CN117664311A - 一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统及方法，涉及光学技术领域。本发明的技术要点包括：所述系统包括第一激光器、第二激光器、90/10耦合器、第一密集波分复用器、声光调制器、延迟光路、第一掺铒光纤放大器、第一环形器、第二密集波分复用器、第二掺铒光纤放大器、第三掺铒光纤放大器、第三密集波分复用器、第一50/50四端口耦合器、第一平衡探测器、脉冲源、50/50耦合器、微波源、电光调制器、正交扰偏器、第二环形器、光纤光栅滤波器、第二50/50四端口耦合器、第二平衡探测器、拉曼放大器、波分复用器。本发明使用双光源，采用波分复用及脉冲精准延迟技术，解决了脉冲峰值功率过高引起的非线性效应，提高了融合系统传感距离。

Description

一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统 及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统及方法。

背景技术

分布式光纤传感器利用光纤感知外界温度、应变、振动、衰耗等物理量变化，具备抗电磁干扰、线路无需供电、远距离分布式测量等优势，已在电力电缆、油气管线、火灾监测等领域取得广泛应用。布里渊光时域反射仪(Brillouin optical time-domainreflectometry，简称BOTDR)利用光纤中的自发布里渊散射，可同时对温度和应变进行测量；相敏敏感光时域反射仪(Phase sensitive optical time-domain reflectometry，简称φ-OTDR)利用光纤中的瑞利散射，可以对振动进行测量。在电网应用中，BOTDR和φ-OTDR可以利用光纤复合架空地线(Optical Power Ground Wire，简称OPGW)中的空余纤芯进行分布式温度、应变、振动测量，由于其单端测量和长距离监测的优势，这两种技术在电力系统OPGW光缆监测中应用越来越广泛。

OPGW光缆纤芯作为电力通信系统载体和电网安全运行的重要基础设施，其运行状态直接关系到输电线路及通信系统的安全。由于电网业务的快速增加，早期投运的OPGW光缆面临纤芯资源紧张的问题，且年限越久的OPGW光缆出现故障的概率越高，越需要分布式光纤传感设备进行故障预警和安全监控。为了解决纤芯资源短缺问题，现有研究提出分布式光纤传感融合系统方案，具有单根纤芯多种物理量传感的优势，且系统集成度更高、成本更低，对比目前单独的分布式光纤传感技术更具优势。

传统分布式光纤融合系统方案是将激光器输出的连续光调制成脉冲光后注入待测光纤，接收到的反射光中包含布里渊散射信号和瑞利散射信号，使用DWDM滤出布里渊散射光的一个边带用于BOTDR测量，剩余的瑞利散射光和布里渊散射光的另一个边带用于φ-OTDR测量。由于BOTDR对光源的功率和波长可调范围要求较高，而φ-OTDR对光源波长稳定性和线宽要求较高，使用单一光源难以同时满足BOTDR和φ-OTDR系统测量要求，导致融合系统性能下降。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统及方法，用以提高分布式光纤融合系统性能。

根据本发明的一方面，提出一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统，该系统包括：第一激光器、第二激光器、90/10耦合器、第一密集波分复用器、声光调制器、延迟光路、第一掺铒光纤放大器、第一环形器、第二密集波分复用器、第二掺铒光纤放大器、第三掺铒光纤放大器、第三密集波分复用器、第一50/50四端口耦合器、第一平衡探测器、脉冲源、50/50耦合器、微波源、电光调制器、正交扰偏器、第二环形器、光纤光栅滤波器、第二50/50四端口耦合器、第二平衡探测器、拉曼放大器、波分复用器；其中，

第一激光器的输出端连接90/10耦合器的输入端，90/10耦合器的输出端分别连接第一密集波分复用器的输入端和第一50/50四端口耦合器的一端口；

第二激光器的输出端连接50/50耦合器的输入端，50/50耦合器的输出端分别连接第一密集波分复用器和电光调制器的输入端；微波源与电光调制器连接，用于驱动电光调制器将连续光调制为双边带本地参考光，电光调制器的输出端连接正交扰偏器的输入端；

