CN112104415A - 一种采用edfa放大装置检测瑞利散射信号强度的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统，主干涉仪通过采用EDFA放大装置增强瑞利散射信号强度,同时利用波长控制模块控制可调谐窄带滤波器，使得从环形器输出的线性扫频光波长与可调谐滤波器中心波长相等，消除了ASE噪声的影响，偏振分束器将产生的混频信号分解为相互正交的偏振光，并控制两路偏振光功率相等，消除了光路中存在的偏振衰落效应,并将主干涉仪与辅助干涉仪产生的电信号通过快速傅立叶变换将时域信号转化到距离域，获得待测光纤中的光强信息；本发明采用的方案增强了瑞利散射信号强度,提高了传感系统的信噪比及传感精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域技术领域，具体而言，涉及一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统。
背景技术
随着越来越多行业对光缆质量的要求的不断提高，对光缆内部信息的监测显得十分必要。当光在光纤中传输时,会产生瑞利散射信号,瑞利散射信号包含了光纤中各个位置的光强信息。检测瑞利散射信号就可以分析光纤中各个位置的状态。
光频域反射仪(OFDR)是一种高精度，高空间分辨率的分布式传感技术，被广泛应用于光纤链路监测，结构健康检测，三维形状传感等诸多领域中。但是，在OFDR系统中，背向瑞利散射信号十分微弱，通常只有微瓦级别，且信号强度的大小影响系统的测量精度和测试距离。
因此，需要一种对光信号进行相应的滤波处理的系统，才能在提高瑞利散射信号强度的同时抑制噪声，从而提高系统的信噪比。
发明内容
为能够解决上述提到的至少一个技术问题，本发明提供一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统。具体方案如下：
包括：可调谐激光器、波长控制模块、主干涉仪、辅助干涉仪、信号采集装置和数据处理装置，
所述可调谐激光器，用于产生线性扫频信号；
所述波长控制模块，与所述可调谐激光器连接，用于利用波长控制电流来控制所述可调谐激光器生成的所述线性扫频信号的波长；
所述主干涉仪，与所述可调谐激光器输出端连接，用于接收所述线性扫频信号后产生相互正交的偏振光信号；
所述辅助干涉仪，与所述可调谐激光器输出端连接，且与所述主干涉仪并列设置，用于接收所述线性扫频信号后产生拍频干涉信号；
所述信号采集装置，用于采集经光电转换的所述偏振光信号和所述拍频干涉信号；
所述数据处理装置，与所述信号采集装置连接，用于通过快速傅立叶变换将时域信号转化到距离域，获得待测光纤中的光强信息。
可选的，所述主干涉仪包括：第四光纤耦合器c4、偏振控制器、第五光纤耦合器c5、可调谐窄带滤波器、环形器、掺铒光纤放大器和偏振分束器。
可选的，所述主干涉仪通过所述第四光纤耦合器c4分为两个干涉支路：
第一干涉支路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、所述偏振控制器和所述第五光纤耦合器c5；所述线性扫频信号经过所述第四光纤耦合器c4、所述偏振控制器和所述第五光纤耦合器c5产生第一路干涉信号；
第二干涉支路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、掺铒光纤放大器、环形器、可调谐窄带滤波器和所述第五光纤耦合器c5；所述线性扫频信号经过所述掺铒光纤放大器放大后输入所述环形器，经过所述环形器输入待测光纤产生检测信号，所述检测信号经过所述环形器传输至所述第五光纤耦合器c5，其中，所述检测信号与所述第一路干涉信号之间存在光程差，所述可调谐窄带滤波器，用于滤除所述检测信号噪声。
可选的，所述辅助干涉仪包括：第二光纤耦合器c2、延迟光纤和第三光纤耦合器c3；所述线性扫频信号经所述第二光纤耦合器c2分成两路，一路直接传输至所述第三光纤耦合器c3，另一路经所述延迟光纤延迟后传输至所述第三光纤耦合器c3，与第一路所述线性扫频信号干涉后产生拍频干涉信号。
可选的，所述线性扫频信号对应的波长范围为1520nm-1560nm、线宽为1.5Mhz。
可选的，所述光程差为0-50米。
可选的，所述第二光纤耦合器c2和第三光纤耦合器c3之间的光程差是所述第四光纤耦合器c4与所述光纤耦合器c5之间光程差的两倍以上。
