CN115210530A - 用于光学应变测量的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种位置相关的应变测量系统使用干涉仪检测随光学传感光纤中的位置而变化的应变，该干涉仪具有耦合到光学传感光纤的第一端的输入端。电子相位测量子系统耦合到干涉仪的输出端。电子相位测量子系统定义了干涉仪的输入光的可用光强度范围，其中，电子相位测量子系统能够测量输入光的相位。光泵浦光纤放大器与电泵浦半导体光放大器串联耦合在光学传感光纤的第一端和干涉仪的输入端之间。该电泵浦半导体光放大器具有与可用光强度范围重叠的非线性强度放大范围。光泵浦光纤放大器被配置成将来自光学传感光纤的反向散射光的强度放大到非线性强度放大范围内。
Description
本申请要求2019年12月27日提交的欧洲专利申请号EP19219909.9的优先权。
技术领域
本发明涉及一种系统和方法，该系统和方法用于根据来自光学传感光纤内的位置的光的反向散射来测量光学传感光纤中的应变的位置相关测量。
背景技术
已知使用来自光学传感光纤内的瑞利散射光来执行位置相关的应变变化测量。长传感光纤(长达数十公里)可以用于应变变化测量的实际应用，例如监测桥梁、建筑等结构的结构变形，或者通过埋在地下的传感光纤来探测入侵者。
瑞利散射是由于光学传感光纤中随机分布的散射中心造成的。当光脉冲被传输到传感光纤的一端时，脉冲的分布式散射在该端产生返回的光，其相位和强度随时间的变化而波动。不同反向散射强度的出现频率由随反向散射强度而变化的强度分布来表征。对于任何给定时间的返回光，由于散射中心在距传感光纤端部的选定距离处，因此脉冲传播该距离所需的时间是给定时间的一半。
在传感系统中，传感光纤在该距离处的局部应变是通过检测沿光纤不同位置的散射光之间的光学相位差变化来确定的。只要位置之间的距离保持不变，该相位差就保持不变。但是，如果由于位置之间的光纤应变而导致距离发生变化，则相位差会发生变化。
来自成对的不同位置的散射光之间的光学相位差可以通过沿不同长度的光程馈送来自光学传感光纤的反向散射光并检测来自这些不同光程的光之间的干涉来确定。这样的干涉产生的单一强度取决于相位差和(波动的)散射强度。然而，光学相位差可以通过对从沿光程的反向散射光获得的光电信号进行数字化来计算，这些光电信号包括沿不同光程的反向散射光之间的至少一个干涉信号。这种数字化定义了可用光强度组合的范围，从其可以确定相位。
优先采用高采样频率来实现高空间分辨率(例如，对于大约1m的空间分辨率，大约100MHz采样频率)。然而，散射瑞利强度较低。使用市售的光通信光纤是期望的。但是这样的光纤中的散射很小，因为它是被有意最小化的，因为散射对于通信目的来说是不希望有的影响。相反，通常使用特别设计的光纤，其中沿光纤的散射不是非常低。
为了获得可用光强度范围内的强度，已知的是放大反向散射光并对放大的反向散射光进行相位测量。为此需要相当大的放大倍数。可以通过在光学传感光纤和干涉仪之间添加泵浦光纤放大器(例如掺铒光纤放大器(EDFA)或其他光泵浦光放大器)来提供放大。一般来说，由于EDFA具有高增益和高输出，因此是光纤应用中放大的标准技术。
然而，在实践中，这仍然不能对沿光学传感光纤的所有位置进行相位测量。在某些位置，强度可能在可用光强度组合的范围之外。因此，作为非常长的光学传感光纤的一个示例，来自光学传感光纤端部附近位置的反向散射强度可能经常下降到可用的光学强度组合的范围以下。对于沿光学传感光纤的大量位置的测量，可以使用控制电路来在某些时间间隔内提高光纤放大器的增益(其中，干涉仪输入端的强度会上升到可用的光强度范围以上)，并在某些时间间隔内降低光纤放大器的增益(其中，干涉仪输入端的强度将下降到可用的光强度范围以下)。但是已经发现，这仅仅改善了沿光纤的瑞利散射强度的包络，而仍然不能对沿光学传感光纤的所有位置进行相位测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种位置相关的应变测量系统，其中沿光学传感光纤的大量位置的相位测量是可能的。
提供了根据权利要求1所述的位置相关的应变测量系统。该系统使用来自光学传感光纤内的瑞利反向散射来测量应变。在本文中，光泵浦光纤放大器和电泵浦半导体光放大器和/或非线性光吸收器在干涉仪光程分离之前的串联布置用于确保在至少一个检测器处可从瑞利反向散射强度的平均强度获得的强度的相干组合将在电子相位测量子系统的检测器的可用范围内。
