CN112344971B - 一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，涉及光纤传感技术领域，核心在于设计了一种长腔的超连续谱光纤随机激光光源，目的在于提高长距离光纤传感系统的复用能力。该系统包括超连续谱光纤激光泵浦模块、光纤随机激光反射镜、长距离单模通信光纤、光纤光栅传感单元和波长解调模块。其有益效果在于：通过光纤随机激光技术产生的超连续光谱，能够有效避免超连续光在光纤传输过程中的损耗，提高了系统的传感距离和信噪比。此外，该超连续光源在传输过程中是逐步被放大的，其谱宽会随着传感距离的延伸进一步展宽，使得更多传感单元能够得到有效的覆盖，大幅提升传感系统的复用能力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统。
背景技术
光纤传感具有抗电磁辐射干扰、耐高温、电绝缘性好、损耗小、本质安全等优点，极其适用于危险、复杂且多变的工作环境，而准分布式传感系统相比于分布式传感系统信噪比更高，目前已经广泛应用于高铁、大型土木建筑、海岛监测和电力传输系统等领域。但是随着长距离传感的需求逐渐增多，传统的传感方案已难以满足国防边境、长距离输油管道和长距离输气管道等领域的需求。
光纤随机激光技术最早由Sergei K.Turitsyn等人于2010年提出，相比于传统光纤激光器，该激光器的腔体没有明确的边界，由光纤中随机位置的瑞利散射构成。2012年，Zinan Wang等人基于光纤随机激光技术设计的长距离点式传感系统，能够实现100km超长距离的传感，信噪比高达35dB。该方案为长距离准分布式光纤传感提供了一条新的可行路线，得到了广泛的关注。之后，西班牙学者基于光纤随机激光技术实现了11个位置的同时传感，但是其复用能力仍然受到拉曼光谱谱宽的限制。虽然该限制可以通过可调波长泵浦解决，但波长控制系统较为复杂，波长调节范围有限。
基于超连续光谱的激光器能够覆盖更多的传感单元，提高复用能力，能实现更多传感单元同时监测，但是，如果直接将超连续谱激光输入到长距离的通信光纤中，其大部分传感波段的损耗会很大，很难作用到远端的感知模块上，感知效果有限。因此，需要设计一种可以有效避免损耗的超连续谱光源，使更多工作波段能够作用于传感单元上，在保证传感距离的情况下提升系统复用能力。
发明内容
本发明的目的在于：解决长距离传感情形下，提高光纤传感系统复用能力的问题。
为了实现上述目的具体采用了以下技术方案：
本发明提出了一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，包括超连续谱光纤激光泵浦模块、光纤随机激光反射镜、长距离单模通信光纤、光纤光栅传感单元和波长解调模块。
超连续谱光纤激光泵浦模块用于输出包含1050～1095nm波段的窄带光纤激光和1280～1320nm波段的窄带种子激光，光纤激光和种子激光通过光纤随机激光反射镜作用于长距离单模通信光纤；光纤随机激光反射镜与长距离单模通信光纤用于组成谐振腔，同时，光纤随机激光反射镜用于降低光纤随机激光的阈值，长距离单模通信光纤用于产生超连续谱光纤激光，超连续谱光纤激光的光谱宽度随传输距离的增加逐步展宽；光纤光栅传感单元用于将感知信息调制至超连续谱光纤激光上并将调制后的超连续谱光纤激光传输回波长解调模块；波长解调模块用于接收调制后的超连续谱光纤激光并解调。
超连续谱光纤激光泵浦模块包括980nm泵浦激光器、光纤合束器、光纤强反射镜、稀土掺杂光纤和光纤弱反射镜。
980nm泵浦激光器用于输出980nm泵浦光；光纤合束器用于连接980nm泵浦激光器和光纤强反射镜；光纤强反射镜和光纤弱反射镜用于组成谐振腔，稀土掺杂光纤用于为激发激光提供增益介质，光纤强反射镜、稀土掺杂光纤和光纤弱反射镜用于将980nm泵浦光跃迁激发为1050～1095nm波段的窄带光纤激光和1280～1320nm波段的窄带种子激光。
进一步地，980nm泵浦激光器的输出端口与光纤合束器的泵浦端口连接，光纤合束器的输出端口与光纤强反射镜输入端口相连，光纤强反射镜的输出端口与稀土掺杂光纤的输入端口相连，稀土掺杂光纤的输出端口与光纤弱反射镜的输入端口相连。
光纤弱反射镜的输出端口与光纤随机激光反射镜的输入端口相连，光纤随机激光反射镜的输出端口与长距离单模通信光纤的输入端口相连；长距离单模通信光纤中安装光纤光栅传感单元；波长解调模块的输入端口与光纤合束器的信号端口相连。
