CN118129807A - 一种混合式分布式光纤感测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，系利用雷利散射原理，以及布里渊频移特性进行感测，借以测量待测点的温度值、拉力与震动参数。

Description

一种混合式分布式光纤感测系统
技术领域
本发明关于一种光纤感测系统，特别是一种混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统。
背景技术
于传统的测量技术领域，当需要测量的时候，由于需要进行测量一定长度，而由于每个长度具有不同的温度变化，或是具有其不同的地貌，若单独使用光纤感测进行测量，则很不易测量出精确位置，且不易区分是否是由温度或其他应力等其他因素所造成的不良影响。
如图1所示，系先前技术的布里渊光时域分析测量系统，其中诸如了以下的元件，包括了：首先，由系统光源1001提供激光光源，再由耦合器1002分出泵浦光源，以及探头光源，而以第一全光纤元件偏振控制器1003，与第二全光纤元件偏振控制器1004调整光偏振态，使得功率输出为最大。
续如图1所示，以信号产生器1005产生连续波信号，感测待测光纤的布里渊频率，以第一电光调制器1006与第二电光调制器1007，将电信号转为光信号，以脉冲模式产生器1008与任意波形产生器1009产生系统所需的脉冲信号。
仍如图1所示，以可变光衰减器1010连接光隔离器1014，且该可变光衰减器1010可以调整光功率，又该光隔离器1014限制光路只能单一方向连接该待测光纤1015，而该调制器偏压控制器1011可自动调整偏压，以产生脉冲信号稳定输出，且该调制器偏压控制器1011连接计算机1012。
续如图1所示，该计算机1012电性连接数字荧光示波器1013，而又该调制器偏压控制器1011连接第一掺铒光纤放大器1016，该第一掺铒光纤放大器1016连接偏振扰偏器1017，该偏振扰偏器1017可以抑制偏振噪声。
接着如图1所示，该偏振扰偏器1017连接可变光衰减器1018，该可变光衰减器1018连接光循环器1019，连接第二掺铒光纤放大器1020，该第二掺铒光纤放大器1020连接可调滤波器1021，以该可调滤波器1021滤出所需布里渊散射光波波段。
最后如图1所示，该可调滤波器1021连接光电探测器1022，而该光电探测器1022连接直流阻隔器1023。
而由于传统的先前技术如光纤感测技术能够于绵延逾数公里至数十公里的待测量区域，任何一区间作为感测测量，且感测范围相当广泛，但越多的感测头，会使得其感测成本提升，且容易造成光源的光能量插入损耗。故而逐点式的光纤感测，其虽然在短距离内有精确的精准度，可判断发生扰动的正确位置，但当使用于长距离的测量时，待测光纤很可能产生断点，使得探测光与泵激光无法产生交互作用时，会导致系统无法测量信号，即先前技术的布里渊光时域分析测量系统无法使用于长距离的测量。
由前述可知，既有先前技术的分布式光纤感测与逐点式光纤感测仍有需要改良与改进的空间，故有待进一步检讨，并谋求可行的解决方案，故而新式的光纤测量系统确有必要进行研究改良，且仍须进行光纤测量系统的更新化与商业化。
发明内容
本发明的一种混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，系利用布里渊散射原理，以及布里渊频移进行感测，借以测量任一位置的待测物的温度值。
本发明第一实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，包括了以下的元件：窄线宽光纤激光光源，该窄线宽光纤激光光源连接耦合器，而该耦合器连接第一全光纤元件偏振控制器，以及同时连接第二全光纤元件偏振控制器，以信号产生器连接电光调制器，而该第一全光纤元件偏振控制器连接以该电光调制器，该电光调制器再连接第一可变光衰减器，接着连接光隔离器，以及连接交换器，再连接待测光纤，以该第二全光纤元件偏振控制器，进行连接声光调制器，再连接第一掺铒光纤放大器，继续连接第二可变光衰减器，跟着连接光循环器，再连接第二掺铒光纤放大器，继续连接可调滤波器，又连接光电探测器，再连接直流阻隔器，最终，连接数字荧光示波器，而其中的声光调制器，系连接驱动器，再连接脉波产生器。
本发明第二实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，其中包括了以下的元件：窄线宽光纤激光光源，而该窄线宽光纤激光光源连接耦合器，再由第一耦合器分出泵浦光源，以及探头光源，而该第一耦合器连接第一全光纤元件偏振控制器，以及同时连接第二全光纤元件偏振控制器，以信号产生器连接电光调制器，而该第一全光纤元件偏振控制器连接以该电光调制器，该电光调制器再连接第一可变光衰减器，接着连接光隔离器，以及连接交换器，再连接待测光纤，以该第二全光纤元件偏振控制器，进行连接声光调制器，再连接第一掺铒光纤放大器，继续连接第二可变光衰减器，跟着连接光循环器，再连接第二掺铒光纤放大器，继续连接第二耦合器，又同时连接第一可调滤波器，以及第二可调滤波器，其中该第一可调滤波器连接第一光电探测器3，最终，再连接数字荧光示波器，而该第二可调滤波器连接第二光电探测器，最终，再连接该数字荧光示波器，其中的声光调制器，系连接驱动器，再连接脉波产生器。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1所示为先前技术的布里渊光时域分析测量系统；