这可通过用于相应光程的电泵浦半导体光放大器和/或非线性光吸收器替代性的完成。当使用用于相应光程的电泵浦半导体光放大器和/或非线性光吸收器时，光泵浦光纤放大器也可以由用于相应光程的光泵浦光纤放大器代替。可以设置光泵浦光纤放大器的放大因子，以确保相干组合在例如电子相位测量子系统的检测器的可用范围内。
在足够可靠的相位确定及其最高可量化强度水平所需的可获得的相干组合下，检测器根据量化步长的预定最小值(例如，至少五十或一百个量化步长)来定义可用范围。应该注意的是，该可用范围仅用于表示通过放大的平均瑞利反向散射强度的名义相干组合可获得的强度的条件，而不是实际强度的其他组合。
一个或多个电泵浦半导体光放大器和/或一个或多个非线性光吸收器耦合在一个或多个光泵浦光纤放大器和电子相位测量子系统之间。因为这提供了光强度相关的导数传输因子导致瑞利反向散射光强度分布的较高强度部分被压缩到瑞利反向散射光强度分布的相对于较低强度部分(如本文所使用的，光强度相关的导数传输因子是传输光强度相对于电泵浦半导体光放大器或非线性光吸收器的输入光强度的导数)。因此，瑞利反向散射光强度的更宽的强度波动范围可以用于检测相位变化，从而减少不可能进行可靠相位测量的位置的数量。
在实施例中，一个或多个光泵浦光纤放大器的放大被设置成使可从一个或多个电泵浦半导体光放大器和/或一个或多个非线性光吸收器的输入端处的瑞利反向散射强度的平均强度获得的光强度达到一个强度，在该强度下，光强度相关的导数传输因子小于一个或多个电泵浦半导体光放大器和/或一个或多个非线性光吸收器的小信号传输因子的一半。导数传输因子甚至可以小于小信号传输因子的四分之一，或者小于小信号传输因子的四分之一(如本文所使用的，小信号传输因子是当强度变为零时光强度相关的导数传输因子的导数的渐近值)。通过将平均值放大到这样的水平，可以实现较低强度范围的显著扩大(在这种情况下，可靠的相位测量是可能的)。
电泵浦的一个或多个半导体光放大器和/或一个或多个非线性光吸收器可以由饱和光输出强度来表征(即，在无限输入强度的极限中输出强度的渐近值，或者对于任何可允许的输入强度所达到的输出强度的最高值)。饱和光输出强度可以被配置成导致来自至少一个检测器处的各个光程的强度等于或小于可用范围的最高强度的四分之一。因此，具有这样的强度的光的相干和的强度不会超过饱和值。这确保了高反向散射强度不会妨碍精确的相位测量。
在实施例中，电子相位测量子系统包括：N路耦合器，其中N至少为3，该N路耦合器被配置成形成来自第一光程和第二光程的具有N个不同相对相移的光的N个组合；N个检测器，该N个检测器被配置成测量N个组合中相应组合的强度；以及计算系统，该计算系统被配置成根据所测量的强度计算来自第一光程和第二光程的光之间的相位差。假设这样的组合的最大可能强度在可用范围内，这样的子系统可以消除光程中的光强度对相位确定的影响。
在长光纤中，随着距光纤输入端和散射点的距离增加，强度可能会显著降低。在实施例中，平均值是来自光纤的远端部分的反向散射强度的平均值。通过设置放大以确保该远端部分(例如在光纤的最后一百米中)的平均反向散射强度，可以减少不可能进行可靠相位测量的点的数量。
在实施例中，测量系统包括增益控制电路，该增益控制电路被配置成从光脉冲随时间改变一个或多个光泵浦光纤放大器的放大因子，使得电子相位测量子系统处的瑞利反向散射强度的时间相关平均值保持在可用强度范围内。增益控制电路可以提供例如具有预定时间相关性的放大因子，或者基于随时间而变化的平均值的检测来提供反馈控制。
在实施例中，该系统包括用于在进入干涉仪之前分别用半导体光放大器或者半导体光放大器和另一半导体光放大器的组合来放大光泵浦光放大器的输出光的两个偏振分量的装置。这增加了信噪比。
在实施例中，这些装置包括：偏振分路器，该偏振分路器的输入端耦合到该光泵浦光纤放大器的输出端，第一偏振输出端耦合到半导体光放大器的输入端；偏振旋转器，该偏振旋转器的输入端耦合到偏振分路器的第二偏振输出端；另一电泵浦半导体光放大器，该电泵浦半导体光放大器的输入端耦合到偏振旋转器的输出端；以及光组合器，该光组合器的输入端耦合到电泵浦半导体光放大器和另一电泵浦半导体光放大器的输出端，该光组合器的输出端耦合到干涉仪。在另一实施例中，该系统包括：偏振分路器，该偏振分路器的输入端耦合到光泵浦光纤放大器的输出端；偏振旋转器，该偏振旋转器的输入端耦合到偏振分路器的第一偏振输出端；以及光组合器，该光组合器的输入端耦合到偏振分路器的第二偏振输出端和偏振旋转器的输出端，该光组合器的输出端耦合到半导体光放大器的输入端。
