CN112683312A - 一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，包括激光器、偏振控制器、第一可变光衰减器、电光调制器、脉冲发生器、偏压控制器、光纤耦合器、第二可变光衰减器、第一掺铒光纤放大器、第一隔离器、第一光栅滤波器、第三可变光衰减器、多模光纤环形器、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二光栅滤波器、第四可变光衰减器、扰偏器、多模传感光纤、光电检测器、带通滤波器、数据采集装置和数据处理终端；本发明利用光纤中的瑞利散射信号与自发布里渊散射信号相互作用，消除了光源频率漂移的影响，稳定性好，而且无需移频参考光路，简化了系统结构。

Description

一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计

技术领域

本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计。

背景技术

在电力、石油、桥梁、铁路等行业中，分布式光纤传感技术凭借光纤的体积小、重量轻、抗电磁干扰、可同时作为传感和传输元件的特点，以及分布式测量和故障点定位能力，已经引起了广泛地关注，并成功地应用于上述领域中。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术根据探测信号的不同，分为布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)。与探测受激布里渊散射信号的布里渊光时域分析不同，布里渊光时域反射探测的是自发布里渊散射信号，系统结构简单，只需单端测量即可满足工程实际的需要，但自发布里渊散射信号较微弱，在布里渊光时域反射中通常采用相干外差检测的方式来进行信号的获取和处理，即通过检测移频后的参考光与光纤中自发布里渊散射光的拍频信号进行检测。但是参考光与经历了传感过程的自发布里渊散射光在外差检测过程中会受到光源频率漂移等因素的影响，且相应的移频操作也会增加系统复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，利用光纤中的瑞利散射信号与自发布里渊散射信号相互作用，消除光源频率漂移的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，包括激光器、偏振控制器、第一可变光衰减器、电光调制器、脉冲发生器、偏压控制器、光纤耦合器、第二可变光衰减器、第一掺铒光纤放大器、第一隔离器、第一光栅滤波器、第三可变光衰减器、多模光纤环形器、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二光栅滤波器、第四可变光衰减器、扰偏器、多模传感光纤、光电检测器、带通滤波器、数据采集装置和数据处理终端；

所述激光器、偏振控制器、第一可变光衰减器和电光调制器依次连接，所述第一可变光衰减器输出端连接所述电光调制器输入端；

所述电光调制器，射频端连接所述脉冲发生器输出端，直流端连接所述偏压控制器输出端，输出端连接所述光纤耦合器输入端；

所述光纤耦合器输出端连接所述第二可变光衰减器输入端；所述光纤耦合器输出端还连接所述偏压控制器输入端；

所述第二可变光衰减器、第一掺铒光纤放大器、第一隔离器、第一光栅滤波器和第三可变光衰减器依次连接；

所述第三可变光衰减器输出端连接所述多模光纤环形器的第一光口；所述扰偏器连接所述多模光纤环形器的第二光口，所述多模传感光纤连接所述扰偏器；所述第二掺铒光纤放大器连接所述多模光纤环形器的第三光口；

所述第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二光栅滤波器、第四可变光衰减器、光电检测器、带通滤波器、数据采集装置和信号处理终端依次连接。

可选的，所述激光器为窄线宽激光器。

可选的，所述数据采集装置为数据采集卡。

可选的，所述信号处理终端为计算机。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明利用多模传感光纤中的瑞利散射信号与自发布里渊散射信号相互作用，消除了光源频率漂移的影响，稳定性好，而且无需移频参考光路，简化了系统结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1为本发明实施例一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计结构示意图；

1-窄线宽激光器，2-偏振控制器，3-第一可调光衰减器，4-电光调制器，5-脉冲发生器，6-偏压控制器，7-光纤耦合器，8-第二可调光衰减器，9-第一掺铒光纤放大器，10-第一隔离器，11-第一光栅滤波器，12-第三可调光衰减器，13-多模光纤环形器，14-第二掺铒光纤放大器，15-第二隔离器，16-第二光栅滤波器，17-第四可调光衰减器，18-光电检测器，19-带通滤波器，20-数据采集卡，21-计算机，22-扰偏器，23-多模传感光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，利用光纤中的瑞利散射信号与自发布里渊散射信号相互作用，消除光源频率漂移的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计结构示意图，如图1所示，一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，包括窄线宽激光器1、偏振控制器2、第一可变光衰减器3、电光调制器4、脉冲发生器5、偏压控制器6、光纤耦合器7、第二可变光衰减器8、第一掺铒光纤放大器9、第一隔离器10、第一光栅滤波器11、第三可变光衰减器12、多模光纤环形器13、第二掺铒光纤放大器14、第二隔离器15、第二光栅滤波器16、第四可变光衰减器17、光电检测器18、带通滤波器19、数据采集卡20、计算机21、扰偏器22和多模传感光纤23；