可选的，还包括：第一光纤耦合器c1，
所述第一光纤耦合器c1，一端与所述可调谐激光器相连,另一端分别与所述主干涉仪和所述辅助干涉仪相连，用于接收所述可调谐激光器发出的线性扫频信号，并将所述线性扫频信号分路给所述主干涉仪和所述辅助干涉仪。
可选的，所述偏振控制器用于控制所述主干涉仪的所述两个干涉支路的偏振光功率相等。
可选的，所述偏振分束器，还包括：
所述偏振分束器与所述第五光纤耦合器c5的输出端相连，用于将所述主干涉仪的两个干涉支路产生的混频信号分解为相互正交的偏振光。
可选的，还包括多个光电探测器，所述光电探测器连接于所述主干涉仪与所述与信号采集装置之间，以及连接于所述辅助干涉仪与所述信号采集装置之间。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
本发明采用主干涉仪将线性扫频信号分为两路，一路通过偏振控制器控制两路功率相等；另一路通过EDFA放大装置和可调谐窄带滤波器，使得在滤除噪声的同时产生增强瑞利散射信号强度的光信号，两路光信号产生拍频干涉后后经过处理得到相互正交的偏振光，然后再通过光电探测器产生电信号，且被辅助干涉仪产生的电信号采集，最终通过数据处理装置处理，从而获得并检测待测光纤中的光强信息；
本发明通过波长控制模块控制可调谐窄带滤波器，使得从环形器输出的线性扫频光波长与可调谐滤波器中心波长相等，消除了ASE噪声的影响；通过偏振分束器将产生的混频信号分解为相互正交的偏振光，并控制两路偏振光功率相等，消除了光路中存在的偏振衰落效应，增强瑞利散射信号强度；
本发明提高了传感系统的信噪比及传感精度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：
图1为本发明实施例中一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中线性扫频信号和可调谐窄带滤波器中心波长变化示意图；
图3为本发明实施例中信号功率谱示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述……，但这些……不应限于这些术语。这些术语仅用来将……区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一……也可以被称为第二……，类似地，第二……也可以被称为第一……。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
本发明提供的一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统，通过波长控制模块控制可调谐窄带滤波器，使得从环形器输出的线性扫频光波长与可调谐滤波器中心波长相等，从而滤除了噪声，消除了系统噪声的影响，检测到瑞利散射信号强度信息。
本发明提供的一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统的结构示意图，如图1所示，整个系统包括：可调谐激光器1、波长控制模块2、主干涉仪3、辅助干涉仪4、PD12、信号采集装置13和数据处理装置14七部分组成。
其中，信号采集装置13包括但不限于采集卡，数据处理装置14包括但不限于计算机。
其中，EDFA，是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的缩写,称为即掺铒光纤放大器，是一种对信号光放大的有源光器件。PD，英文全称为PhotoelectricDetector，称为光电探测器。
可调谐激光器1，用于产生线性扫频信号；
波长控制模块2，与可调谐激光器1连接，通过输出波长控制电流来控制可调谐激光器1生成的线性扫频信号的波长，并发出波长范围为1520nm-1560nm、线宽为1.5Mhz的线性扫频信号，通过第一光纤耦合器c1分为两路，一路通过主干涉仪3，另一路通过辅助干涉仪4，并且主干涉仪3与辅助干涉仪4并列设置。
其中，上述连接关系只为说明一种连接方式，但不仅限于一种连接方式，具体连接方式视具体情况灵活确定。例如，波长控制模块2，通过输出波长控制电流来控制可调谐激光器1发出波长范围为1520nm-1560nm、线宽为1.5Mhz的线性扫频信号，直接分为两路，一路通过主干涉仪3，另一路通过辅助干涉仪4。