在实施例中，光泵浦光纤放大器是瞬态抑制光纤放大器。这防止了由于来自光纤输入端的反向散射强度突然增加而引起的问题。
附图说明
通过参考以下附图对示例性实施例的描述，本发明的这些目的和其他目的以及有利方面将变得显而易见。
图1，1a示出了应变变化测量系统；
图2示出了瑞利反向散射强度和非线性光学放大器的响应；
图3示出了双半导体光放大器配置；
图3a示出了偏振均衡器之前的半导体光放大器。
具体实施方式
图1和图1a示出了应变变化测量系统，该系统包括脉冲光源10、光学传感光纤12、光纤放大器单元14、半导体光学放大器16和干涉测量子系统18。脉冲光源10的输出端耦合到光学传感光纤12的第一端。光学传感光纤12的第一端进一步耦合到光纤放大器单元14的输入端，以放大通过光学传感光纤12的第一端从光学传感光纤12内返回的光。当脉冲光源10和返回的光沿相同的光程在相反的方向上传播时，该光程中的光耦合器件用于将部分或全部的返回的光引导至光纤放大器单元14。作为示例，为此目的，在脉冲光源10和光学传感光纤12之间示出了光学循环器11，但是替代性地，可以使用另一种类型的耦合器，例如分路器。
光纤放大器单元14可以包括一个或多个串联的光纤放大器，例如低噪声前置放大器和另一光纤放大器。光纤放大器单元14的输出端耦合到半导体光放大器16的输入端。半导体光放大器16的输出端耦合到干涉测量子系统18。
优选是，光纤放大器单元14是光泵浦放大器，例如EDFA或YDFA，其包括泵浦光源，该泵浦光源被配置成将泵浦光提供到光纤部分中的掺杂区域，来自光学传感光纤12的反向散射光通过该光纤部分传播到半导体光学放大器16。
而半导体光放大器16是电泵浦放大器，最好在平面衬底上实现，其中泵浦信号由电子电路提供。当半导体光放大器16在平面衬底上实现时，测量系统包括半导体光放大器16和光纤放大器单元14之间的光纤衬底接口，且优选是，包括半导体光放大器16和干涉测量子系统18或干涉测量子系统18的部分之间的光纤衬底接口。
在电泵浦的半导体光放大器中，放大取决于提供受激发射的状态的占据数。由于泵浦和发射之间平衡的改变，该占据数随着放大的光的强度的增加而减少。通常，电泵浦半导体光放大器不能输出超过预定的最大光强度水平，并且其非线性可以进一步由其输入端处的光强度来表征，这导致输出端处的预定最大光强度水平的一半。
可以使用非线性吸收器或者半导体光放大器和非线性吸收器的串联连接来代替半导体光放大器16。这样的实施例可以用类似于图1的图来说明，除了在光路中的项目16被替换为非线性吸收器或者半导体光放大器和光程中非线性吸收器的串联组合。
对吸收有线性贡献的效应的一个示例是双光子吸收，它涉及吸收两个光子以用于吸收体的单个吸收跃迁。这需要两个光子的可用性，因此随着光子可用性的增加而增加。它取决于吸收器处入射光强度的平方。参见(参见https://en.wikipedia.org/wiki/Two-photon_absorption)和J Almeida等人在《Optics Express》17221(第19卷第18期)中的“Third-order nonlinear spectra and optical limiting of lead oxifluoroborateglasses(氟硼酸铅玻璃的三阶非线性光谱和光限幅)”。
在其他示例中，非线性吸收器吸收的非线性可能取决于某些状态的占据数。当增加的光强度改变了占据数，从而使得更多吸收过程成为可能，这可能导致吸收非线性地增加。
在操作中，脉冲光源10重复地将光脉冲传输到光学传感光纤12中，并且通过比较对返回的光的测量来检测应变变化，该返回的光是由于来自在不同时间点传输的脉冲的光的反向散射而以相同时间延迟接收的。
这样的测量本身是已知的。作为参考，将简要描述这样的方法。由于光学传感光纤12内的分布式瑞利散射，每一个返回光的光脉冲所需的返回时间是光在光学传感光纤12端部之间传播所需时间的两倍。
干涉测量子系统18测量从光学传感光纤12内的一对间隔开的位置返回的光之间的干涉，优选是，测量从光学传感光纤12内的一对间隔开的位置返回的光之间的相位差，并对连续的成对位置重复这一过程。连续的成对位置中的每一个都包括第一位置和与第一位置相距一定距离的第二位置。这导致对从光脉冲传输到光学传感光纤12中到反向散射光从连续的成对位置中的第一位置返回的连续时间延迟的干涉信号的测量。当在一对位置之间的光学传感光纤12中出现应变时，这将导致光纤长度的变化，并因此导致该对的干涉测量的变化。干涉测量子系统18比较使用在不同时间点传输的光脉冲获得的测量，以检测这样的应变变化。
