CN1702436A - 一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种距离分布式布喇格光纤光栅传感系统，该系统采用了双级掺铒光纤和双向拉曼放大结构。由于将拉曼放大器的低噪声特性和EDFA的高增益很好的结合在一起，使得系统性能大为提高，一方面降低了系统对泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率，另一方面极大地延长传感系统的传感距离，同时还可以提高系统中布拉格光线光栅传感器的复用能力，大大降低系统的成本。该系统可以形成单向型传感结构和多路并联传感结构这两种结构形式。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种分布式布拉格光纤光栅传感系统。
背景技术
布拉格光纤光栅(FBG)是一种传输方向相反的模式之间发生耦合而反射特定波长的光纤滤波器，它在受到外界环境的温度、应力、压力的影响时其中心波长会发生变化。根据这一原理，可以通过对布拉格光纤光栅波长量变化的监测来测量外界环境物理量的变化。布拉格光纤光栅以其成本低、体积小、抗电磁干扰、复用能力强、易于封装、可大规模生产等突出优点而成为光纤传感器家族中最为重要的一员，可用于温度、应变、压力、位移、声波物理量的测量(见A.D.Kersey et al.1997 J.Lightwave Technol.151442；Y.J.Rao，Measure.1997 Sci.& Technol.8355等)，目前已广泛用于民用建筑、大坝、桥梁、隧道、飞机、军舰等的健康检测以及复合材料、智能结构的无损检测(见Y.J.Rao 1999 Opt.and Laser.InEng.31 297)，是目前光纤传感器中产业化最好的传感器，被誉为光纤传感领域里程碑式的革命。
单个布拉格光纤光栅的工作线宽非常窄，可以从0.01纳米到几个纳米，而现在光谱仪的分析精度也达到了相同的数量级。基于这一特点，可以在一根光纤上大量复用布拉格光纤光栅而实现准分布式测量，然而随着布拉格光纤光栅数量和传感距离的增加，由于后向瑞利散射光和光纤的背景损耗以及传感器本身的插入损耗，必然会使得传感器光信号的强度和信噪比不断下降，这使得普通布拉格光纤光栅传感系统的传感长度一般被限制在25km以内。一直以来长距离测量和大容量传感器复用是一个急待解决又悬而未决的难题。
为了实现长距离遥测，曾经报道过几个基于拉曼放大的方法。Y.Nakajima等曾提出在被动FBG传感系统中使用分布式拉曼放大来延长传输距离(Y.Nakajima，Y.Shindo，and T.Yoshikawa，“Novel concept as long-distance transmission FBG sensor system usingdistributed Raman amplification，”in Proc.16th International Conference on OpticalFiber Sensors(Nara Japan，October)，Th1-4，2003)。P.C.Peng等提出使用基于FBG和光纤环路反射的线性腔拉曼激光结构来获得高分辨率和光学信噪比(P.-C.Peng，H.-YTseng，and Sien Chi，“Long-distance FBG sensor system using a linear-cavity fiberRaman laser scheme，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，pp.575-577，2004)。Ju Han Lee等提出基于拉曼放大的，使用带掺饵光纤(EDF)和布拉格光纤光栅(FBG)来同时测量温度和应力。此外，他们还提出了基于拉曼放大，使用EDF宽带光源重复利用拉曼泵浦的剩余光进行长距离FBG应力遥感(Ju Han Lee，You Min Chang，Young-Geun Han，et al.“Ramanamplifier-based long-distance remote，strain and temperature sensing system usingan erbium-doped fiber and a fiber Bragg grating”.Optics Express，12，No.15，pp.3515-3520，2004)。