进一步地，光纤强反射镜包括工作中心波长为1050～1095nm和1280～1320nm的强反射光纤光栅，其中，强反射光纤光栅为反射率大于80％的光纤光栅；光纤弱反射镜采用工作中心波长为1050～1095nm和1280～1320nm弱反射光纤光栅，其中，弱反射光纤光栅为反射率小于30％的光纤光栅。
进一步地，稀土掺杂光纤包括掺镱光纤和掺镨光纤，所述掺镱光纤的长度长于掺镨光纤。
进一步地，稀土掺杂光纤包括镱镨共掺光纤，所述镱镨共掺光纤中镱离子浓度高于谱离子。
进一步地，光纤随机激光反射镜包括中心波长为1100～1130nm、1160～1180nm和1220～1240nm的三个强反射光纤光栅，其中，强反射光纤光栅为反射率大于80％的光纤光栅。
进一步地，光纤光栅传感单元包括不同中心波长的光纤光栅。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
采用超连续谱光源进行光纤传感，能够拓宽光纤感知模块的工作波长范围，提升传感系统的复用能力。而基于光纤随机激光技术产生的超连续谱，工作波长范围更宽，复用能力更强。光纤随机激光技术，能够有效避免超连续谱光源在光纤传输过程中的损耗，提高了系统的传感距离和信噪比。使用时，仅需打开980nm泵浦激光器，调节输出功率，通过波长解调模块即可解调出传感量。因此，本发明系统操作简单，传感距离较远、信噪比高、复用能力高。
附图说明
图1是一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统结构示意图。
其中：1-超连续谱光纤激光泵浦模块，2-光纤随机激光反射镜，3-长距离单模通信光纤，4-光纤光栅传感单元，5-波长解调模块，6-980nm泵浦激光器，7-光纤合束器，8-光纤强反射镜，9-稀土掺杂光纤，10-光纤弱反射镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步阐述。
实施例1
参见图1，一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，包括超连续谱光纤激光泵浦模块1、光纤随机激光反射镜2、长距离单模通信光纤3、光纤光栅传感单元4和波长解调模块5。
其中，超连续谱光纤激光泵浦模块1用于输出包含1050～1095nm波段的窄带光纤激光和1280～1320nm波段的窄带种子激光，光纤激光和种子激光对光纤随机激光反射镜2是通透的，作用于长距离单模通信光纤3；光纤随机激光反射镜2与长距离单模通信光纤3用于组成谐振腔，同时，长距离单模通信光纤3用于提供增益介质，谐振腔的作用是让自发辐射(ASE)噪声光在谐振腔内多次反射并多次经过增益介质放大形成激光。并且，在此方案中，光纤随机激光反射镜2用于降低光纤随机激光的阈值，长距离单模通信光纤3用于产生超连续谱光纤激光，超连续谱光纤激光的光谱宽度随传输距离的增加逐步展宽；光纤光栅传感单元4用于将感知信息调制至超连续谱光纤激光上，并将调制后的超连续谱光纤激光原路传输回波长解调模块5，即调制后的超连续谱光纤激光一次经过光纤光栅传感单元4、长距离单模通信光纤3、光纤随机激光反射镜2、光纤弱反射镜10、稀土掺杂光纤9、光纤强反射镜8、光纤合束器7和波长解调模块5；波长解调模块5用于接收调制后的超连续谱光纤激光并解调。
其中，超连续谱光纤激光泵浦模块1包括980nm泵浦激光器6、光纤合束器7、光纤强反射镜8、稀土掺杂光纤9和光纤弱反射镜10。980nm泵浦激光器6的输出端口与光纤合束器7的泵浦端口连接，光纤合束器7的输出端口与光纤强反射镜8输入端口相连，光纤强反射镜8的输出端口与稀土掺杂光纤9的输入端口相连，稀土掺杂光纤9的输出端口与光纤弱反射镜10的输入端口相连。
同样，在上述方案中，980nm泵浦激光器6用于输出980nm泵浦光；光纤合束器7用于连接980nm泵浦激光器6和光纤强反射镜8；光纤强反射镜8和光纤弱反射镜10用于组成谐振腔，所述稀土掺杂光纤9用于为激发激光提供增益介质，所述光纤强反射镜8、稀土掺杂光纤9和光纤弱反射镜10用于将980nm泵浦光跃迁激发为1050～1095nm波段的窄带光纤激光和1280～1320nm波段的窄带种子激光。