第一密集波分复用器的输出端连接声光调制器的输入端，声光调制器的输出端连接延迟光路的输入端，延迟光路的输出端连接第一掺铒光纤放大器的输入端；第一掺铒光纤放大器的输出端连接第一环形器的一端口，第一环形器的二端口和三端口分别连接波分复用器和第二密集波分复用器的输入端；波分复用器的输出端连接待测光纤；拉曼放大器的输出端连接波分复用器的输入端；

第二密集波分复用器的输出端分别连接第二掺铒光纤放大器和第三掺铒光纤放大器的输入端；第二掺铒光纤放大器的输出端连接第三密集波分复用器的输入端；90/10耦合器和第三密集波分复用器的输出端均连接至第一50/50四端口耦合器的两个端口；第一50/50四端口耦合器的另两个端口连接第一平衡探测器的两个输入端；第三掺铒光纤放大器的输出端连接第二环形器的一端口，第二环形器的二端口和三端口分别连接光纤光栅滤波器和第二50/50四端口耦合器的输入端；第二50/50四端口耦合器的两个输出端连接第二平衡探测器，另外一个输入端与正交扰偏器连接；

脉冲源分别与声光调制器和正交扰偏器连接，所述脉冲源用于发出驱动脉冲信号。

在其中一种可能的实现方式中，所述延迟光路用于分离两个波长的光脉冲，所述延迟光路包括第四密集波分复用器、延迟光纤和第五密集波分复用器，第四密集波分复用器的输出端分别连接延迟光纤和第五密集波分复用器。

在其中一种可能的实现方式中，所述第一激光器为φ-OTDR使用的窄线宽光源，波长为C32波段，功率为10mW，线宽为3kHz；所述第二激光器为BOTDR使用的光源，波长为C34波段，功率为50mW，线宽为1MHz。

在其中一种可能的实现方式中，所述声光调制器的带宽为200MHz；所述第一平衡探测器的带宽为300MHz，所述第二平衡探测器的带宽为80MHz。

根据本发明的另一方面，提出一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合方法，所述分布式光纤融合方法基于上述分布式光纤融合系统实现；所述分布式光纤融合方法包括：

第一激光器输出的连续光经90/10耦合器分成两束，一束90％的光用于脉冲调制，剩余10％的光作为本地参考光；第二激光器输出的连续光经50/50耦合器分成两束，一束用于脉冲调制，另一路用于微波调制；

脉冲源发出驱动脉冲信号，用于驱动声光调制器和正交扰偏器；第一密集波分复用器将两个激光器用于脉冲调制的连续光耦合，并经过声光调制器调制成光脉冲；光脉冲通过由两个密集波分复用器和延迟光纤组成的延迟光路，两种波长的光脉冲经过延迟光路中第一个密集波分复用器后被分成两个支路，其中用于振动测量的光脉冲进入上支路经过延迟光纤；用于温度/应变测量的光脉冲进入下支路，不经过延迟光纤；两个光脉冲经过延迟光路中第二个密集波分复用器合束后，分成前后两个光脉冲，再经过第一掺铒光纤放大器分别放大后，通过第一环形器的二端口与经拉曼放大器输出的光同时注入波分复用器进行耦合后，再进入待测光纤；

瑞利散射和布里渊散射的回波信号经第二密集波分复用器被分成两种波长的光信号，其中一个波长对应的瑞利回波信号经过第二掺铒光纤放大器放大后，再由第三密集波分复用器滤除放大器的噪声，与本地参考光同时进入第一50/50四端口耦合器发生相干，两个输出的光信号经第一平衡探测器进行光电转换，得到振动测量结果；