大多数市售光纤都是为了最大限度地减少传输损耗而开发的。因此瑞利反向散射非常低。标准商用电信光纤(例如康宁SMF-28Ultra)的瑞利反向散射系数约为-80dB。反向散射信号的光强度非常低，对于基于瑞利散射的分布式动态应变测量系统，通常在-40dBm的量级。为了获得可检测的干涉信号，光纤放大器单元14，例如光泵浦EDFA或YDFA，可以用于显著放大反向散射信号的光强度，例如放大30至40dB。脉冲光源10可以被配置成产生波长为1550nm或1064nm的光，以最佳地利用这样的光纤放大器。实际上，当用于如此大的放大时，这样的光纤放大器增加了噪声，显著降低了信噪比。通过在前面放置具有较低放大倍数的低噪声光纤放大器，可以保持较高的信噪比。
可以使用任何类型的干涉测量子系统18。图1示出了测量简单双信号干扰的实施例。干涉测量子系统18的这个实施例包括第一光程180a和第二光程180b、光组合器181、光电检测器185、处理电路188和存储器189。光电检测器185包括模数转换器(如本文所使用的，这涵盖了模数转换器可以被称为处理电路188的一部分并转换来自光电检测器的信号的可能性)。干涉测量子系统18被配置成例如通过干涉相位测量子系统18中的分路器将来自半导体光学放大器16的放大的光分布在第一光程180a和第二光程180b上。第一光程180a和第二光程180b的输出端耦合到光组合器181。
经由第一光程180a和第二光程180b从半导体光放大器16到三路耦合器184的第一输入端和第二输入端的光程长度相差例如一米或多米。作为示例，在第二光程180b中示出了例如光纤线圈的延迟元件182，以提供光程长度差。
在操作中，光组合器181组合来自第一光程180a和第二光程180b的光，这些沿不同光程的光之间发生干涉。光电检测器185产生该强度的测量，并且处理电路188被配置成读出该强度并计算相位差。处理电路188具有耦合到光电检测器186a-c的输出端的输入端。对于应变位置的精确测量，例如至少100MHz的高测量带宽是期望的。光电检测器185执行模数转换。处理电路188可以在存储器189中存储来自光脉冲传输的不同延迟的强度值。
图1a示出了实施例，其中计算相位差而不是直接干涉强度。该实施例包括三路耦合器184而不是光组合器181，以及第一光电检测器186a、第二光电检测器186b和第三光电检测器186c。第一光程180a和第二光程180b的输出端耦合到三路耦合器184的第一输入端和第二输入端。三路耦合器184的第一输出端、第二输出端和第三输出端耦合到第一光电检测器、第二光电检测器和第三光电检测器186a-c。光电检测器186a-c包括模数转换器。处理电路188具有耦合到光电检测器186a-c的输出端的输入端。处理电路188进一步耦合到存储器189。
在操作中，三路耦合器184收集来自第一光程180a和第二光程180b的光，并以不同的相对相移在三路耦合器184的不同输出端输出。在三路耦合器184的每一个输出端处，来自不同光程的光之间发生干涉，并且这导致输出端处的光强度与输出端处的波矢量之和的绝对平方一致，这取决于来自第一光程180a和第二光程180b的光的各个强度、它们的相互偏振状态和它们的相位差。由于三路耦合器184所赋予的相对相移是已知的，所以有可能用数学方法抵消各个强度和可见度并根据三个输出端处的强度求解相位差。
尽管示出了使用相同的光纤放大器单元14和相同的半导体光放大器16来放大第一光程180a和第二光程180b的强度的优选实施例，但是应该注意的是，每一个光程180a、b可以在光程之前或之后具有其自己的半导体光放大器16。这样的半导体光放大器16可以具有相同的放大特性，但这不是必须的。作为半导体光学放大器16的替代或附加，每一个光程180a、b可以具有其自己的线性吸收器。当每一个光程180a、b具有其自己的半导体光放大器16和/或非线性吸收器时，它也可以在半导体光放大器16和/或非线性吸收器之前具有其自己的(部分)光纤放大器单元14。这种自己的(部分)光纤放大器单元14可以位于光程之前或之后。