主干涉仪3包括：第四光纤耦合器c4、第五光纤耦合器c5、可调谐窄带滤波器7、环形器6、掺铒光纤放大器9和偏振分束器10。通过主干涉仪3的线性扫频信号，通过第四光纤耦合器c4被分为两路，包括：
一路包括顺次连接的第四光纤耦合器c4、偏振控制器8和第五光纤耦合器c5；该路作为参考臂，线性扫频信号经过第四光纤耦合器c4、偏振控制器8和所述第五光纤耦合器c5产生第一路干涉信号。
另一路包括顺次连接的第四光纤耦合器c4、掺铒光纤放大器9、环形器6、可调谐窄带滤波器7和第五光纤耦合器c5。该路为信号臂。从第四光纤耦合器c4出来的线性扫频信号经过掺铒光纤放大器9放大20DB后通过环形器6射入待测光纤中，经过环形器6输入待测光纤5产生检测信号，检测信号经过环形器6传输至第五光纤耦合器c5，其中，检测信号与第四光纤耦合器c4与第一路干涉信号之间存在光程差，其中，所述可调谐窄带滤波器1，能够滤除掺铒光纤放大器9产生的ASE噪声。
其中，参考臂与信号臂之间存在光程差0-50m。DB，英文全称为decibel，即分贝。ASE,英文全称为amplifier spontaneousemission noise，称为放大器自发辐射噪声，简称ASE噪声。偏振控制器8，用于控制所述主干涉仪3的两干涉支路的偏振光功率相等。由于参考臂的信号功率远大于信号臂，故在参考臂中设置偏振控制器8，还用于调整参考臂中光信号的偏振态。
如图2所示，例如，可调谐激光器1在时间0-1秒，波长1520-1560nm的范围内，波长控制模块2同时控制着可调谐窄带滤波器7，使得从环形器6输出的线性扫频光波长与可调谐滤波器中心波长相等。即预先设定线性扫频光在扫频过程中始终保持在滤波器通带范围40nm内，如图3所示可知，只有在此通带范围内的从环形器6返回的线性扫频光波长才能通过可调谐滤波器，而分布在整个滤波器工作带宽内的ASE噪声波长范围在1520-1540nm内，与可调谐滤波器中心波长不相等，所以无法通过可调谐滤波器；因此，从第四光纤耦合器c4出来的线性扫频信号经过掺铒光纤放大器9放大20DB后通过环形器6射入待测光纤5中，功率被放大，但由于滤除了噪声的干扰，所以只增强了瑞利散射信号强度信息，从而能够检测到系统中的瑞利散射信号强度信息。
所以当信号臂中的后向瑞利散射信号自环形器6中返回，通过可调谐窄带滤波器7进行滤波后，使可调谐窄带滤波器7可以充分滤除由掺铒光纤放大器9产生的ASE噪声。然后，与参考臂中的光信号在第五光纤耦合器c5处进行混频，是由于信号臂和参考臂之间存在光程差，因此两路信号所携带光信号的频率不同，两路光的混频信号会在c5中发生拍频干涉。
其中，拍频干涉，当波的局部形状依然是以原频率振动的波，但各个波峰的外缘却形成了一个强弱变化(即振幅的变化)。信号的强弱取决于波振幅的大小，因此当这样的信号进入系统时，信号的强度会随时间变化，一强一弱称为一次拍，而在单位时间内的变化次数，就是拍频，由于信号臂和参考臂之间存在光程差，光信号通过两路时存在时间差，在该时间差内，可调谐激光器1发出的是不断变化的频率的线性扫频信号，因此，光信号通过两路时，产生拍频干涉。
如图1所示，主干涉仪3，还包括PBS10，从第五光纤耦合器c5处输出的混频信号通过PBS10后被分解为相互正交的偏振光，但两束偏振光的偏振态不同，通过信号臂中的偏振控制器8可以控制两路偏振光功率相等，目的是为了消除光路中存在的偏振衰落效应。两束偏振光分别经过光电探测器12转化为电信号。
其中，PBS，英文全称为polarization beam splitter，称为偏振分光棱镜，也叫偏振分束器。
偏振分束器10与所述第五光纤耦合器c5的一边输出端相连，用于将所述主干涉仪3的两个干涉支路产生的混频信号分解为相互正交的偏振光。
辅助干涉仪4，包括第二光纤耦合器c2、延迟光纤11和第三光纤耦合器c3。通过线性扫频信号经第二光纤耦合器c2分成两路，一路直接传输至第三光纤耦合器c3，另一路经延迟光纤11延迟后传输至第三光纤耦合器c3，与第一路线性扫频信号干涉后产生拍频干涉信号。由于第二光纤耦合器c2和第三光纤耦合器c3之间两路光纤长度不等，所以线性扫频信号经过两路会存在光程差0-100m，故光信号在第三光纤耦合器c3处发生拍频干涉，生成携带光源相位信息的拍频干涉信号，再通过光电探测器12转换为电信号后，作为采集卡13外部时钟信号，去采集主干涉仪3的两束偏振光分别经过光电探测器12转化成的电信号，再将采集的电信号与自身的电信号传给采集卡13。