所述窄线宽激光器1、偏振控制器2、第一可变光衰减器3和电光调制器4依次连接，所述第一可变光衰减器3输出端连接所述电光调制器4输入端；

所述电光调制器4，射频端连接所述脉冲发生器5输出端，直流端连接所述偏压控制器6输出端，输出端连接所述光纤耦合器7输入端；

所述光纤耦合器7输出端连接所述第二可变光衰减器8输入端；所述光纤耦合器7输出端还连接所述偏压控制器6输入端；

所述第二可变光衰减器8、第一掺铒光纤放大器9、第一隔离器10、第一光栅滤波器1和第三可变光衰减器12依次连接；

所述第三可变光衰减器12输出端连接所述多模光纤环形器13的第一光口；所述扰偏器22连接所述多模光纤环形器13的第二光口，所述多模传感光纤23连接所述扰偏器22；所述第二掺铒光纤放大器14连接所述多模光纤环形器13的第三光口；

所述第二掺铒光纤放大器14、第二隔离器15、第二光栅滤波器16、第四可变光衰减器17、光电检测器18、带通滤波器19、数据采集卡20和计算机21依次连接。

其工作过程为：窄线宽激光器1作为激光源，其输出光信号先经偏振控制器2偏振后，由第一可调光衰减器3调节到合适的光功率，再输入到电光调制器4；电光调制器4的射频端连接的脉冲发生器5用于产生根据传感光纤确定的相应占空比和频率的脉冲信号；电光调制器4的直流端接收来自偏压控制器6的电信号，该电信号用于调节和锁定电光调制器4的工作点；而偏压控制器6的输入光信号来自于光纤耦合器7的输出端。光纤耦合器7的输出端还经第二可调光衰减器8连接第一掺铒光纤放大器9和第一隔离器10，第一隔离器10用于防止反向传输的光信号损坏第一掺铒光纤放大器9。被放大的光信号由第一光栅滤波器11滤除自发辐射噪声后再由第三可调光衰减器12调节光功率，使实际入纤光功率小于受激布里渊散射(SBS)阈值，保证光纤中不会发生布里渊散射效应。由第三可调光衰减器12调节光功率的光信号再经多模光纤环形器13第一光口输入，多模光纤环形器13第二光口输出进入扰偏器22，光信号的偏振态被扰偏器22扰乱后进入多模传感光纤23，此时光纤中会同时产生瑞利散射光和自发布里渊散射光。瑞利散射光和自发布里渊散射光经多模光纤环形器13第三光口输出后，经第二掺铒光纤放大器14和第二隔离器15并由第二光栅滤波器16滤除自发辐射噪声后，通过第四可调衰减器17调节到合适的光功率后，进入光电检测器18进行相干检测，光电检测器18输出电信号由带通滤波器19进行滤波后，由数据采集卡20进行数据采集，并在计算机21中进行数据处理，根据布里渊频移(BFS)与温度/应变的线性关系解调出相应的参量，从而实现分布式的传感测量。

本发明还具有以下优点：

1)传统布里渊分布式光纤传感多采用单模光纤，系统入纤光功率受限于受激布里渊散射(SBS)阈值，影响了系统信噪比和传感距离。而多模光纤的SBS阈值远高于单模光纤，能够有效地提高入纤光功率；

2)多模光纤的特性使得其内部能够传输多个模式，各个模式的光形状相同而相位不同。传感系统中在光纤始端检测到的背向散射光是各模式在光纤中产生的散射光的叠加，即增加了相位的多样性，从而可降低相干衰落噪声；

3)相较于单模光纤，多模光纤的布里渊散射谱更宽，这将有利于增大温度或应变等参量的测量范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，其特征在于，包括激光器、偏振控制器、第一可变光衰减器、电光调制器、脉冲发生器、偏压控制器、光纤耦合器、第二可变光衰减器、第一掺铒光纤放大器、第一隔离器、第一光栅滤波器、第三可变光衰减器、多模光纤环形器、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二光栅滤波器、第四可变光衰减器、扰偏器、多模传感光纤、光电检测器、带通滤波器、数据采集装置和数据处理终端；

所述激光器、偏振控制器、第一可变光衰减器和电光调制器依次连接，所述第一可变光衰减器输出端连接所述电光调制器输入端；

所述电光调制器，射频端连接所述脉冲发生器输出端，直流端连接所述偏压控制器输出端，输出端连接所述光纤耦合器输入端；

所述光纤耦合器输出端连接所述第二可变光衰减器输入端；所述光纤耦合器输出端还连接所述偏压控制器输入端；

所述第二可变光衰减器、第一掺铒光纤放大器、第一隔离器、第一光栅滤波器和第三可变光衰减器依次连接；

所述第三可变光衰减器输出端连接所述多模光纤环形器的第一光口；所述扰偏器连接所述多模光纤环形器的第二光口，所述多模传感光纤连接所述扰偏器；所述第二掺铒光纤放大器连接所述多模光纤环形器的第三光口；

所述第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二光栅滤波器、第四可变光衰减器、光电检测器、带通滤波器、数据采集装置和信号处理终端依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，其特征在于，所述数据采集装置为数据采集卡。

4.根据权利要求1所述的一种基于多模光纤的布里渊光时域反射计，其特征在于，所述信号处理终端为计算机。

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