图2所示为本发明第一实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统示意图；以及
图3所示为本发明第二实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统示意图。
其中，附图标记：
101 分布式光纤感测系统
102 色散位移光纤
103 单模光纤
1001系统光源
1002耦合器
1003全光纤元件偏振控制器
1004全光纤元件偏振控制器
1005信号产生器
1006第一电光调制器
1007第二电光调制器
1008脉冲模式产生器
1009任意波形产生器
1010可变光衰减器
1011调制器偏压控制器
1012计算机
1013数字荧光示波器
1014光隔离器
1015待测光纤
1016第一掺铒光纤放大器
1017偏振扰偏器
1018可变光衰减器
1019光循环器
1020第二掺铒光纤放大器
1021可调滤波器
1022光电探测器
1023直流阻隔器
200混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统
2001窄线宽光纤激光光源
2002耦合器
2003第一全光纤元件偏振控制器
2004第二全光纤元件偏振控制器
2005信号产生器
2006电光调制器
2007第一可变光衰减器
2008光隔离器
2009交换器
2010待测光纤
2011声光调制器
2012第一掺铒光纤放大器
2013第二可变光衰减器
2014光循环器
2015驱动器
2016脉波产生器
2017第二掺铒光纤放大器
2018可调滤波器
2019光电探测器
2020直流阻隔器
2021数字荧光示波器
2022计算机
300混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统
3001窄线宽光纤激光光源
3002耦合器
3003第一全光纤元件偏振控制器
3004第二全光纤元件偏振控制器
3005信号产生器
3006电光调制器
3007第一可变光衰减器
3008光隔离器
3009交换器
3010待测光纤
3011声光调制器
3012第一掺铒光纤放大器
3013第二可变光衰减器
3014光循环器
3015驱动器
3016脉波产生器
3017第二掺铒光纤放大器
3018第二耦合器
3019第一可调滤波器
3020第二可调滤波器
3021第一光电探测器
3022第二光电探测器
3023数字荧光示波器
3024计算机
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
本发明的一种混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，系利用布里渊散射原理以及布里渊频移原理，借以测量任一位置的待测物的温度值。
首先，请参考图2所示本发明第一实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统200示意图，犹如图2所示，诸如以下的元件，包括了：首先，由窄线宽光纤激光光源(nano linewidth fiber laser,NLFL)2001提供激光光源，而该窄线宽光纤激光光源2001连接耦合器(coupler)2002，再由该耦合器2002分出泵浦光源(pump light)，以及探头光源，该耦合器2002连接第一全光纤元件偏振控制器(polarization controller,PC)2003，以及同时连接第二全光纤元件偏振控制器(polarization controller,PC)2004，其中该第一全光纤元件偏振控制器2003，与该第二全光纤元件偏振控制器2004可进行调整光偏振态，使得功率输出为最大。
续如图2所示本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统200示意图，以信号产生器(signal generator,SG)2005连接电光调制器(electro-optic modulator,EOM)2006，而该第一全光纤元件偏振控制器2003连接以该电光调制器(electro-optic modulator,EOM)2006，以产生连续波信号，后续可以进行感测待测光纤的布里渊频率，该电光调制器(electro-optic modulator,EOM)2006再连接第一可变光衰减器(variable optical attenuator,VOA)2007，接着连接光隔离器(isolator,ISO)2008，以及连接交换器2009(switch)，再连接待测光纤(fiberundertest,FUT)2010。
