应用潜力与市场价值。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感，特别是一种利用啁啾脉冲的低成本高信噪比分布式光纤传感器。
背景技术
随着各种技术的提出，分布式光纤传感的性能也在不断提升，但与此同时，系统结构也变得越来越复杂，从而导致系统不便于集成，对于工程应用而言也变得困难。因此，在简单化的系统下保证高性能的传感能力，同样是分布式光纤传感器一个重要的研究方向。目前为了降低系统成本，许多方法是将系统中造价昂贵的器件国产化，如光源方面使用造价较低的分布式反馈激光器、调制器方面使用造价较低的半导体光放大器等。但是这些方法在结构上并未进行简化，而且其成本与造价也同样居高不下，反而性能方面却大打折扣。
现有技术一【一种低成本多事件定位型分布式光纤振动传感器，20171269186.4】本文与传统分布式光纤传感器的结构类似，并未进行结构上优化，虽然成本有所降低，但是其结构仍然复杂，不利于集成。
现有技术二【Detecting a disturbance in the phase of light propagatingin an optical waveguide US8264676B2】本文通过对分布式反馈激光器的内调制令使光谱展宽，同时在接收端利用光纤光栅进行滤波，与脉冲压缩的方法类似。这种方法对系统的精准度要求高，不利于实际应用。
现有技术三【Yang G,Fan X,Liu Q,et al.Frequency Response Enhancement ofDirect-detection Phase-Sensitive OTDR by using Frequency DivisionMultiplexing[J].Journal of Lightwave Technology,2017:1-1.】本文利用阶跃调频脉冲的方法，其探测结构为直接探测，可以对相位进行定量提取。这种方法增加了系统的探测带宽，但是其成本也大大增加。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高信噪比分布式光纤传感器，利用了对分布式反馈激光器的直接调制产生的啁啾效应，利用多频率光源注入传感光纤，提高了注入光能量，提升了信噪比。另外，本系统通过使用布拉格光纤光栅滤波器对啁啾频率的范围进行控制，可以有效的对相位进行提取。这种新型的分布式光纤传感器具有低成本、结构简单、信噪比高、应用灵活的优点，具有较高的应用潜力与市场价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种高信噪比分布式光纤传感器，其特点在于，包括激光器、光放大器、第一光纤环形器、布拉格光纤光栅、第二光纤环形器、光电探测器和上位机；
所述的激光器的输出端1与光放大器的输入端2相连，光放大器的输出端3与第一光纤环形器的第一端口4相连，该第一光纤环形器的第二端口5与布拉格光纤光栅相连，第一光纤环形器的第三端口6与第二光纤环形器的第一端口7相连，该第二光纤环形器的第二端口8与传感光纤相连，该第二光纤环形器的第三端口9与光电探测器的输入端10相连，该光电探测器的输出端10与上位机的数据采集卡端口12相连。
所述的激光器包括分布式反馈激光器、调谐光纤激光器，可以通过电流的直接调制产生啁啾脉冲，其连续光输出时波长为1550nm。
所述的光放大器包括掺铒光纤放大器、半导体光放大器，实现对啁啾脉冲光的放大。
所述的布拉格光纤光栅作为滤波器，对啁啾脉冲的频率范围进行控制。
所述的环形器为标准3端口环形器，啁啾脉冲通过1端口进入，2端口输出，后向散射光由端口3输出。
所述的传感光纤采用G652普通单模光纤，其损耗参数为0.35dB/km@1310nm，0.2dB/km@1550nm。
所述的光电探测器为光电二极管、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。
所述的直接探测方式为利用光电探测器作为接收器，直接对光纤中的散射光进行强度探测。
所述的相位定量解调方法为IQ解调、希尔伯特变换。
与现有技术相比，本发明的特点与优点是：
1、系统结构简单，便于集成。
2、利用啁啾脉冲，有效增加注入传感光纤中的脉冲光能量，相比于传统直接探测
-OTDR，保证了信噪比的稳定性以及系统的抗干扰能力。
3、利用布拉格光纤光栅对啁啾脉冲进行精准控制，可以对相位进行定量化解调。
附图说明
图1本发明高信噪比分布式光纤传感器的实施例光路图
图2本发明高信噪比分布式光纤传感器实施例啁啾脉冲示例
