CN114608631B - 一种布里渊光时域反射传感装置 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种布里渊光时域反射传感装置，包括包括第一激光器、第二激光器、四个光纤耦合器、微波频率计、传感光纤、扰偏器、平衡探测单元、外调制器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器、数据采集单元、脉冲驱动器，第一、第二激光器的输出端分别与第一、第二光纤耦合器相连，第三光纤耦合器外接有微波频率计，第一光纤耦合器依次与外调制器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器相连，脉冲驱动器与外调制器相连，光纤环形器外接有传感光纤，第二光纤耦合器外接有扰偏器，扰偏器外接有第四光纤耦合器，第四光纤耦合器与平衡探测单元、数据采集单元相连。本发明能够实现微弱信号探测，实现长距离、高精度测量，具有更好的稳定性以及环境温度适应性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种布里渊光时域反射传感装置。
背景技术
基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术是一种新型的在线监测技术，其直接以单模光纤作为传感器，传、感合一，可以实现光纤沿线的温度、应变测量，具有测量距离远、无测量盲区、测量精度高等技术优势。根据测量机理不同，基于布里渊散射效应的分布式光纤传感装置可以分成两大类，基于自发布里渊散射效应的布里渊光时域反射传感装置BOTDR以及受激布里渊散射效应的布里渊光时域分析传感装置BOTDA。其中BOTDR只需要一芯光纤，BOTDA需要两芯光纤构成测量环路。在实际应用中，布里渊光时域反射传感装置BOTDR不会因光纤断裂而造成整个监测系统完全失效，装置的鲁棒性更优。由于自发布里渊散射信号非常微弱，如何实现长距离、高精度测量是目前布里渊光时域反射传感装置的研发难点。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种长距离、高精度的布里渊光时域反射传感装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种布里渊光时域反射传感装置，包括第一激光器、第二激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、微波频率计、传感光纤、扰偏器、平衡探测单元、外调制器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器、第四光纤耦合器、数据采集单元、脉冲驱动器，所述第一激光器的输出端与所述第一光纤耦合器的输入端相连，所述第二激光器的输出端与所述第二光纤耦合器的输入端相连，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器的其一输出端外接有第三光纤耦合器的输入端，所述第三光纤耦合器的输出端外接有微波频率计，所述第一光纤耦合器的另一输出端依次与外调制器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器的第一端口相连，所述脉冲驱动器与所述外调制器相连，所述光纤环形器的第二端口外接有传感光纤，所述第二光纤耦合器的另一输出端外接有扰偏器的输入端，所述光纤环形器的第三端口和所述扰偏器的输出端外接有第四光纤耦合器的输入端，所述第四光纤耦合器的输出端依次与平衡探测单元、数据采集单元相连。
在本发明中，优选地，所述第一激光器和第二激光器为窄线宽半导体激光器，线宽为5kHz～1MHz，并且第一激光器和第二激光器的中心频率差值为9-13GHz。通过改变第一激光器或/和第二激光器的工作电流或/和温度可以实现第一激光器和第二激光器的中心频率差值的变化。
在本发明中，优选地，所述微波频率计包括超宽带光电探测器和分频器，频率探测范围覆盖9-13GHz，可实现1～10MHz频率步长的探测。超宽带光电探测器的光强—电压转换效率较小，为满足分频器测量需要，入射光强不能太小。
在本发明中，优选地，所述外调制器为电光调制器EOM或者半导体光放大器SOA。电光调制器EOM以及半导体光放大器SOA的响应速度快，可以将连续激光调制为窄脉宽的激光脉冲。
在本发明中，优选地，所述光纤环形器的第三端口与第四光纤耦合器的其一输入端之间设置有第二掺铒光纤放大器，对传感光纤的背向自发布里渊散射信号进行放大。