再如图2所示本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统200示意图，以该第二全光纤元件偏振控制器(polarization controller)2004，进行连接声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)2011，再连接第一掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)2012，继续连接第二可变光衰减器(VOA)2013，跟着连接光循环器(optical carrier,OC)2014，再连接第二掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)2017，继续连接可调滤波器(tunable filter)2018，又连接光电探测器(photo detector,PD)2019，再连接直流阻隔器(DC Block)2020，最终，连接数字荧光示波器(digital phosphor oscilloscope,DPO)2021。
仍如图2所示本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统200示意图，其中的声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)2011，系连接驱动器(driver)2015，再连接脉波产生器(pulse generator,PG)2016，借以载入所需的弦波信号而产生探测光，而计算机2022系与该驱动器2015及该可调滤波器2018相互传输信号。
此外，请参考图3所示本发明第二实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统300示意图，犹如图3所示，其中诸如了以下的元件，包括了：首先，由窄线宽光纤激光光源3001提供激光光源，而该窄线宽光纤激光光源3001连接耦合器(coupler)3002，再由第一耦合器3002分出泵浦光源，以及探头光源，而该第一耦合器3002连接第一全光纤元件偏振控制器3003，以及同时连接第二全光纤元件偏振控制器3004，其中该第一全光纤元件偏振控制器3003，与该第二全光纤元件偏振控制器3004可进行调整光源的偏振状态，使得注入电光调制器3006和声光调制器3011功率都为最大。
续如图3所示本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统300示意图，以信号产生器3005连接电光调制器3006，而该第一全光纤元件偏振控制器3003连接该电光调制器3006，以产生连续波信号，后续可以进行感测待测光纤的布里渊频率，该电光调制器3006再连接第一可变光衰减器3007，接着连接光隔离器3008，以及连接交换器3009，再连接待测光纤3010。
再如图3所示本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统300示意图，以该第二全光纤元件偏振控制器3004，进行连接声光调制器3011，再连接第一掺铒光纤放大器3012，继续连接第二可变光衰减器2013，跟着连接光循环器3014，再连接第二掺铒光纤放大器3017，继续连接第二耦合器3018，又同时连接第一可调滤波器3019，以及第二可调滤波器3020，其中该第一可调滤波器3019连接第一光电探测器3021，最终，再连接数字荧光示波器3023，而该第二可调滤波器3020连接第二光电探测器3022，最终，再连接该数字荧光示波器3023。
仍如图3所示本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统300示意图，其中的声光调制器3011，系连接驱动器(driver)3015，再连接脉波产生器3016，借以载入所需的弦波信号而产生探测光。而计算机3024系控制驱动器3015传输至声光调制器3011信号。
本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统可以产生电光调制器3006的效果，因为电光调制器3006具有良好的光波移频效果，而由于本发明需要两种光波的频差，借以布里渊增益进行拟合，得以利用光波移频效应的特点，针对激光载波的光路使用电光调制器3006进行光调制。此时，泵激光可一路由脉冲波形产生器3016产生脉冲信号，连接声光调制器驱动器3015，借以声光调制器3011调制为所需的该泵激光，接着，通过光放大器3012，将泵激光通过光衰减器3013调节泵激光与探测光功率比例，通过光隔离器以限制该泵激光，避免该泵激光传输至非待测区，故而，另一路的该泵激光则由弦波信号产生器3005，载入电光调制器3006产生所需的弦波信号而当作探测光。
本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统可藉由调整滤波器通道，观察每个通道下的布里渊散射光，以及瑞利散射光的光信号噪声比(optical signal noise ratio,OSNR)，并观察其布里渊散射光的增益状况。此外，由于入射的泵浦功率与探测光功率皆为越大越好，期使两者进行交互后，其布里渊散射光增益得以提高，且能提高讯杂比，故而，改变探测光功率的同时还要注重电信号的脉冲振幅大小，如表1所呈现。本发明透过固定泵浦光功率，可以随着探测光的功率改变，观察布里渊散射光的增益效果，进而提升感测距离。下表1为实验数值
表1探测光调整
探测光功率(dBm) 输出电信号(mv) PD前光功率(dBm)
-8 35.7 -10.23
-9 30.4 -10.97
-10 62.4 -11.83