图1为现有技术种一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，该系统包括泵浦激光光源1、耦合器2、反射镜3、宽带波分复用器4、光谱仪5、掺饵光纤6、隔离器7、可调衰减器8、耦合器9、宽带波分复用器10、和若干布拉格光纤光栅11，各器件之间用单模光纤连接；泵浦激光光源输出端与耦合器2的输入端相连，耦合器2的一个输出端接宽带波分复用器4的输入端，耦合器2的另一个输出端接宽带波分复用器10的一个输入端；宽带波分复用器4的一个输出端与掺饵光纤6的输入端相连，另一个输出端接反射镜3；掺饵光纤6的输出端与隔离器7的输入端相连，隔离器7的输出端与可调衰减器8的输入端相连，可调衰减器8的输出端与耦合器9的输入端相连；耦合器9的一个输出端接宽带波分复用器10的另一个输入端，耦合器9的另一个输出端接光谱仪5；宽带波分复用器10的输出端顺序连接上若干个布拉格光纤光栅11。
该系统的工作过程是：泵浦激光光源1所发出的激光经耦合器2分成各50％的两路光输出，一路经宽带波分复用器4后输入到掺饵光纤6并被掺饵光纤6展宽成宽带光源，该宽带光源顺序经过隔离器7、可调衰减器8、耦合器9、宽带波分复用器10后沿光纤传播；耦合器2的另一路光输出经宽带波分复用器10后也沿光纤传播；光纤上的布拉格光纤光栅反射回传感光被耦合器2的另一路光输出进行拉曼放大后沿路返回，经宽带波分复用器10、耦合器9后进入光谱仪。其中，掺饵光纤6的一部分反射光被反射镜3反射以减少能量损失；隔离器7的作用是隔离布拉格光纤光栅反射回的传感光以减少整个光路的相位噪声；可调衰减器8的作用是当掺饵光纤6输出的宽带光源能量太强时，衰减掉一部分能量以减少整个光路的相位噪声。
该系统虽然可以实现长距离(50公里范围)光纤传感，但是，若要实现长距离的传感，一方面泵浦激光光源需要很大的泵浦功率(这需要大量增加整个系统的成本)；另一方面该系统应用于长距离传感时，布拉格光纤光栅反射的传感信号衰减得很厉害；再者，布拉格光纤光栅反射的传感信号的信噪比比应用于短距离传感时的信噪比下降很大，甚至丧失实用价值。
发明内容
本发明提出一种基于拉曼和掺饵光纤混合放大(EDFA)的长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，该系统可以提高泵浦的效率，极大地延长传感系统的传感距离，提高传感系统的性能，同时可以大大降低系统的成本。
本发明的技术方案如下：
一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，包括泵浦激光光源1、耦合器2、反射镜3、宽带波分复用器4、光谱仪5、掺饵光纤6、隔离器7、可调衰减器8、耦合器9、宽带波分复用器10、和若干布拉格光纤光栅11、各器件之间用单模光纤连接；泵浦激光光源输出端与耦合器2的输入端相连，耦合器2的一个输出端接宽带波分复用器4的输入端，耦合器2的另一个输出端接宽带波分复用器10的一个输入端；宽带波分复用器4的一个输出端与掺饵光纤6的输入端相连，另一个输出端接反射镜3；掺饵光纤6的输出端与隔离器7的输入端相连，隔离器7的输出端与可调衰减器8的输入端相连，可调衰减器8的输出端与耦合器9的输入端相连；耦合器9的一个输出端接宽带波分复用器10的另一个输入端，耦合器9的另一个输出端接光谱仪5；宽带波分复用器10的输出端顺序连接上若干个布拉格光纤光栅11；其特征是，该系统还包括宽带波分复用器12、环行器13、掺饵光纤14、宽带波分复用器15、环行器16和布拉格光纤光栅17；宽带波分复用器12的输入端于布拉格光纤光栅11的最后一个光纤光栅相连，其一个输出端与环行器13的端口2相连，另一个输出端与宽带波分复用器15的输入端相连；环行器13的端口3通过掺饵光纤14与宽带波分复用器15的一个输出端相连，环行器13的端口1与环行器16的端口3相连；宽带波分复用器15的另一个输出端与环行器16的端口1相连，环行器16的端口2与若干布拉格光纤光栅17相连。
上述系统采用了双级掺铒光纤和双向拉曼放大结构。开始将泵浦激光光源按照适当的比例分束，其中一部分光用于泵浦第一段掺铒光纤，掺铒光纤产生自发辐射(ASE)光用于照明处于第一级拉曼放大的传感器，经过拉曼放大了的残余的ASE光经过EDF即第二段掺铒光纤，将被放大并混合EDF的自发辐射光来照明后面的传感器，这样就为距离较远的传感器提供了较强的光，其中EDF的泵浦光来自于残余的拉曼泵浦光。处于第一级拉曼放大的传感器的信号经过了两次拉曼放大，第一次是放大光源整个带的光，第二次是放大FBG本身反射回来的光；对于处于EDF之后的FBG信号经过了两次拉曼放大和一次EDF的高增益的放大，第一次拉曼放大和EDF放大的是光源整个带的光，第二次拉曼放大是放大的FBG本身反射回来的光。由于FBG的反射率远远大于瑞利散射率，FBG信号的信噪比将会由于放大而提高，传感距离将会因为信号的放大而延长。