其中，采用外部时钟采集的目的是消除光源可能存在的非线性调谐效应，保证对光信号的采集质量。
其中，所述第二光纤耦合器c2和第三光纤耦合器c3之间的光程差是所述第四光纤耦合器c4与所述光纤耦合器c5之间光程差的两倍以上。时钟信号，是用来采集卡13内部采集信号时的设定采集时间的信号，例如，每两秒采集一次。那么外部时钟信号，就是将辅助干涉仪4通过光电探测器12转换成的电信号，作为采集卡13外部时钟信号，简称外部时钟信号去采集主干涉仪3产生的相互正交的偏振光信号通过光电探测器12转换成的电信号。
最后，将主干涉仪3中的两束偏振光经过光电探测器12转化成的电信号和辅助干涉仪4中的拍频干涉信号通过光电探测器12转换成的电信号都传输至计算机14中，通过FFT处理将时域信号转化到距离域信号，得出待测光纤中的光强信息。
其中，FFT英文全称为fast Fourier transform，称为快速傅立叶变换。
本发明采用主干涉仪将线性扫频信号分为两路，一路通过偏振控制器控制两路功率相等；另一路通过EDFA放大装置和可调谐窄带滤波器，使得在滤除噪声的同时产生增强瑞利散射信号强度的光信号，两路光信号产生拍频干涉后后经过处理得到相互正交的偏振光，然后再通过光电探测器产生电信号，且被辅助干涉仪产生的电信号采集，最终通过数据处理装置处理，从而获得并检测待测光纤中的光强信息；
本发明通过波长控制模块控制可调谐窄带滤波器，使得从环形器输出的线性扫频光波长与可调谐滤波器中心波长相等，消除了ASE噪声的影响；通过偏振分束器将产生的混频信号分解为相互正交的偏振光，并控制两路偏振光功率相等，消除了光路中存在的偏振衰落效应，增强瑞利散射信号强度；
本发明提高了传感系统的信噪比及传感精度。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (10)
1.一种采用EDFA放大装置检测瑞利散射信号强度的系统，其特征在于，包括：
可调谐激光器、波长控制模块、主干涉仪、辅助干涉仪、信号采集装置和数据处理装置，
所述可调谐激光器，用于产生线性扫频信号；
所述波长控制模块，与所述可调谐激光器连接，用于利用波长控制电流来控制所述可调谐激光器生成的所述线性扫频信号的波长；
所述主干涉仪，与所述可调谐激光器输出端连接，用于接收所述线性扫频信号后产生相互正交的偏振光信号；
所述辅助干涉仪，与所述可调谐激光器输出端连接，且与所述主干涉仪并列设置，用于接收所述线性扫频信号后产生拍频干涉信号；
所述信号采集装置，用于采集经光电转换的所述偏振光信号和所述拍频干涉信号；
所述数据处理装置，与所述信号采集装置连接，用于通过快速傅立叶变换将时域信号转化到距离域，获得待测光纤中的光强信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主干涉仪包括：第四光纤耦合器c4、偏振控制器、第五光纤耦合器c5、可调谐窄带滤波器、环形器、掺铒光纤放大器和偏振分束器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主干涉仪通过所述第四光纤耦合器c4分为两个干涉支路：
第一干涉支路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、所述偏振控制器和所述第五光纤耦合器c5；所述线性扫频信号经过所述第四光纤耦合器c4、所述偏振控制器和所述第五光纤耦合器c5产生第一路干涉信号；所述偏振控制器用于控制所述主干涉仪的所述两个干涉支路的偏振光功率相等；
第二干涉支路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、掺铒光纤放大器、环形器、可调谐窄带滤波器和所述第五光纤耦合器c5；所述线性扫频信号经过所述掺铒光纤放大器放大后输入所述环形器，经过所述环形器输入待测光纤产生检测信号，所述检测信号经过所述环形器传输至所述第五光纤耦合器c5，其中，所述检测信号与所述第一路干涉信号之间存在光程差，所述可调谐窄带滤波器，用于滤除所述检测信号噪声。