CN112033447B - 一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，为准分布式无源遥泵放大结构，采用多个泵增益单元在不同距离处对布里渊探测光和泵浦脉冲进行放大，提高了传感信号强度和测量精确度，同时可以灵活扩展多段传感光纤，增加传感距离。并通过信号处理与管理系统分析各段传感光纤中传感信号的强弱和信噪比，进而实时优化泵浦源前、后向泵浦功率和BOTDA前端模块出射的布里渊探测光和泵浦脉冲功率，使注入各段传感光纤中的传感信号强度尽可能相近。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统。
背景技术
分布式光纤传感采用普通单模光纤同时作为传感介质和信号传输介质，可以实现对光纤沿线物理量的实时测量，具有长距离、分布式、抗电磁干扰能力强等优点，已在大型结构如桥梁的应力应变和温度监测、液体或天然气管道渗漏检测、电网系统检测等多个领域有广泛的应用。
目前主要有基于瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射的光纤分布式传感系统，其中布里渊散射的系统具有传感距离长、信噪比高、空间分辨力高、可以同时测量温度和应变等优点，近年来受到研究者的密切关注。基于布里渊散射的分布式系统主要有布里渊光时域反射计(BOTDR)和布里渊光时域分析仪(BOTDA)两类，前者基于自发布里渊散射，而后者基于受激布里渊散射，因此BOTDA在传感距离和测量精度上具有明显的优势。
在传统BOTDA系统中，为实现长距离的传感需要高功率的泵浦脉冲和探测光，借助于成熟的掺铒光纤放大技术可以很容易地实现这一目标。但是过高的入射功率会带来非线性效应以及非局域效应，严重影响光纤远端的传感精度。为克服这个问题，研究者引入分布式拉曼放大技术，包括一阶拉曼放大、高阶拉曼放大以及前后向拉曼放大等，可以沿线放大泵浦光和探测光，在解决非局域效应和增强信号的同时避免了非线性效应等问题。然而，分布式拉曼放大会引入拉曼自发辐射噪声、泵浦-信号串扰、偏振相关增益等，降低了信号的信噪比，进而影响测量精度。此外，即便采用高泵浦功率的高阶拉曼放大，其有效放大距离也是有限的。也有研究者在传感线路中间使用一个或多个在线掺铒光纤放大器(EDFA)以有效增加传感距离，但是远端的EDFA需要外部供电才能工作，在实际的传感系统中难以实现。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统。
技术方案：一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，包括信号处理与管理系统、BOTDA前端模块、泵浦源、N个无源遥泵增益单元、(N+1)段传感光纤、(N+1)段泵浦光纤；其中，传感光纤k和泵浦光纤k长度相同，k＝1,2,…N+1，N≥2；
BOTDA前端模块用于产生布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲，并分别注入传感光纤1前端和传感光纤N+1末端，所述布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲在传感光纤中发生受激布里渊散射；泵浦源用于产生前向遥泵泵浦光和后向遥泵泵浦光，并分别注入泵浦光纤1和泵浦光纤N+1；所述N个无源遥泵增益单元均作为中间节点，无源遥泵增益单元k连接传感光纤k和传感光纤k+1以及泵浦光纤k和泵浦光纤k+1；
BOTDA前端模块接收携带传感信息的布里渊探测光，转化为电信号后上传给信号处理与管理系统；信号处理与管理系统获取BOTDA前端模块上传的所述电信号，并通过布里渊频移提取算法计算得到光纤各点处的温度或应变信息。
进一步的，所述信号处理与管理系统根据获取的传感信号沿光纤的强度分布情况，控制优化BOTDA前端模块出射的布里渊探测光、泵浦源产生的遥泵泵浦光的强度以及泵浦源的强度。