光电检测器186a-c产生这些强度的数字化测量，并且处理电路188被配置成计算相位差。对于应变位置的精确测量，例如至少100MHz的高测量带宽是期望的。处理电路188可以被配置成在测量到达时实时计算相位差，但是这不是必需的：相反，可以将来自光电检测器186a-c的来自光脉冲传输的不同延迟的测量、或者中间结果存储在存储器189中，并且可以稍后计算相位差。处理电路188被配置成将从第一光脉冲的反向散射计算的相位差与从第一光脉冲和第二光脉冲的相同延迟的不同的第二光脉冲的反向散射计算的相位差进行比较。该比较的结果可以用于检测沿光学传感光纤12的应变变化的位置。该比较和/或位置检测可以在处理电路188或被编程为这样做的另一台或多台计算机(未示出)中执行。
尽管已经通过示例的方式描述了具有三路耦合器184的实施方式，但是应当注意，可以使用其他方法，例如使用不同类型的干涉仪。同样，使用三路耦合器184的其他实施方式也是可能的。例如，实施例可以与三路耦合器184的不同侧上的光电检测器和/或半导体光放大器相对侧上的光程一起使用。
使用相位测量而不仅仅是干涉强度是有利的，因为相位变化仅与长度变化线性相关，而干涉强度也与幅值变化相关。幅值可能以不可预测的方式取决于散射位置。计算相位值的使用使得定量的应变变化测量成为可能。
在每种情况下，需要对来自第一光程180a和第二光程180b的光的至少一种混合的强度的数字测量以及对其他强度的其他数字测量，其具有足够的精度来计算相位，即使180a、b中的幅值可能不可预测地改变。因此，模数转换定义了可通过检测器上的光的相干组合获得的强度的可用范围。如果通过相干组合获得的强度将具有超过模数转换器可以表示为数字结果的最高强度值的强度，或者如果该相干组合非常小，以至于低于信号大小(用于大小的精确表示)的模数转换器的量化步骤的阈值数量(例如，有效位太少)，则来自光程的光在可用范围之外。例如，如果信号在最低量化级别以上上至少有五十个(优选是一百个)量化步长，则信号处于可用范围内(例如，使得量化结果的至少六位或七位对于表示大小是有效的)。
可用范围定义了光电检测器185或186a-c的输入端处的名义相干组合的可用光强度范围，这将导致信号处于可用模数转换范围内。只有当来自第一光程180a和第二光程180b的光的波矢量的绝对大小的平方和在模数转换器186a-c的可用强度范围内时，才能进行可靠的计算。应当注意，可用范围内的强度不能确保可靠的相位测量。例如，如果一个位置的散射强度为零或太小，这是不可能的。
图2说明了瑞利反向散射测量的问题。反向散射强度随沿光学传感光纤12位置的变化快速波动。这取决于随位置而变化的散射中心的密度以及它们散射相位相加的方式。这产生了反向散射强度的概率密度20。反向散射强度可以被放大，使得其强度的波动范围22与模数转换器186a-c处的可用强度范围24重叠。但是波动范围太大，以至于放大无法将波动范围22适配到可用强度范围24内。当强度被放大使得波动范围的最高值不超过可用强度范围时，放大的最小反向散射强度保持在可用强度范围以下。反之亦然，当强度被放大使得波动范围的底部在可用强度范围内时，波动范围的放大的最高值在可用强度范围的最高值以上。在这两种情况下，精确的相变测量都是不可能的。
这个问题是通过在光纤放大器单元14和干涉相位测量子系统18之间的非线性工作范围内包括半导体光放大器16或非线性吸收器来解决的。半导体光放大器16在其输入端处的光强度和其输出端处的光强度之间提供非线性响应关系26。这同样适用于非线性吸收器。由于入射光的强度变化而产生的放大的光的强度变化随着入射光强度的增加而减小。这具有将波动范围22压缩到压缩的输出范围的效果，并且因此当光纤放大器单元14的放大被选择为将尽可能多的波动范围适配到可用强度范围内时，减小了剩余在可用强度范围之外的反向散射强度的最小部分。半导体光放大器16的非线性响应关系26具有这样的效果，即传输光强度相对于电泵浦半导体光放大器的输入光强度的导数随着输入强度的增加而减小。因此，较高的强度范围将被压缩到相对于较低的强度范围。这同样适用于非线性吸收器。此外，半导体光放大器16具有这样的效果：输入强度不会被放大到高于预定饱和输出强度的输出强度。优选是，由来自检测器处每个单独光程的光引起的半导体光放大器16的饱和强度等于或小于检测器可测量的最高强度水平的四分之一。这样就确保了两个信号的干扰不会超过这个最高强度水平。
理论上讲，光纤放大器单元14可以单独使用或扩展以压缩波动范围。就像半导体光放大器16具有非线性响应特性，但是这取决于光泵浦所提供的能量的消耗，这比半导体光放大器16的压缩效应发生得更慢。结果，快速的反向散射波动不能保持在可用的强度范围内。这同样适用于使用光纤放大器单元14的泵浦能量的反馈控制来控制增益光纤放大器单元14。