在本发明中，优选地，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为1×2保偏光纤耦合器，分光比不小于10：90。由于外调制器输出的激光脉冲的消光比会直接影响背向布里渊散射信号，而第一激光器输出的激光是线偏振光，第一光纤耦合器的另一输出端与外调制器的输入端相连，当外调制选用电光调制器EOM时，为获得更高的消光比，要求入射激光的偏振态保持稳定，因此第一光纤耦合器宜优选1×2保偏光纤耦合器。此外，第三光纤耦合器的输出端的光信号是第三光纤耦合器的输入端的两路激光的拍频信号，同样要求第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的输出端的激光的偏振态保持稳定。
在本发明中，优选地，所述第三光纤耦合器为1×2光纤耦合器，分光比为50:50。
在本发明中，优选地，所述第四光纤耦合器为2×2光纤耦合器，分光比为50:50。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过第一激光器、第二激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器与微波频率计之间的相互配合，通过改变第一激光器或/和第二激光器的工作电流或/和温度，利用光学方式将第一激光器、第二激光器发出的激光频率锁定在传感光纤的布里渊频谱扫描范围内，具有更好的稳定性以及环境温度适应性。第一激光器发出的连续激光，依次经第一光纤耦合器、外调制器、第一掺铒光纤放大器后，变成高功率、窄脉宽的激光脉冲，然后经光纤环形器的第一、第二端口后进入传感光纤，从传感光纤的背向自发布里渊散射信号，经光纤环形器的第三端口进入第四光纤耦合器的其一输入端；第二激光器发出的连续激光，依次经第二光纤耦合器、扰偏器后作为本振光进入第四光纤耦合器的另一输入端；第四光纤耦合器的输出端进入平衡探测单元及数据采集单元，通过外差相干检测技术，实现微弱信号探测。当第一激光器、第二激光器发出的激光的中心频率差值等于传感光纤的布里渊频率时，本振光的能量将向背向自发布里渊散射信号转移，有效放大了微弱的背向自发布里渊散射信号，实现长距离、高精度布里渊散射信号测量。根据传感光纤的布里渊频率的变化量，可以实现沿光纤分布的温度、应变测量。在光纤环形器的第三端口后设置第二掺铒光纤放大器，可以对传感光纤的背向自发布里渊散射信号预放大，进一步提升外差相干检测技术优势。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种布里渊光时域反射传感装置的结构示意图。
图中：1、第一激光器；2、第二激光器；3、第一光纤耦合器；4、第二光纤耦合器；5、第三光纤耦合器；6、微波频率计；7、传感光纤；8、扰偏器；9、平衡探测单元；10、外调制器；11、第一掺铒光纤放大器；12、光纤环形器；13、第四光纤耦合器；14、第二掺铒光纤放大器；15、数据采集单元；16、脉冲驱动器。
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。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明提供一种布里渊光时域反射传感装置，布里渊光时域反射传感装置包括第一激光器1、第二激光器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、微波频率计6、传感光纤7、扰偏器8、平衡探测单元、外调制器10、第一掺铒光纤放大器11、光纤环形器12、第四光纤耦合器13、数据采集单元15、脉冲驱动器16，第一激光器1的输出端与第一光纤耦合器3的输入端相连，第二激光器2的输出端与第二光纤耦合器4的输入端相连，第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4的其一输出端外接有第三光纤耦合器5的输入端，第三光纤耦合器5的输出端外接有微波频率计6，第一光纤耦合器3的另一输出端依次与外调制器10、第一掺铒光纤放大器11、光纤环形器12的第一端口相连，脉冲驱动器16与外调制器10相连，光纤环形器12的第二端口外接有传感光纤7，第二光纤耦合器4的另一输出端外接有扰偏器8的输入端，光纤环形器12的第三端口和扰偏器8的输出端外接有第四光纤耦合器13的输入端，第四光纤耦合器13的输出端依次与平衡探测单元9、数据采集单元15相连，通过设置扰偏器8使得激光的偏振态均匀化从而消除外差相干检测技术的偏振相关噪声，第一激光器1发出的连续激光，依次经第一光纤耦合器3、外调制器10、第一掺铒光纤放大器11、光纤环形器12后进入传感光纤7，从传感光纤7的背向自发布里渊散射信号与第二激光器2发出并经过扰偏器8的连续激光在第四光纤耦合器13后相互作用，由平衡探测单元9接收，实现微弱信号的光电转换，最终经过数据采集单元15处理分析，得到传感光纤7的布里渊频率分布。光纤中的布里渊散射效应是注入光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合作用而产生的一种非线性光散射现象，布里渊移频与波长、声速、折射率存在对应关系，当环境温度改变或者光纤发生形变时，光纤中的声速和光的折射率都会随之而变，进而使得布里渊频率会发生漂移。