进一步的，所述N个无源遥泵增益单元均包含1×2光功分器1、1×2光功分器2、WDM1、WDM2、双向滤波器1、双向滤波器2和掺铒光纤；无源遥泵增益单元j(j＝1,2,…N)中，1×2光功分器1将前向遥泵泵浦光分成两部分，并将部分后向传输的后向泵浦光耦合进入传感光纤j；1×2光功分器2将后向遥泵泵浦光分成两部分，并将前向传输的前向泵浦光耦合进入传感光纤j+1；WDM1将布里渊探测光和前向遥泵泵浦光合波，并将后向传输的布里渊泵浦脉冲耦合到传感光纤j；WDM2将布里渊泵浦脉冲和后向遥泵泵浦光合波，并将后向传输的布里渊泵浦脉冲耦合到传感光纤j+1；掺铒光纤连接双向滤波器1和双向滤波器2，作为放大介质实现泵浦光向布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲的能量转移；双向滤波器1用于滤除放大后的布里渊泵浦脉冲中的自发辐射噪声；双向滤波器2用于滤除放大后的布里渊探测光中的自发辐射噪声。
有益效果：(1)本发明提出了准分布式无源遥泵放大结构，采用多个泵增益单元在不同距离处对布里渊探测光和泵浦脉冲进行放大，提高了传感信号强度和测量精确度，同时可以灵活扩展多段传感光纤，增加传感距离。与基于分布式拉曼放大的传感系统相比，该方法避免了泵浦-信号串扰噪声和偏振相关增益；并且在功率预算足够的情况下可以通过增加无源遥泵增益单元进一步扩大传感距离，避免了分布式拉曼放大技术有效放大距离受限的情况，更具有灵活性。与采用在线EDFA放大的传感系统相比，本发明避免了远端线路供电问题，更具有实践性。
(2)本发明通过信号处理与管理系统分析各段传感光纤中传感信号的强弱和信噪比，进而实时优化泵浦源前、后向泵浦功率和BOTDA前端模块出射的布里渊探测光和泵浦脉冲功率，使注入各段传感光纤中的传感信号强度尽可能相近。
(3)本发明在遥泵增益单元中放置两个双向滤波器，可以将经过放大后的前向传输布里渊探测光和后向传输布里渊泵浦脉冲中的大部分自发辐射噪声滤除，防止多段放大造成自发辐射噪声积累，使信号信噪比下降。
附图说明
图1为基具有N个无源遥泵增益单元的布里渊光时域分析系统示意图；
图2为具有两个无源遥泵增益单元的布里渊光时域分析系统示意图；
图3为无源遥泵增益单元1结构图；
图4为无源遥泵增益单元2结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，包括信号处理与管理系统、BOTDA前端模块、泵浦源、N个无源遥泵增益单元、(N+1)段传感光纤、(N+1)段泵浦光纤；其中，传感光纤k和泵浦光纤k长度相同，k＝1,2,…N+1，N≥2。
BOTDA前端模块用于产生布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲，并分别注入传感光纤1前端和传感光纤N+1末端，布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲在传感光纤中发生受激布里渊散射。泵浦源用于产生前向遥泵泵浦光和后向遥泵泵浦光，并分别注入泵浦光纤1和泵浦光纤N+1。N个无源遥泵增益单元均作为中间节点，无源遥泵增益单元k连接传感光纤k和传感光纤k+1以及泵浦光纤k和泵浦光纤k+1。
BOTDA前端模块接收携带传感信息的布里渊探测光，转化为电信号后上传给信号处理与管理系统。信号处理与管理系统获取BOTDA前端模块上传的电信号，并通过布里渊频移提取算法计算得到相应的物理信息。信号处理与管理系统根据获取的电信号得到传感信号沿光纤的强度分布情况，然后控制优化BOTDA前端模块出射的布里渊探测光、泵浦源产生的遥泵泵浦光的强度以及泵浦源的强度，使各段传感光纤中的信号强度接近，增强远处传感光纤中信号的信噪比，进而提高远处的测量精度，保证各处传感精度接近。