-11 41.8 -12.56
而本发明的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统的基本操作原理，当将交换器3009设为开路时，为布里渊光时域分析法架构，此架构系利用受激的布里渊散射作用，透过单模光纤3010内的电致伸缩效应，即当泵浦光与背向布里渊散射光之间的干涉，会引起的拍频电场，当布里渊散射光的本身功率较小时，可透过一束反向入射的连续探测光，与该泵浦光进行交互作用，进而确保两束光保持特定频率与偏振，而当两束光相遇时，其会产生受激的布里渊散射，并进行能量的转移。通过第一光电探测器3021接受到光信号，透过示波器3023观察信号。当短路交换器3009时，将BOTDA的探测光路阻隔，此架构为相位敏感光时域反射法的架构，透过窄线宽激光3001做为光源，进入声光调制器3011载入实验所需的脉冲信号。而调制后的信号会有极大的功率损耗，因此透过第一掺铒光纤放大器3012将光信号做第一次放大。由于相位敏感光时域反射法探测原理是利用雷利背向散射，而雷利散射光为弹性碰撞使入射光与散射光同调，接收散射光进行信号处理。当入射光在进入待测光纤3010时，过大的功率会导致受激布里渊散射光效应与其他不必要的非线性效应产生，导致散射信号的处理难度，降低系统的SNR。所以透过光衰减器调整入射光的功率，并利用光频谱分析仪观测其入射光质量。光进入待测光纤3010后，背向雷利散射光会从光循环器3014的埠3输出，藉由光频谱分析仪观察无布里渊散射光之后再进入第二掺铒光纤放大器3017，对经过长距离传输而导致损耗的光信号进行第二次放大，然而因为使用了光放大器3017进行光信号放大，导致光信号包含宽带谱光源，透过可调式光滤波器3020滤出所需的雷利散射光。最后由第二光电探测器3022进行接收，并利用数字荧光示波器3023撷取信号，最后进行信号的处理。
以上实施例的混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统的优势，系有别于传统的检测技术，可单独使用光纤感测进行测量，容易测量出精确位置且可避免其他因素所造成的影响，且以上实施例系以光纤感测技术能够延长至数公里到数十公里的任何的区间作为感测测量，感测范围相当广泛，又以上实施例可达到减少感测成本，且可减少光源的光能量插入损耗。以上实施例其光纤感测在长距离内有相当精确的精准度，且亦可判断发生扰动的正确位置。
以上实施例的优势之一，系利用光纤本身的布里渊频率的增减，而该现象系因为光纤的直径变化，以及光纤的密度变化，所相应产生。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，其特征在于，包含：
窄线宽光纤激光光源，该窄线宽光纤激光光源连接一耦合器，该耦合器连接一第一全光纤元件偏振控制器，以及，同时连接一第二全光纤元件偏振控制器，以一信号产生器连接一电光调制器，该第一全光纤元件偏振控制器连接该电光调制器，该电光调制器连接一第一可变光衰减器，连接一光隔离器，以及，连接一交换器，连接一待测光纤，
以该第二全光纤元件偏振控制器，进行连接一声光调制器，连接一第一掺铒光纤放大器，连接一第二可变光衰减器，连接一光循环器，连接该第二掺铒光纤放大器，连接一可调滤波器，连接一光电探测器，连接一直流阻隔器，连接一数字荧光示波器，以及
其中一声光调制器，连接一驱动器，连接一脉波产生器。
2.如权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，其中该第一全光纤元件偏振控制器，与该第二全光纤元件偏振控制器可进行一调整光偏振态，使得一功率输出为最大。
3.如权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，其中该声光调制器，连接该驱动器，再连接该脉波产生器，借以载入所需的一弦波信号而产生一探测光。
4.一种混合布里渊光时域分析法与相位敏感光时域反射法的分布式光纤感测系统，其特征在于，包含：
一窄线宽光纤激光光源，该窄线宽光纤激光光源连接一耦合器，该耦合器连接一第一全光纤元件偏振控制器，以及，同时连接一第二全光纤元件偏振控制器，以一信号产生器连接一电光调制器，该第一全光纤元件偏振控制器连接该电光调制器，该电光调制器连接一第一可变光衰减器，连接一光隔离器，以及，连接一交换器，连接一待测光纤，
以该第二全光纤元件偏振控制器，进行连接一声光调制器，连接一第一掺铒光纤放大器，连接一第二可变光衰减器，连接一光循环器，连接该第二掺铒光纤放大器，连接一第二耦合器，同时连接一第一可调滤波器，以及，一第二可调滤波器，其中该第一可调滤波器连接一第一光电探测器，连接一数字荧光示波器，该第二可调滤波器连接一第二光电探测器，连接一数字荧光示波器，以及
其中一声光调制器，连接一驱动器，连接一脉波产生器。
5.如权利要求4所述的光纤感测系统，其特征在于，其中该第一全光纤元件偏振控制器，与该第二全光纤元件偏振控制器可进行一调整光偏振态，使得一功率输出为最大。
6.如权利要求4所述的光纤感测系统，其特征在于，其中该声光调制器，连接该驱动器，再连接该脉波产生器，借以载入所需的弦波信号而产生一探测光。
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