在本实施例中，进一步地，第一激光器1和第二激光器2为窄线宽半导体激光器，线宽为5kHz～1MHz，并且第一激光器1和第二激光器2的中心频率差值为9-13GHz。第一激光器1和第二激光器2的线宽不能太窄，低于5kHz时容易导致受激布里渊效应，同时线宽也不能太宽，超过1MHz时激光的相位噪声过大容易劣化外差相干检测的效果。通过改变第一激光器1或/和第二激光器2的工作电流或/和温度可以实现第一激光器1和第二激光器2的中心频率差值的变化。作为优选，本实施例中改变第一激光器1的工作电流，从100mA～110mA变化，电流变化步长为0.1mA，实现频率扫描步长为5MHz。在本实施例中，进一步地，微波频率计6包括超宽带光电探测器和分频器，频率探测范围覆盖9-13GHz，可实现1～10MHz频率步长的探测。作为优选，微波频率计6包括的超宽带光电探测器选用光纤耦合输出的InGaAs探测器，成本更加经济。用于超宽带光电探测器的光强—电压转换效率较小，为满足分频器测量需要，入射光强不能太小。本实施例中，对第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4的分光比为10:90，即第一激光器1和第二激光器2发出的连续激光各有10％的光强进入第二光纤耦合器5，满足分频器测量需要。
在本实施例中，进一步地，外调制器10为电光调制器EOM或者半导体光放大器SOA。电光调制器EOM以及半导体光放大器SOA的响应速度快，可以将连续激光调制为窄脉宽的激光脉冲。作为优选，外调制器10为半导体光放大器SOA可以实现高消光比的激光脉冲，并且不需要复杂的偏置电压动态调整电路，可靠性更佳。
在本实施例中，进一步地，光纤环形器12的第三端口与第四光纤耦合器13的其一输入端之间设置有第二掺铒光纤放大器14，对传感光纤7的布里渊散射信号进行放大。作为优选，第二掺铒光纤放大器14选用前置放大型掺铒光纤放大器。
在本实施例中，进一步地，第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4为1×2保偏光纤耦合器，分光比不小于10：90。由于外调制器输出的激光脉冲的消光比会直接影响背向布里渊散射信号，而第一激光器输出的激光是线偏振光，第一光纤耦合器的另一输出端与外调制器的输入端相连，当外调制选用电光调制器EOM时，为获得更高的消光比，要求入射激光的偏振态保持稳定，因此第一光纤耦合器宜优选1×2保偏光纤耦合器。此外，第三光纤耦合器的输出端的光信号是第三光纤耦合器的输入端的两路激光的拍频信号，同样要求第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的输出端的激光的偏振态保持稳定。
在本实施例中，进一步地，第三光纤耦合器5为1×2光纤耦合器，分光比为50:50。
在本实施例中，进一步地，第四光纤耦合器13为2×2光纤耦合器，分光比为50:50。
本发明的工作原理和工作过程如下：工作时，第一激光器1发出中心频率为f1的连续激光，经第一光纤耦合器3分光，其中一路连续激光进入外调制器10，脉冲驱动器16作用在外调制器10上将连续激光调制为脉冲激光，脉冲激光经过第一掺铒光纤放大器11放大后，经光纤环形器12后入射到传感光纤7上；另外一路连续激光进入第三光纤耦合器5的一路输入端。
第二激光器2发出中心频率为f2的连续激光，经第二光纤耦合器4分光，其中一路连续激光通过扰偏器8后作为本振光进入2×2光纤耦合器的一路输入端；另外一路连续激光进入第三光纤耦合器5的另一路输入端。通过设置扰偏器8使得激光的偏振态均匀化从而消除外差相干检测技术的偏振相关噪声。第三光纤耦合器5的输出端连着微波频率计6，实现第一激光器和第二激光器的中心频率差值的实时测量。通过改变第一激光器或/和第二激光器的工作电流或/和温度，利用光学方式将第一激光器、第二激光器发出的激光频率锁定在传感光纤的布里渊频谱扫描范围内，并且频率扫描步长可根据需要设置为1～10MHz。