无源遥泵增益单元均包含1×2光功分器1、1×2光功分器2、WDM1、WDM2、双向滤波器1、双向滤波器2和掺铒光纤。无源遥泵增益单元j(j＝1,2,…N)中，1×2光功分器1将前向遥泵泵浦光分成两部分，并将部分后向传输的后向泵浦光耦合进入传感光纤j；1×2光功分器2将后向遥泵泵浦光分成两部分，并将前向传输的前向泵浦光耦合进入传感光纤j+1；WDM1将布里渊探测光和前向遥泵泵浦光合波，并将后向传输的布里渊泵浦脉冲耦合到传感光纤j；WDM2将布里渊泵浦脉冲和后向遥泵泵浦光合波，并将后向传输的布里渊泵浦脉冲耦合到传感光纤j+1；掺铒光纤连接双向滤波器1和双向滤波器2，作为放大介质实现泵浦光向布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲的能量转移；双向滤波器1用于滤除放大后的布里渊泵浦脉冲中的自发辐射噪声；双向滤波器2用于滤除放大后的布里渊探测光中的自发辐射噪声。N个无源遥泵增益单元中的WDM1、WDM2、双向滤波器1、双向滤波器2均相同，1×2光功分器1、1×2光功分器2的光功分比根据实际系统而定。
如图2所示，本实施例的一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，包含信号处理与管理系统、BOTDA前端模块、泵浦源、传感光纤1、传感光纤2、传感光纤3、泵浦光纤1、泵浦光纤2、泵浦光纤3、无源遥泵增益单元1和无源遥泵增益单元2。其中，传感光纤1和泵浦光纤1长度相同，传感光纤2和泵浦光纤2长度相同，传感光纤3和泵浦光纤3长度相同。
信号处理与管理系统通过电接口与BOTDA前端模块连接，接收BOTDA前端模块上传的原始传感信号并控制BOTDA前端模块中布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲的出射功率。信号处理与管理系统通过电接口与泵浦源连接，控制泵浦源前、后向泵浦光功率；BOTDA前端模块的布里渊探测光出射端口与传感光纤1连接，将布里渊探测光注入传感光纤1，布里渊泵浦脉冲出射端口与传感光纤3连接，将布里渊泵浦脉冲注入传感光纤3。泵浦源的前向泵浦光出射端口与传感光纤1连接，将前向泵浦光注入泵浦光纤1，后向泵浦光出射端口与传感光纤3连接，将后向泵浦光注入泵浦光纤3。无源遥泵增益单元1前向两个端口与传感光纤1和泵浦光纤1连接，接收布里渊探测光和前向泵浦光，并将放大后的布里渊泵浦脉冲和剩余后向泵浦光分别注入传感光纤1和泵浦光纤1。无源遥泵增益单元1后向两个端口与传感光纤2和泵浦光纤2连接，接收布里渊泵浦脉冲和后向泵浦光，并将放大后的布里渊探测光和剩余前向泵浦光分别注入传感光纤2和泵浦光纤2。无源遥泵增益单元2前向两个端口与传感光纤2和泵浦光纤2连接，接收布里渊探测光和前向泵浦光，并将放大后的布里渊泵浦脉冲和剩余后向泵浦光注入传感光纤2和泵浦光纤2。后向两个端口与传感光纤3和泵浦光纤3连接，接收布里渊泵浦脉冲和后向泵浦光，并将放大后的布里渊探测光和剩余前向泵浦光注入传感光纤3和泵浦光纤3。该系统包括且不限于两个无源遥泵增益单元，在功率预算允许的情况下，可以采用更多无源遥泵增益单元相连的准分布式放大结构。
图3为无源遥泵增益单元1结构图，包含1×2光功分器1、1×2光功分器2、WDM1、WDM2、双向滤波器1、双向滤波器2、掺铒光纤。1×2光功分器1输入端连接泵浦光纤1，用于将前向泵浦光分为两部分，一部分送入WDM1用于该增益单元放大，一部分送入1×2光功分器2并耦合进入泵浦光纤2，用于后续增益单元。WDM1两个输入端分别接1×2光功分器1的一个输出端和传感光纤1，用于将部分前向泵浦光和布里渊探测光合为一路送入双向滤波器1，同时将后向传输的放大后布里渊泵浦脉冲耦合进入传感光纤1。WDM2两个输入端分别接1×2光功分器2的一个输出端和传感光纤2，用于将部分后向泵浦光和布里渊泵浦脉冲合为一路送入双向滤波器2，同时将前向传输的放大后布里渊探测光耦合进入传感光纤2。