第二激光器输出连续光的下支路光信号经过微波源驱动的电光调制器后调制为双边带本地参考光，经过正交扰偏器随机扰偏后，进入第二50/50四端口耦合器；另一波长对应的布里渊回波信号经过第三掺铒光纤放大器放大后，经过第二环形器进入光纤光栅滤波器，滤出下边带自发布里渊散射信号，与本地参考光一起进入第二50/50四端口耦合器发生相干，两个输出的光信号经第二平衡探测器进行光电转换，得到布里渊扫频结果。

在其中一种可能的实现方式中，所述第一激光器发出波长为C32波段的光脉冲；所述第二激光器发出波长为C34波段的光脉冲；所述回波信号中包含C32和C34两个波段的信号。

本发明的有益技术效果是：

本发明使用双光源进行分布式布里渊和瑞利光纤传感，采用波分复用方式使得布里渊和瑞利解调相互独立，保证融合系统传感性能与单独布里渊或瑞利传感系统传感性能一致；采用脉冲精准延迟技术，将不同波长的两束脉冲光前后分离，解决了两个脉冲叠加在一起从而导致脉冲峰值功率过高引起的非线性效应，提高融合系统传感距离；融合系统仅利用OPGW光缆一根空余纤芯即可完成光缆温度、应变、振动信息同步采集，降低纤芯占用数量的同时，温度、应变、振动数据之间同步并相互验证，能够更好的分析OPGW光缆运行状态。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明实施例所述的一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统的结构示意图。

图2是本发明实施例中在运OPGW光缆BOTDR测试结果示例图。

图3是本发明实施例中φ-OTDR测试结果示例图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

为解决现有分布式光纤融合系统性能下降的问题，本发明提出了一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统及方法，能在不损失传感性能的前提下，实现单根传感光纤温度、应变、振动多种参数同步解调。

如图1所示，本发明实施例提出一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统，该系统包括：第一激光器1、第二激光器2、90/10耦合器3、第一密集波分复用器4(DWDM1)、声光调制器(AOM1)5、延迟光路6、第一掺铒光纤放大器(EDFA1)7、第一环形器(R1)8、第二密集波分复用器(DWDM2)9、第二掺铒光纤放大器(EDFA2)10、第三掺铒光纤放大器(EDFA3)11、第三密集波分复用器(DWDM3)12、第一50/50四端口耦合器13、第一平衡探测器(BD1)14、脉冲源15、50/50耦合器16、微波源17、电光调制器(EOM)18、正交扰偏器(PS)19、第二环形器(R2)20、光纤光栅滤波器(FBG)21、第二50/50四端口耦合器22、第二平衡探测器(BD2)23、拉曼放大器24、波分复用器(WDM)25、待测光纤(FUT)；其中，

第一激光器1的输出端连接90/10耦合器3的输入端，90/10耦合器3的输出端分别连接第一密集波分复用器4的输入端和第一50/50四端口耦合器13的一端口；

第二激光器2的输出端连接50/50耦合器16的输入端，50/50耦合器16的输出端分别连接第一密集波分复用器4和电光调制器18的输入端；微波源17与电光调制器18连接，用于驱动电光调制器18将连续光调制为双边带本地参考光，电光调制器18的输出端连接正交扰偏器19的输入端；

第一密集波分复用器4的输出端连接声光调制器5的输入端，声光调制器5的输出端连接延迟光路6的输入端，延迟光路6的输出端连接第一掺铒光纤放大器7的输入端；第一掺铒光纤放大器7的输出端连接第一环形器8的一端口，第一环形器8的二端口和三端口分别连接波分复用器25和第二密集波分复用器9的输入端；波分复用器25的输出端连接待测光纤；拉曼放大器24的输出端连接波分复用器25的输入端；