同时，光纤弱反射镜10的输出端口与光纤随机激光反射镜2的输入端口相连，光纤随机激光反射镜2的输出端口与长距离单模通信光纤3的输入端口相连。
在上述方案中，长距离单模通信光纤3中安装光纤光栅传感单元4，且可根据传感需求，在长距离单模通信光纤3中不定距离安装光纤光栅传感单元4；波长解调模块5的输入端口与光纤合束器7的信号端口相连。
其中，光纤强反射镜8选用1064nm和1300nm附近波段的强反射光纤光栅，即光纤强反射镜8可以选用波段为1050～1095nm和1280～1320nm的反射率大于80％的光纤光栅；光纤弱反射镜10也选用1064nm和1300nm附近波段的弱反射光纤光栅，即光纤弱反射镜10可以选用波段为1050～1095nm和1280～1320nm的反射率小于30％的光纤光栅。稀土掺杂光纤9可由掺镱光纤和掺镨光纤组成，也可选用镱镨共掺光纤。光纤光栅传感单元4感知到的信号，传输回光纤合束器7的信号端，被波长解调模块8接收并解调出外界环境信息。另外，光纤随机激光反射镜(2)包括1120nm、1170nm和1230nm附近波段的三个强反射光纤光栅，即光纤随机激光反射镜2可以由三个波段为1100～1130nm、1160～1180nm和1220～1240nm的反射率大于80％的光纤光栅组成。
本发明的工作原理是：980nm泵浦激光器6提供的980nm泵浦光，经过光纤合束器7的泵浦端后，作用于稀土掺杂光纤9中的镱离子和镨离子，使其跃迁并激发出光子，再经过光纤强反射镜8和光纤弱反射镜10组成谐振腔的累积放大，并从光纤弱反射镜10输出1050～1095nm和1280～1320nm波段的激光。由于稀土掺杂光纤9中的镱离子远多于镨离子，因此1064nm的激光功率远高于1300nm波段，1300nm激光将作为后续放大的种子光。高功率1064nm光纤激光在长距离单模通信光纤3的传输过程中会激发出一阶、二阶和三阶的随机激光，分别对应光纤随机激光反射镜2中1100～1130nm、1160～1180nm和1220～1240nm三个波段，同时，光纤随机激光反射镜2能够有效降低随机激光的激射阈值。类似于拉曼放大过程，三阶光纤随机激光的能量在传输过程中，会逐步转移到1300nm的种子激光上，当1300nm激光的功率放大至一定阈值，将激发出超连续光谱。如果超连续光谱的波段能够覆盖光纤光栅传感单元4中的工作波长，就能将感知信息携带回波长解调模块5，因此超连续光谱的谱宽决定了能够使用传感单元数量的极限。而光纤随机激光技术能够在传输过程中，将超连续光的功率逐步放大，使得超连续光谱的谱宽会随着传感距离的增加进一步展宽，为更远距离的传感单元提供足够的光谱频带资源，提升传感系统的复用能力。
实施例2
光纤强反射镜8可以由波长为1050nm和1280nm的反射率大于80％的光纤光栅组成；光纤弱反射镜10可以由1050nm和1280nm的反射率小于30％的光纤光栅组成；光纤随机激光反射镜2可以由波长为1100nm、1160nm和1220nm的反射率大于80％的光纤光栅组成。
另外，从光纤弱反射镜8输出波长为1050nm和1280nm的激光；高功率1050nm光纤激光在长距离单模通信光纤3的传输过程中会激发出一阶、二阶和三阶的随机激光，分别对应光纤随机激光反射镜2中为1100nm、1160nm和1220nm的波长。
实施例3
光纤强反射镜8可以由波长为1064nm和1300nm的反射率大于80％的光纤光栅组成；光纤弱反射镜10可以由1064nm和1300nm的反射率小于30％的光纤光栅组成；光纤随机激光反射镜2可以由波长为1120nm、1170nm和1230nm的反射率大于80％的光纤光栅组成。
另外，从光纤弱反射镜8输出波长为1064nm和1300nm的激光；高功率1064nm光纤激光在长距离单模通信光纤3的传输过程中会激发出一阶、二阶和三阶的随机激光，分别对应光纤随机激光反射镜2中为1120nm、1170nm和1230nm的波长。
实施例4
光纤强反射镜8可以由波长为1095nm和1320nm的反射率大于80％的光纤光栅组成；光纤弱反射镜10可以由1095nm和1320nm的反射率小于30％的光纤光栅组成；光纤随机激光反射镜2可以由波长为1130nm、1180nm和1240nm的反射率大于80％的光纤光栅组成。