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辅助干涉仪包括：第二光纤耦合器c2、延迟光纤和第三光纤耦合器c3；所述线性扫频信号经所述第二光纤耦合器c2分成两路，一路直接传输至所述第三光纤耦合器c3，另一路经所述延迟光纤延迟后传输至所述第三光纤耦合器c3，与第一路所述线性扫频信号干涉后产生拍频干涉信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线性扫频信号对应的波长范围为1520nm-1560nm、线宽为1.5Mhz。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光程差为0-50米。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二光纤耦合器c2和第三光纤耦合器c3之间的光程差是所述第四光纤耦合器c4与所述光纤耦合器c5之间光程差的两倍以上。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：第一光纤耦合器c1，
所述第一光纤耦合器c1，一端与所述可调谐激光器相连,另一端分别与所述主干涉仪和所述辅助干涉仪相连，用于接收所述可调谐激光器发出的线性扫频信号，并将所述线性扫频信号分路给所述主干涉仪和所述辅助干涉仪。
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述偏振分束器，还包括：
所述偏振分束器与所述第五光纤耦合器c5的输出端相连，用于将所述主干涉仪的两个干涉支路产生的混频信号分解为相互正交的偏振光。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括多个光电探测器，所述光电探测器连接于所述主干涉仪与所述与信号采集装置之间，以及连接于所述辅助干涉仪与所述信号采集装置之间。
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| CN202010881002.1A CN112104415A (zh) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | 一种采用edfa放大装置检测瑞利散射信号强度的系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010881002.1A CN112104415A (zh) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | 一种采用edfa放大装置检测瑞利散射信号强度的系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN112104415A true CN112104415A (zh) | 2020-12-18 |
Family
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| CN202010881002.1A Pending CN112104415A (zh) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | 一种采用edfa放大装置检测瑞利散射信号强度的系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115127778A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-30 | 深圳大学 | 一种简化ofdr系统的方法和装置以及ofdr简化系统、控制装置 |
-
2020
- 2020-08-27 CN CN202010881002.1A patent/CN112104415A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115127778A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-30 | 深圳大学 | 一种简化ofdr系统的方法和装置以及ofdr简化系统、控制装置 |
| CN115127778B (zh) * | 2022-05-25 | 2023-04-18 | 深圳大学 | 一种简化ofdr系统的方法和装置以及ofdr简化系统、控制装置 |
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