第二密集波分复用器9的输出端分别连接第二掺铒光纤放大器10和第三掺铒光纤放大器11的输入端；第二掺铒光纤放大器10的输出端连接第三密集波分复用器12的输入端；90/10耦合器3和第三密集波分复用器12的输出端均连接至第一50/50四端口耦合器13的两个端口；第一50/50四端口耦合器13的另两个端口连接第一平衡探测器14的两个输入端；第三掺铒光纤放大器11的输出端连接第二环形器20的一端口，第二环形器20的二端口和三端口分别连接光纤光栅滤波器21和第二50/50四端口耦合器22的输入端口；第二50/50四端口耦合器22的两个输出端口连接第二平衡探测器23，另外一个输入端口与正交扰偏器19连接；

脉冲源15分别与声光调制器5和正交扰偏器19连接，所述脉冲源15用于发出驱动脉冲信号。

本实施例中，优选地，所述延迟光路6用于分离两个波长的光脉冲，以避免光脉冲叠加后产生非线性效应，所述延迟光路6包括第四密集波分复用器、延迟光纤和第五密集波分复用器，第四密集波分复用器的输出端分别连接100m延迟光纤和第五密集波分复用器。

本实施例中，优选地，第一激光器1为φ-OTDR使用的窄线宽光源，波长为C32波段，功率为10mW，线宽为3kHz；第二激光器2为BOTDR使用的光源，波长为C34波段，功率为50mW，线宽为1MHz。声光调制器5的带宽为200MHz。第一平衡探测器14的带宽为300MHz，第二平衡探测器23的带宽为80MHz。

本发明另一实施例提出一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合方法，所述分布式光纤融合方法基于上述分布式光纤融合系统实现；所述分布式光纤融合方法包括：

第一激光器1输出的连续光经90/10耦合器3分成两束，一束90％的光用于脉冲调制，剩余10％的光作为本地参考光；第二激光器2输出的连续光经50/50耦合器16分成两束，一束用于脉冲调制，另一路用于微波调制。

脉冲源15发出驱动脉冲信号，用于驱动声光调制器5和正交扰偏器19；第一密集波分复用器4将两个激光器用于脉冲调制的连续光耦合，并经过声光调制器5调制成光脉冲，此时的光脉冲中包含C32和C34两种波长。

如果将声光调制器5输出的光脉冲放大后直接注入待测光纤，两种波长的光脉冲叠加后更容易产生非线性效应，导致传感距离降低。因此，需要将两个波长的光脉冲分离，促使脉冲峰值功率下降，从而避免非线性效应的产生。由此，设计延迟光路6，延迟光路6由两个密集波分复用器和100m延迟光纤组成，声光调制器5输出的光脉冲经过延迟光路中第一个密集波分复用器后被分成两个支路，用于振动测量的光脉冲进入上支路，经过100m延迟光纤；用于温度/应变测量的光脉冲进入下支路，不经过延迟光纤；即C32一路经100m延迟光纤后与第二个密集波分复用器的C32端口连通，C34一路光脉冲直接与第二个密集波分复用器的C34端口连通；两个光脉冲经过延迟光路6中第二个密集波分复用器合束后，分成前后两个光脉冲，再经过第一掺铒光纤放大器7分别放大后，通过第一环形器8的二端口与拉曼放大器24输出的光同时注入波分复用器25进行耦合后，再进入待测光纤；

瑞利散射和布里渊散射的回波信号经第二密集波分复用器9被分成两种波长的光信号，C32波段的瑞利回波信号经过第二掺铒光纤放大器10放大后，再由第三密集波分复用器12滤除放大器的噪声，与本地参考光同时进入50/50四端口耦合器发生相干，两个输出的光信号经第一平衡探测器14进行光电转换，得到振动测量结果；

第二激光器2输出连续光的下支路光信号经过微波源17驱动的电光调制器18后调制为双边带本地参考光，经过正交扰偏器19随机扰偏后，进入第二50/50四端口耦合器22；C34波段的布里渊回波信号经过第三掺铒光纤放大器11放大后，经过第二环形器20进入光纤光栅滤波器21，滤出下边带自发布里渊散射信号，与本地参考光一起进入第二50/50四端口耦合器22发生相干，两个输出的光信号经第二平衡探测器23进行光电转换，得到布里渊扫频结果；进一步再通过拟合可得到布里渊频移，进而解调出温度和应变。