图3本发明高信噪比分布式光纤传感器信噪比分析图样
图4本发明高信噪比分布式光纤传感器双脉冲相位解调说明图样
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明，但不限于此。根据本发明的思想，可以采用若干实施方法。如下方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案不限于此。
请参阅图1，如图所示，一种高信噪比分布式光纤传感器，包括激光器1，经过电流调制后的啁啾脉冲由端口1输出，与光放大器2端口2相连，光放大器对啁啾脉冲进行放大，随后由端口3输出，进入第一光纤环形器3端口4，首先由端口5输出进入布拉格光纤光栅4，经过滤波后的反射光回到第一光纤环形器，由端口6输出，端口6与第二光纤环形器5的端口7相连，啁啾脉冲作为探测光从端口8输出进入传感光纤8，散射光回到第二光纤环形器，由端口9输出，端口9与光电探测器6的端口10相连，将散射光的强度信号转换为电信号，电信号有端口11输出，进入数据采集卡端口12，由模拟信号转换为数字信号，并在上位机7进行数据处理。
实施例一中说明了本发明既能降低系统成本、简化系统结构，同时又能保证高信噪比；实施例二中说明了本系统的延伸功能，通过光纤布拉格光栅的精准控制，对相位实施定量解调。
在连续光条件下，受激布里渊阈值Pth(CW)表达式如下：
其中，Aeff为光纤有效截面积，gb为布里渊增益峰值，vp为种子激光的谱宽(连续光时vp约为0)，vb为布里渊增益带宽，Leff为光纤有效长度，Leff与光纤实际长度L的关系为：
Leff＝[1-exp(-αL)]/α (2)
在
-OTDR系统中，对于脉冲光而言，设脉冲占空比为1：N，且注入脉冲光峰峰值为(N+1)T，则该光脉冲在光功率计上的读数为T。当光纤中受激布里渊散射阈值为T1，T＜T1，时，该脉冲可顺利通过光纤而不会引起受激布里渊散射，从而把能输出的最大功率提高了N+1倍。故我们得到脉冲下阈值Pth(Pulse)为：
Pth(Pulse)＝(1+N)Pth(CW) (3)
根据式(1～3)可以发现，当注入光的频率成分增加，可以有效的提高SBS阈值。
本实施例中，激光器以分布式反馈半导体激光器作、光放大器以掺铒光纤放大器、光电探测器以雪崩光电二极管为例进行说明。
分布式反馈激光器通过上位机进行直接控制，通过脉冲电流对激光器进行调制，由于分布式反馈激光器的特性，直接调制会产生频率啁啾，其啁啾范围为GHz量级。随后经过掺铒光纤放大器对啁啾脉冲进行放大，由于多频率成分的存在，因此经过放大后的啁啾脉冲能量较高。布拉格光纤光栅对啁啾范围进行控制，以保证在脉冲内具有一定的相干性。经过内调制滤波后的啁啾脉冲如图2所示，通过波长-时间坐标图样展现经过内调制后啁啾脉冲内的波长变化，图中灰色部分为布拉格光纤光栅滤出的部分，将此部分作为探测脉冲注入传感光纤1-6中，散射光强度信号经过光电探测器后，通过数字采集卡将模拟信号转化为数字信号在上位机1-7中处理。
在直接探测
-OTDR系统中，对于接收端的强度信号Idet而言,主要有IDC与IAC两部分组成:
Idet＝IDC+IAC (4)
当增加频率成分，有效提高SBS后，增加入射光能量可以有效的提高IDC，但是由于多频率的加入，导致光脉冲内的相干性降低，从而降低了信号的波动IAC，会降低系统的灵敏度。对于传统直接探测系统而言，通常情况下光源使用高相干光，并使用外调制器斩波。然而高相干光在保证高系统灵敏度的同时，会产生干涉衰落噪声，导致在一段时间内，信号始终保持在低电平状态，进而无法解调出扰动信息，即发生信号衰落现象(signal fading)，进而严重影响信噪比。因此，此处我们使用动态的方法判断信噪比高低：
其中，z0为受到外界扰动的位置，
为外界扰动位置所探测到的信号的方差，
为噪声的方差，μ1为信号的期望值，μ2为噪声信号的期望值。在探测端，我们可以获得空间-时间矩阵I(z,t)，横轴为空间位置z，纵轴为时间t。当光纤某一特定位置z0受到周期性扰动时(如正弦型振动),同样会导致向量I(z0,t)处产生与外界扰动相似的周期性强度变化。对于扰动位置：
I(z0,t)＝I0+ΔI(t)+Inoise(t) (6)
其中，I0为探测信号中的直流项IDC决定，ΔI(t)为外界扰动所导致的强度变化，I0+ΔI(t)为信号项，Inoise(t)为系统噪声，即噪声项。
对于传统直接探测
-OTDR系统而言，高相干光源保证了ΔI(t)的波动，即