在实施例中，该系统包括控制电路，该控制电路被配置成从光脉冲的时间点开始，随时间的变化而改变光纤放大器单元14的光放大因子。放大因子的预定时间相关性可以用于补偿接收的瑞利散射强度随时间的总体下降，这是由于沿接收的散射源自的光纤的距离增加所致。
该控制电路的功能可以由例如处理电路188或任何其他合适的电路来执行。从光脉冲接收的随时间而变化的瑞利散射强度的总体下降(也称为包络)可以例如通过对随时间而变化的瑞利散射强度进行低通滤波来确定。可以选择可变放大因子使之与没有可变放大因子的包络成反比。替代性地，可以使用反馈电路来控制放大因子，利用测量电路测量的平均强度和参考之间的差来控制放大因子。
非线性放大或吸收以及光纤放大器单元14这时变光学放大因子的组合可用于确保光纤放大器单元14输出端的强度分布的相对位置和非线性半导体光学放大器16或非线性吸收体的压缩范围从光脉冲的时间点起随时间的变化保持相同。
这提高了信噪比，并降低了损坏或盲的风险。同样，优选是，设置光纤放大器单元14的放大因子，使得在光纤放大器单元的输出端处的反向散射强度的概率密度20的峰值和/或其平均概率密度20位于压缩范围内。
对于长光纤，可以定义瑞利散射的散射位置相关的概率密度20，且优选地定义光纤端部瑞利散射概率密度20的峰值和/或平均值。
类似的考虑适用于非线性吸收器。这里，可以根据强度来定义压缩范围，其中非线性吸收器的输入/输出比小于小强度的输入/输出比的一半(在强度变为零的极限内)。
在有些情况下，将半导体光放大器16与光纤放大器单元串联使用可能会导致损坏的风险。当光纤放大器单元14在没有提供显著输入强度的情况下被泵浦时，例如在来自脉冲光源10的光脉冲之前，一旦更多的输入强度突然提供给它的输入端，例如由于光脉冲之后不久的反向散射，光纤放大器单元14可以产生暂时的高增益。这种高增益导致高强度放大的光，这会损坏半导体光放大器16。这可以通过例如使用瞬态抑制光纤放大器来防止，例如在US20100221012中公开的或由Shiraiwa(Shiraiwa M.等人，“Performance evaluationof a burst-mode EDFA in an optical packet and circuit integrated network(光分组和电路集成网络中突发模式EDFA的性能评估)”，《光学快报》，第21卷，第26期，DOB10.1364/OE:21.032589，2013)提出的配置。
另一种解决方案是在光纤放大器单元14和半导体光放大器16之间包括快门，以及在光脉冲之后出现高强度放大光的间隔期间关闭快门的控制电路。另一种解决方案是配置光纤放大器单元14的光泵浦，使其相对于光脉冲较晚开始泵浦，从而防止或降低暂时的高增益。然而，这样的解决方案会使光学传感光纤12前部的应变检测变得困难。瞬态抑制光纤放大器的使用使得测量更多的光学传感光纤12中的应变成为可能。
优选是，半导体光放大器16在平面半导体器件中实现，而光纤放大器单元14和延迟元件182在光纤中实现。然而，平面半导体光放大器16通常仅放大一个偏振分量，这可以降低光学传感光纤12所处的位置部分，因为瑞利反向散射产生随机波动的偏振。为了增加所处位置部分，可使用双平面半导体光放大器或其他配置(例如具有抑制偏振灵敏度的半导体光放大器)来解决半导体光放大器SOA偏振相关性。
图3示出了双平面半导体光放大器16，包括偏振分路器30、偏振旋转器32a、偏振旋转器32b、第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b以及光组合器36。从光纤放大器单元(未示出)的输出端到偏振分路器30的输入端的光程将放大的反向散射光提供给偏振分路器30。从偏振分路器30输出端到第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b另外的光程通过另外光程中的偏振旋转器32a、偏振旋转器32b分别向第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b提供该光的不同偏振分量。