另外，从光纤弱反射镜8输出波长为1095nm和1320nm的激光；高功率1094nm光纤激光在长距离单模通信光纤3的传输过程中会激发出一阶、二阶和三阶的随机激光，分别对应光纤随机激光反射镜2中为1130nm、1180nm和1240nm的波长。
Claims (7)
1.一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：包括超连续谱光纤激光泵浦模块(1)、光纤随机激光反射镜(2)、长距离单模通信光纤(3)、光纤光栅传感单元(4)和波长解调模块(5)；
所述超连续谱光纤激光泵浦模块(1)用于输出包含1050～1095nm波段的窄带光纤激光和1280～1320nm波段的窄带种子激光，所述光纤激光和种子激光通过光纤随机激光反射镜(2)作用于长距离单模通信光纤(3)；所述光纤随机激光反射镜(2)与长距离单模通信光纤(3)用于组成谐振腔，同时，所述光纤随机激光反射镜(2)用于降低光纤随机激光的阈值，所述长距离单模通信光纤(3)用于产生超连续谱光纤激光，所述超连续谱光纤激光的光谱宽度随传输距离的增加逐步展宽；所述光纤光栅传感单元(4)用于将感知信息调制至超连续谱光纤激光上并将调制后的超连续谱光纤激光传输回波长解调模块(5)；所述波长解调模块(5)用于接收调制后的超连续谱光纤激光并解调；
所述超连续谱光纤激光泵浦模块(1)包括980nm泵浦激光器(6)、光纤合束器(7)、光纤强反射镜(8)、稀土掺杂光纤(9)和光纤弱反射镜(10)；
所述980nm泵浦激光器(6)用于输出980nm泵浦光；所述光纤合束器(7)用于连接980nm泵浦激光器(6)和光纤强反射镜(8)；所述光纤强反射镜(8)和光纤弱反射镜(10)用于组成谐振腔，所述稀土掺杂光纤(9)用于为激发激光提供增益介质，所述光纤强反射镜(8)、稀土掺杂光纤(9)和光纤弱反射镜(10)用于将980nm泵浦光跃迁激发为1050～1095nm波段的窄带光纤激光和1280～1320nm波段的窄带种子激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：所述980nm泵浦激光器(6)的输出端口与光纤合束器(7)的泵浦端口连接，所述光纤合束器(7)的输出端口与光纤强反射镜(8)输入端口相连，所述光纤强反射镜(8)的输出端口与稀土掺杂光纤(9)的输入端口相连，所述稀土掺杂光纤(9)的输出端口与光纤弱反射镜(10)的输入端口相连；
所述光纤弱反射镜(10)的输出端口与光纤随机激光反射镜(2)的输入端口相连，所述光纤随机激光反射镜(2)的输出端口与长距离单模通信光纤(3)的输入端口相连；所述长距离单模通信光纤(3)中安装光纤光栅传感单元(4)；所述波长解调模块(5)的输入端口与光纤合束器(7)的信号端口相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：所述光纤强反射镜(8)包括工作中心波长为1050～1095nm和1280～1320nm的强反射光纤光栅，所述强反射光纤光栅为反射率大于80％的光纤光栅；光纤弱反射镜(10)采用工作中心波长为1050～1095nm和1280～1320nm弱反射光纤光栅，所述弱反射光纤光栅为反射率小于30％的光纤光栅。
4.根据权利要求3所述的一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：所述稀土掺杂光纤(9)包括掺镱光纤和掺镨光纤，所述掺镱光纤的长度长于掺镨光纤。
5.根据权利要求3所述的一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：所述稀土掺杂光纤(9)包括镱镨共掺光纤，所述镱镨共掺光纤中镱离子浓度高于谱离子。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：所述光纤随机激光反射镜(2)，包括中心波长为1100～1130nm、1160～1180nm和1220～1240nm的三个强反射光纤光栅，所述强反射光纤光栅为反射率大于80％的光纤光栅。
7.根据权利要求6所述的一种基于超连续谱光纤的长距离传感系统，其特征在于：所述光纤光栅传感单元(4)包括不同中心波长的光纤光栅。
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