传感光纤7设置为单模光纤。传感光纤7的背向自发布里渊散射光，经光纤环形器12后，进入第二掺铒光纤放大器14预放大，然后进入2×2光纤耦合器的另一路输入端，2×2光纤耦合器的输出端连着平衡探测单元9，通过外差相干检测技术，实现微弱信号探测。当第一激光器1、第二激光器2发出的激光的中心频率差值等于传感光纤的布里渊频率时，本振光的能量将向背向自发布里渊散射信号转移，有效放大了微弱的背向自发布里渊散射信号。平衡探测单元9的输出信号进入数据采集单元15，通过数据采集单元15能够实现各个频率下的布里渊散射散射分布曲线，经过寻峰算法，可以实现沿光纤分布式的布里渊频率的测量，从而实现光纤沿线温度、应变测量。以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述布里渊光时域反射传感装置包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、微波频率计(6)、传感光纤(7)、扰偏器(8)、平衡探测单元(9)、外调制器(10)、第一掺铒光纤放大器(11)、光纤环形器(12)、第四光纤耦合器(13)、数据采集单元(15)、脉冲驱动器(16)，所述第一激光器(1)的输出端与所述第一光纤耦合器(3)的输入端相连，所述第二激光器(2)的输出端与所述第二光纤耦合器(4)的输入端相连，所述第一光纤耦合器(3)和所述第二光纤耦合器(4)的其一输出端外接有第三光纤耦合器(5)的输入端，所述第三光纤耦合器(5)的输出端外接有微波频率计(6)，所述第一光纤耦合器(3)的另一输出端依次与外调制器(10)、第一掺铒光纤放大器(11)、光纤环形器(12)的第一端口相连，所述脉冲驱动器(16)与所述外调制器(10)相连，所述光纤环形器(12)的第二端口外接有传感光纤(7)，所述第二光纤耦合器(4)的另一输出端外接有扰偏器(8)的输入端，所述光纤环形器(12)的第三端口和所述扰偏器(8)的输出端外接有第四光纤耦合器(13)的输入端，所述第四光纤耦合器(13)的输出端依次与平衡探测单元(9)、数据采集单元(15)相连。
2.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第一激光器(1)和第二激光器(2)为窄线宽半导体激光器，线宽为5kHz～1MHz，并且第一激光器和第二激光器的中心频率差值为9-13GHz。
3.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述微波频率计(6)包括超宽带光电探测器和分频器，频率探测范围覆盖9-13GHz，可实现1～10MHz频率步长的探测。
4.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述外调制器(10)为电光调制器EOM或者半导体光放大器SOA。
5.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述光纤环形器(12)的第三端口与第四光纤耦合器(13)的其一输入端之间设置有第二掺铒光纤放大器(14)，对传感光纤(7)的布里渊散射信号进行放大。
6.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第二光纤耦合器(4)与扰偏器(8)之间设置有电控可调衰减器。
7.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器(3)和第二光纤耦合器(4)为1×2保偏光纤耦合器，分光比不小于10：90。
8.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第三光纤耦合器(5)为1×2光纤耦合器，分光比为50:50。
9.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第四光纤耦合器(13)为2×2光纤耦合器，分光比为50:50。
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| JP2009139241A (ja) * | 2007-12-06 | 2009-06-25 | Univ Of Tokyo | 光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法 |
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2022
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于微光纤技术的小型多功能集成化光纤器件;徐飞;;应用科学学报;20170730(04);全文 * |
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