回波信号中也包含C32和C34两个波段的信号，使用第二密集波分复用器9将两种波长的光信号分离，其中C32波段的有效信号为瑞利散射信号，C34波段的有效信号为自发布里渊散射信号。

图2为在运OPGW光缆BOTDR测试结果。图3为φ-OTDR测试结果。

本发明采用精准延迟技术产生的光脉冲不会受非线性效应的影响导致传感距离受限，且由于两个脉冲延时固定(500ns)，可以实现温度/应变和振动测量结果的相互位置标定。

本发明采用双光源的双波长分布式光纤融合系统方案，两种信号通过波分复用的方式耦合，不会产生相互干扰，同时两个激光器相互独立，不会由于指标冲突导致性能下降。

在电力OPGW光缆监测中，温度、应变和振动测量结果可以作为其安全运行状态的重要指标。其中，温度可用于覆冰、山火、雷击监测；应变可用于光缆受力、纤芯安全状态、覆冰、风振监测；振动可用于覆冰、风振监测。分布式光纤融合系统可以同时测量OPGW光缆纤芯温度、应变、振动信息，且测量结果可以相互验证，通过多维传感数据分析光缆运行状态进行综合分析，使得OPGW光缆安全状态监测结果更加准确。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (6)

1.一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统，其特征在于，包括：第一激光器(1)、第二激光器(2)、90/10耦合器(3)、第一密集波分复用器(4)、声光调制器(5)、延迟光路(6)、第一掺铒光纤放大器(7)、第一环形器(8)、第二密集波分复用器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、第三掺铒光纤放大器(11)、第三密集波分复用器(12)、第一50/50四端口耦合器(13)、第一平衡探测器(14)、脉冲源(15)、50/50耦合器(16)、微波源(17)、电光调制器(18)、正交扰偏器(19)、第二环形器(20)、光纤光栅滤波器(21)、第二50/50四端口耦合器(22)、第二平衡探测器(23)、拉曼放大器(24)、波分复用器(25)；其中，

第一激光器(1)的输出端连接90/10耦合器(3)的输入端，90/10耦合器(3)的输出端分别连接第一密集波分复用器(4)的输入端和第一50/50四端口耦合器(13)的一端口；

第二激光器(2)的输出端连接50/50耦合器(16)的输入端，50/50耦合器(16)的输出端分别连接第一密集波分复用器(4)和电光调制器(18)的输入端；微波源(17)与电光调制器(18)连接，用于驱动电光调制器(18)将连续光调制为双边带本地参考光，电光调制器(18)的输出端连接正交扰偏器(19)的输入端；

第一密集波分复用器(4)的输出端连接声光调制器(5)的输入端，声光调制器(5)的输出端连接延迟光路(6)的输入端，延迟光路(6)的输出端连接第一掺铒光纤放大器(7)的输入端；第一掺铒光纤放大器(7)的输出端连接第一环形器(8)的一端口，第一环形器(8)的二端口和三端口分别连接波分复用器(25)和第二密集波分复用器(9)的输入端；波分复用器(25)的输出端连接待测光纤；拉曼放大器(24)的输出端连接波分复用器(25)的输入端；

第二密集波分复用器(9)的输出端分别连接第二掺铒光纤放大器(10)和第三掺铒光纤放大器(11)的输入端；第二掺铒光纤放大器(10)的输出端连接第三密集波分复用器(12)的输入端；90/10耦合器(3)和第三密集波分复用器(12)的输出端均连接至第一50/50四端口耦合器(13)的两个端口；第一50/50四端口耦合器(13)的另两个端口连接第一平衡探测器(14)的两个输入端；第三掺铒光纤放大器(11)的输出端连接第二环形器(20)的一端口，第二环形器(20)的二端口和三端口分别连接光纤光栅滤波器(21)和第二50/50四端口耦合器(22)的输入端；第二50/50四端口耦合器(22)的两个输出端连接第二平衡探测器(23)，另外一个输入端与正交扰偏器(19)连接；