第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b可以一起在单个平面衬底上实现，使得它们主要放大具有单个偏振方向的光。偏振旋转器32a、偏振旋转器32b将来自偏振分路器30的偏振分量的偏振方向旋转成分别被第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b放大的偏振方向。在另外光程之一中的偏振旋转器可能就足够了，或者当第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b被定向成使得它们放大不同的偏振方向时，可能完全不需要偏振旋转器。来自第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b的输出光程将来自第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b的放大的偏振分量馈送到光组合器36。光组合器36被配置成组合来自第一半导体光放大器34a和第二半导体光放大器34b的放大的光，并提供该组合作为双平面半导体光放大器的输出。
图3a示出了另一种可能的配置，其中光组合器36被移动到偏振分路器30和偏振旋转器a 32a、b的组合之后，以将两个偏振方向上的光功率组合成一个单独的线性偏振输出，并将其馈送到半导体光放大器34。在该实施例中，该单个线性偏振输出至少有部分在半导体光放大器34提供最大增益的方向，例如，与该方向的偏差不超过四十五度或三十度。优选是，该单线偏振输出的偏振方向是半导体光放大器34提供最大增益的方向。
通过这样的实施例，干涉相位测量子系统18被提供了放大的光，该放大的光具有来自光学传感光纤的反向散射光的两个偏振分量的压缩强度范围。
在另一实施例中，可以使用以下装置，使用两个干涉仪来分别测量偏振分量的干涉：偏振分路器，该偏振分路器的输入端耦合到光泵浦光纤放大器的输出端，第一偏振输出端耦合到半导体光放大器的输入端；偏振旋转器，该偏振旋转器的输入端耦合到偏振分路器的第二偏振输出端；另一电泵浦半导体光放大器，该电泵浦半导体光放大器的输入端耦合到偏振旋转器的输出端；另一干涉仪，该干涉仪的输入耦合到光学传感光纤的第一端；以及另一电子相位测量子系统，该另一电子相位测量子系统耦合到另一干涉仪的输出端。
Claims (10)
1.一种位置相关的应变测量系统，用于使用来自光学传感光纤内的瑞利反向散射来测量应变，其中，不同反向散射强度的出现频率由随反向散射强度而变化的强度分布来表征，所述测量系统包括：
脉冲光源；
所述光学传感光纤，所述光学传感光纤的第一端耦合到所述脉冲光源的输出端；
干涉仪，所述干涉仪包括分光器和不同光学长度的第一光程和第二光程，所述分光器的输入端耦合到所述光学传感光纤的第一端，所述第一光程和所述第二光程的输入端耦合到所述分光器的相应输出端；
电子相位测量子系统，所述电子相位测量子系统耦合到所述第一光程和所述第二光程的输出端，并且所述电子相位测量子系统包括至少一个光强度检测器，所述光强度检测器被配置成检测来自所述光程的光的组合的干涉强度，所述至少一个检测器中的每一个定义来自所述光程的光的强度的名义相干组合的可用强度范围；
第一光泵浦光纤放大器，或第一光泵浦光纤放大器和第二光泵浦光纤放大器，所述第一光泵浦光纤放大器或所述第一光泵浦光纤放大器和所述第二光泵浦光纤放大器耦合在所述光学传感光纤的第一端和所述电子相位测量子系统之间，所述第一光泵浦光纤放大器与所述第一光程和所述第二光程串联，或者所述第一光泵浦光纤放大器和所述第二光泵浦光纤放大器分别与所述第一光程和所述第二光程串联；
第一电泵浦半导体光放大器和/或第一非线性光吸收器，或者第一电泵浦半导体光放大器和第二电泵浦半导体光放大器和/或第一非线性光吸收器和第二非线性光吸收器，所述第一电泵浦半导体光放大器和/或所述第一非线性光吸收器在所述第一光泵浦光纤放大器和所述电子相位测量子系统之间与所述第一光程和所述第二光程串联，所述第一电泵浦半导体光放大器和所述第二电泵浦半导体光放大器和/或所述第一非线性光吸收器和所述第二非线性光吸收器在所述电子相位测量子系统与所述第一光泵浦光纤放大器或所述第一光泵浦光纤放大器和所述第二光泵浦光纤放大器之间分别与所述第一光程和所述第二光程串联；
其中，一个或多个所述光泵浦光纤放大器和一个或多个所述电泵浦半导体光放大器和/或一个或多个所述非线性光吸收器提供一个或多个放大因子，所述放大因子确保在所述至少一个检测器处可从瑞利反向散射强度的平均强度获得的强度的相干组合将在所述可用范围内；并且