双向滤波器1一端接WDM1输出端，一端接掺铒光纤，其作用是滤除经过掺铒光纤放大后的后向传输的布里渊泵浦脉冲。双向滤波器2一端接WDM2输出端，一端接掺铒光纤，其作用是滤除经过掺铒光纤放大后的前向传输的布里渊探测光。掺铒光纤作为增益介质在双向泵浦光的作用下产生受激辐射和受激吸收，进而放大布里渊探测光和泵浦脉冲。需要注意的是，虽然布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲波长不一样，但两者十分接近，因此WDM1和WDM2具有足够的带宽能够同时耦合这两个波长的光。
图4为无源遥泵增益单元2结构图。除了两个光功分器功率分配比例和掺铒光纤长度有所不同，需要根据实际情况作调整，无源遥泵增益单元2内部其他结构与器件参数与遥泵增益单元1均相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括信号处理与管理系统、BOTDA前端模块、泵浦源、N个无源遥泵增益单元、（N+1）段传感光纤、（N+1）段泵浦光纤；其中，传感光纤k和泵浦光纤k长度相同，k=1,2,…N+1，N≥2；
BOTDA前端模块用于产生布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲，并分别注入传感光纤1前端和传感光纤N+1末端，所述布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲在传感光纤中发生受激布里渊散射；泵浦源用于产生前向遥泵泵浦光和后向遥泵泵浦光，并分别注入泵浦光纤1和泵浦光纤N+1；所述N个无源遥泵增益单元均作为中间节点，无源遥泵增益单元k连接传感光纤k和传感光纤k+1以及泵浦光纤k和泵浦光纤k+1；
BOTDA前端模块接收携带传感信息的布里渊探测光，转化为电信号后上传给信号处理与管理系统；信号处理与管理系统获取BOTDA前端模块上传的所述电信号，并通过布里渊频移提取算法计算得到光纤各点处的温度或应变信息；
所述N个无源遥泵增益单元均包含1×2光功分器1、1×2光功分器2、WDM1、WDM2、双向滤波器1、双向滤波器2和掺铒光纤；
无源遥泵增益单元j中，j=1,2,…N，1×2光功分器1将前向遥泵泵浦光分成两部分，并将部分后向传输的后向泵浦光耦合进入传感光纤j；1×2光功分器2将后向遥泵泵浦光分成两部分，并将前向传输的前向泵浦光耦合进入传感光纤j+1；WDM1将布里渊探测光和前向遥泵泵浦光合波，并将后向传输的布里渊泵浦脉冲耦合到传感光纤j；WDM2将布里渊泵浦脉冲和后向遥泵泵浦光合波，并将后向传输的布里渊泵浦脉冲耦合到传感光纤j+1；掺铒光纤连接双向滤波器1和双向滤波器2，作为放大介质实现泵浦光向布里渊探测光和布里渊泵浦脉冲的能量转移；双向滤波器1用于滤除放大后的布里渊泵浦脉冲中的自发辐射噪声；双向滤波器2用于滤除放大后的布里渊探测光中的自发辐射噪声。
2.根据权利要求 1所述的基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述信号处理与管理系统根据获取的传感信号沿光纤的强度分布情况，控制优化BOTDA前端模块出射的布里渊探测光、泵浦源产生的遥泵泵浦光的强度以及泵浦源的强度。
3.根据权利要求 1所述的基于准分布式无源遥泵放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述N个无源遥泵增益单元中的WDM1、WDM2、双向滤波器1、双向滤波器2均相同。
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2020
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