脉冲源(15)分别与声光调制器(5)和正交扰偏器(19)连接，所述脉冲源(15)用于发出驱动脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统，其特征在于，所述延迟光路(6)用于分离两个波长的光脉冲，所述延迟光路(6)包括第四密集波分复用器、延迟光纤和第五密集波分复用器，第四密集波分复用器的输出端分别连接延迟光纤和第五密集波分复用器。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统，其特征在于，所述第一激光器(1)为φ-OTDR使用的窄线宽光源，波长为C32波段，功率为10mW，线宽为3kHz；所述第二激光器(2)为BOTDR使用的光源，波长为C34波段，功率为50mW，线宽为1MHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合系统，其特征在于，所述声光调制器(5)的带宽为200MHz；所述第一平衡探测器(14)的带宽为300MHz，所述第二平衡探测器(23)的带宽为80MHz。

5.一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合方法，其特征在于，所述分布式光纤融合方法基于权利要求1-4中任一项所述的分布式光纤融合系统实现；

所述分布式光纤融合方法包括：

第一激光器(1)输出的连续光经90/10耦合器(3)分成两束，一束90％的光用于脉冲调制，剩余10％的光作为本地参考光；第二激光器(2)输出的连续光经50/50耦合器(16)分成两束，一束用于脉冲调制，另一路用于微波调制；

脉冲源(15)发出驱动脉冲信号，用于驱动声光调制器(5)和正交扰偏器(19)；第一密集波分复用器(4)将两个激光器用于脉冲调制的连续光耦合，并经过声光调制器(5)调制成光脉冲；光脉冲通过由两个密集波分复用器和延迟光纤组成的延迟光路(6)，两种波长的光脉冲经过延迟光路(6)中第一个密集波分复用器后被分成两个支路，其中用于振动测量的光脉冲进入上支路经过延迟光纤；用于温度/应变测量的光脉冲进入下支路，不经过延迟光纤；两个光脉冲经过延迟光路(6)中第二个密集波分复用器合束后，分成前后两个光脉冲，再经过第一掺铒光纤放大器(7)分别放大后，通过第一环形器(8)的二端口与经拉曼放大器(24)输出的光同时注入波分复用器(25)进行耦合后，再进入待测光纤；

瑞利散射和布里渊散射的回波信号经第二密集波分复用器(9)被分成两种波长的光信号，其中一个波长对应的瑞利回波信号经过第二掺铒光纤放大器(10)放大后，再由第三密集波分复用器(12)滤除放大器的噪声，与本地参考光同时进入第一50/50四端口耦合器(13)发生相干，两个输出的光信号经第一平衡探测器(14)进行光电转换，得到振动测量结果；

第二激光器(2)输出连续光的下支路光信号经过微波源(17)驱动的电光调制器(18)后调制为双边带本地参考光，经过正交扰偏器(19)随机扰偏后，进入第二50/50四端口耦合器(22)；另一波长对应的布里渊回波信号经过第三掺铒光纤放大器(11)放大后，经过第二环形器(20)进入光纤光栅滤波器(21)，滤出下边带自发布里渊散射信号，与本地参考光一起进入第二50/50四端口耦合器(22)发生相干，两个输出的光信号经第二平衡探测器(23)进行光电转换，得到布里渊扫频结果。

6.根据权利要求5所述的一种基于双光源和脉冲精准延时技术的分布式光纤融合方法，其特征在于，所述第一激光器(1)发出波长为C32波段的光脉冲；所述第二激光器(2)发出波长为C34波段的光脉冲；所述回波信号中包含C32和C34两个波段的信号。