其中，所述第一电泵浦半导体光放大器或所述第一电泵浦半导体光放大器和所述第二电泵浦半导体光放大器和/或所述第一非线性光吸收器或所述第一非线性光吸收器和所述第二非线性光吸收器的一个或多个光强度相关的导数传输因子导致所述强度分布的较高强度部分被压缩到所述强度分布的相对于较低强度部分。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述一个或多个光泵浦光纤放大器的所述放大被设置成可从所述一个或多个电泵浦半导体光放大器和/或所述一个或多个非线性光吸收器的所述输入端处的所述瑞利反向散射强度的所述平均强度获得的光强度达到一个强度，在所述强度下，所述光强度相关的导数传输因子小于一个或多个所述电泵浦半导体光放大器和/或所述一个或多个非线性光吸收器的小信号传输因子的一半。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述电泵浦半导体光放大器和/或所述非线性光吸收器的特征在于饱和光输出强度，并且其中所述饱和光输出强度被配置成导致来自所述至少一个检测器处的各个所述光程的强度等于或小于所述可用范围的最高强度的四分之一。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述电子相位测量子系统包括：N路耦合器，其中N至少为3，所述N路耦合器被配置成形成来自所述第一光程和所述第二光程的具有N个不同相对相移的光的N个组合；N个检测器，所述N个检测器被配置成测量所述N个组合中相应组合的强度；以及计算系统，所述计算系统被配置成根据所测量的强度计算来自所述第一光程和所述第二光程的光之间的相位差。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述平均值是来自所述光纤的远端部分的反向散射强度的平均值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，包括增益控制电路，所述增益控制电路被配置成从所述光脉冲随时间改变所述一个或多个光泵浦光纤放大器的放大因子，使得所述电子相位测量子系统处的所述瑞利反向散射强度的时间相关平均值保持在所述可用强度范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述电泵浦半导体光放大器提供仅对单个偏振分量的放大，所述系统包括：偏振分路器，所述偏振分路器的输入端耦合到所述光泵浦光纤放大器的输出端，第一偏振输出端耦合到所述半导体光放大器的输入端；偏振旋转器，所述偏振旋转器的输入端耦合到所述偏振分路器的第二偏振输出端；另一电泵浦半导体光放大器，所述电泵浦半导体光放大器的输入端耦合到所述偏振旋转器的输出端；以及光组合器，所述光组合器的输入端耦合到所述电泵浦半导体光放大器和所述另一电泵浦半导体光放大器的输出端，所述光组合器的输出端耦合到所述干涉仪。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述电泵浦半导体光放大器提供仅对单个偏振分量的放大，所述系统包括：偏振分路器，所述偏振分路器的输入端耦合到所述光泵浦光纤放大器的输出端；偏振旋转器，所述偏振旋转器的输入端耦合到所述偏振分路器的第一偏振输出端；以及光组合器，所述光组合器的输入端耦合到所述偏振分路器的第二偏振输出端和所述偏振旋转器的输出端，所述光组合器的输出端耦合到所述半导体光放大器的输入端。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述电泵浦半导体光放大器提供仅对单个偏振分量的放大，所述系统包括：偏振分路器，所述偏振分路器的输入端耦合到所述光泵浦光纤放大器的输出端，第一偏振输出端耦合到所述半导体光放大器的输入端；偏振旋转器，所述偏振旋转器的输入端耦合到所述偏振分路器的第二偏振输出端；另一电泵浦半导体光放大器，所述电泵浦半导体光放大器的输入端耦合到所述偏振旋转器的输出端；另一干涉仪，所述干涉仪的输入耦合到所述光学传感光纤的第一端；以及另一电子相位测量子系统，所述另一电子相位测量子系统耦合到所述另一干涉仪的输出端。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述光泵浦光纤放大器是瞬态抑制光纤放大器。
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