另外，这种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统还可以并联使用，如图5所示。
将前述一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统中宽带波分复用器10的输出端之后的结构看作是一路传感结构，则将多路同样的传感结构并联连接在宽带波分复用器10的多个输出端口上，形成具有多路并联传感结构的长距离分布式光线光栅传感系统。
具有多路并联传感结构的长距离分布式光线光栅传感系统其工作过程如下：开始将泵浦按照适当的比例分束，其中一部分光作用于泵浦第一段掺铒光纤，掺铒光纤产生自发辐射(ASE)光，经过宽带波分复用器分为多束分别注入各个传感结构，用于照明处于第一级拉曼放大的传感器，同时经过拉曼放大了的残余的ASE光经过EDF即第二段铒纤，将被放大并混合EDF的自发辐射光来照明后面的传感器，这样就为距离较远的传感器提供了较强的光，其中EDF的泵浦光来自于残余的拉曼泵浦光。处于第一级拉曼放大系统的传感器的信号经过了两次拉曼放大，第一次是放大光源整个带的光，第二次是放大FBG本身反射回来的光；对于处于EDF之后的FBG信号经过了两次拉曼放大和一次EDFA的高增益的放大，第一次拉曼放大和EDF放大的是光源整个带的光，第二次拉曼放大是放大的FBG本身反射回来的光。由于FBG的反射率远远大于瑞利散射率，FBG信号的信噪比将会由于放大而提高，传感距离将会因为信号的放大而延长。
利用上述的方法，可以使单向型传感光路的长度可达50km以上，传感器的最低信噪比可达15dB以上，当然这也取决与传感器的个数及插入损耗和泵浦功率。
该方法的特点是：
1、将拉曼放大器的低噪声特性和EDFA的高增益很好的结合在一起，使得系统性能大为提高，通过重新利用拉曼泵浦的残余光用于泵浦EDFA，降低了系统对泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率，单向型系统中，一般利用300mw以下的泵浦功率即可获得较好的效果，与其它长距离方案相比有极大的优势。
2、DFA和拉曼放大器之间采用两个环行器连接，可以隔离EDFA放大的自发辐射噪声，使得在环行器之后噪声不会对前端的传感器性能产生影响，系统中传感信号的信噪比高，这对大容量的传感器复用相当有利。
3、系统中传感器的复用能力强，可以实现从大于1525-1605范围内的传感器的波分复用。
可见拉曼放大器和掺铒光纤放大器(EDFA)混合使用方案利用较低泵浦功率解决了基于宽带光源的传感系统随着FBG数量和传感距离不断增加，由于后向瑞利散射光和光纤的背景损耗必然会使传感器光信号的强度和信噪比不断的下降的难题，实现了高的性价比、大容量、长距离、高精度的FBGs传感系统，有着较高的性价比和实用价值。
附图说明
图.1基本单向型长距离准分布式FBG传感系统示意图
1.泵浦激光光源 7.隔离器
2.耦合器 8.可调衰减器
3.反射镜 9.耦合器
4.宽带波分复用器 10.宽带波分复用器
5.光谱仪 11.布拉格光纤光栅
6.掺铒光纤
图.2基于双向拉曼放大和双EDF结构的单向型长距离准分布式FBG传感系统示意图
1.泵浦激光光源 9.耦合器
2.耦合器 10.宽带波分复用器
3.反射镜 11.布拉格光纤光栅
4.宽带波分复用器 12.宽带波分复用器
5.光谱仪 13.环行器
6.掺铒光纤 14.掺铒光纤
7.隔离器 15.宽带波分复用器
8.可调衰减器 16.环行器
17.布拉格光纤光栅
图.3拉曼和EDF混合放大时的FBG反射信号放大前后的光谱
图.4拉曼和EDF混合放大时的FBG反射信号的放大增益谱
图.5基于双向拉曼放大和双EDF结构的单向型长距离准分布式FBG传感系统扩展
1.泵浦激光光源 9.耦合器
2.耦合器 10.宽带波分复用器
3.反射镜 11.布拉格光纤光栅
4.宽带波分复用器 12.宽带波分复用器
5.光谱仪 13.环行器
6.掺铒光纤 14.掺铒光纤
7.隔离器 15.宽带波分复用器
8.可调衰减器 16.环行器
17.布拉格光纤光栅
18.传感结构