增加，但是又受到光脉冲能量的限制，I0大小受到限制，当发生fading时，ΔI(t)在一段时间内处于低电平状态，导致I0+ΔI(t)＜Inoise(t)，信号淹没于噪声中，严重影响系统的性能；对于内调制型直接探测
-OTDR系统而言，由于高能量的注入，可以保证信号项中的I0处于高位，与噪声项保证高的对比度，I0＞＞Inoise，即信号与噪声保证相对独立，保证了信号不会由于强度较低而淹没于噪声中，忽略噪声项Inoise(t)的影响，但是啁啾脉冲会降低ΔI(t)的波动，即
减小，若信号的波动较小，同样无法有效的解调出扰动。
对于系统的信噪比分析如图3所示，由于多频率成分的存在，系统的IDC得到了提升，与系统噪声保持相对独立，即μ1＞μ2，同时信号的波动大小也明显大于系统噪声，即
因此本发明实现了在高信噪比条件下降低成本以及简化系统结构。
实施例二：
实施例二中，介绍本系统的延伸功能，相位解调方法以希尔伯特变换为例进行说明，但不限于此。由于对分布式反馈激光器的直接调制会产生频率啁啾，其波长既会发生红移，同时也会发生蓝移，如图4所示。因此，利用布拉格光纤光栅对啁啾范围进行精准控制后，可以将原本的啁啾脉冲截断为双脉冲情况。首先假设两段脉冲均为单频情况，分别为ν1、ν2，光电探测器所接收到的强度信号可以表示为:
其中，θ0为常相位项，r(z)与
分别为位置z处的反射系数与反射相位，R1(t)与R2(t)为两束脉冲的后向反射系数。将光电探测器接收到的强度信号通过高通滤波器，仅保留信号的交流项IAC。
实际情况下，ν1,ν2均为一段变化的频率，假设经过直接调制后，脉冲内的频率变化为ν(t)，经过滤波器截断后的两段脉冲内的相位信息为
两段频率的差频可以表示为Δν(t)，Δν(t)∈(0,ν2-ν1]，利用希尔伯特变换可以对相位进行提取：
由于解调出的相位受到非线性变化的差频Δν的影响，因此会导致信号失真，当利用布拉格光纤光栅对中心波长以及带宽进行精准控制，令两段脉冲的频率的时间积分保持相同，即
即可令式(8)中的消除差频项，实施对相位的定量化解调。
Claims (7)
1.一种高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，包括激光器(1)、光放大器(2)、第一光纤环形器(3)、布拉格光纤光栅(4)、第二光纤环形器(5)、光电探测器(6)和上位机(7)；
所述的激光器(1)的输出端1与光放大器(2)的输入端2相连，光放大器(2)的输出端3与第一光纤环形器(3)的第一端口4相连，该第一光纤环形器(3)的第二端口5与布拉格光纤光栅(4)相连，第一光纤环形器(3)的第三端口6与第二光纤环形器(5)的第一端口7相连，该第二光纤环形器(5)的第二端口8与传感光纤(8)相连，该第二光纤环形器(5)的第三端口9与光电探测器(6)的输入端10相连，该光电探测器(6)的输出端10与上位机(7)的数据采集卡端口12相连。
2.根据权利要求1所述的高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，所述的激光器是分布式反馈激光器或调谐光纤激光器，可以通过电流的直接调制产生啁啾脉冲，连续光输出时波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，所述的光放大器是掺铒光纤放大器或半导体光放大器，用于实现对啁啾脉冲光的放大。
4.根据权利要求1所述的高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，所述的布拉格光纤光栅作为滤波器，对啁啾脉冲的频率范围进行控制。
5.根据权利要求1所述的高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，所述的环形器为标准三端口环形器，啁啾脉冲通过1端口进入，2端口输出，后向散射光由端口3输出。
6.根据权利要求1所述的高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，所述的传感光纤采用G652普通单模光纤，损耗参数为0.35dB/km@1310nm，0.2dB/km@1550nm。
7.根据权利要求1所述的高信噪比分布式光纤传感器，其特征在于，所述的光电探测器为光电二极管或雪崩光电二极管，用于对探测光进行光电转换，将光信号转换为电信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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