图.6输入到传感系统的光谱图
图.7没有放大时传感系统中FBG信号的谱图
具体实施方式
单向型长距离、分布式布拉格光纤光栅(FBGs)光纤传感系统实施方案
单向型长距离、分布式布拉格光纤光栅(FBGs)单向型光纤传感系统光路结构见图.2，我们采用双级铒纤和双向拉曼放大结构，系统中泵浦1、耦合器2和9、反射镜3、波分复用器4、10、12、15、光谱仪5、掺铒光纤6、14、隔离器7、可调衰减器8、布拉格光纤光栅分布在25km单模光纤上11、环行器13、16等组成。开始将泵浦分合适比例，其中一部分10％光用于泵浦第一段掺铒光纤，掺铒光纤产生自发辐射(ASE)光用于照明处于第一级拉曼放大系统的传感器即λ1，λ2，λ3，...，λM，另一部分90％泵浦光用于获得拉曼放大，同时经过拉曼放大了的残余的ASE光经过EDFA即第二段铒纤，将被放大并混合EDFA的自发辐射光来照明后面的传感器即λM+1，λM+2，λM+3，...，λN，这样就为距离较远的传感器提供了较强的光，其中EDFA的泵浦光来自于残余的拉曼泵浦光。用一台光谱分析仪来测量FBG传感器的波长，一系列不同波长的FBG被串联在光纤上用于准分布式测量。
为了说明我们的方案，将4个波长分别为1528nm、1532nm、1548nm、1552nm反射率大于90％的FBGs分别两两安放在25km和50km处；两段铒纤的长度都为5m长。将240mw波长为1440nm的泵浦光注入到50km长的光纤中去，四个FBG的信号分别被放大了约7dB和20dB，信噪比分别被提高了约2dB和10dB，信号幅值差别很小约1～2dB，结果如图.3所示。需要说明的是，系统中的可调衰减器是为了用于调整激光注入功率来优化系统性能。
可见，采用拉曼和EDFA混合放大的方式在性能指标上有极大的优势，与没有放大和只有拉曼放大的方案相比，在信号的放大倍数、信噪比以及信号幅值差方面有明显的优势，这说明采用本结构是一种实现长距离、分布式布拉格光纤光栅(FBG)单向型光纤传感系统极为有效的方案，传感器的信噪比达到15dB以上，完全能满足实际测量的需要。
Claims (3)
1、一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，包括泵浦激光光源(1)、耦合器(2)、反射镜(3)、宽带波分复用器(4)、光谱仪(5)、掺饵光纤(6)、隔离器(7)、耦合器(9)、宽带波分复用器(10)、和若干布拉格光纤光栅(11)、各器件之间用单模光纤连接；泵浦激光光源输出端与耦合器(2)的输入端相连，耦合器(2)的一个输出端接宽带波分复用器(4)的输入端，耦合器(2)的另一个输出端接宽带波分复用器(10)的一个输入端；宽带波分复用器(4)的一个输出端与掺饵光纤(6)的输入端相连，另一个输出端接反射镜(3)；掺饵光纤(6)的输出端与隔离器(7)的输入端相连，隔离器(7)的输出端与耦合器(9)的输入端相连；耦合器(9)的一个输出端接宽带波分复用器(10)的另一个输入端，耦合器(9)的另一个输出端接光谱仪(5)；宽带波分复用器(10)的输出端顺序连接上若干个布拉格光纤光栅(11)；其特征是，该系统还包括宽带波分复用器(12)、环行器(13)、掺饵光纤(14)、宽带波分复用器(15)、环行器(16)和布拉格光纤光栅(17)；宽带波分复用器(12)的输入端于布拉格光纤光栅(11)的最后一个光纤光栅相连，其一个输出端与环行器(13)的端口(2)相连，另一个输出端与宽带波分复用器(15)的输入端相连；环行器(13)的端口(3)通过掺饵光纤(14)与宽带波分复用器(15)的一个输出端相连，环行器(13)的端口(1)与环行器(16)的端口(3)相连；宽带波分复用器(15)的另一个输出端与环行器(16)的端口(1)相连，环行器(16)的端口(2)与若干布拉格光纤光栅(17)相连。
2、根据权利要求1所述的一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，其特征是，它还包括一个可调衰减器(8)，所述可调衰减器(8)连接在隔离器(7)和耦合器9之间，用于调整激光注入功率来优化系统性能。
3、根据权利要求1或2所述的一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，其特征是，将根据权利要求1或2所述的一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统中宽带波分复用器(10)的输出端之后的结构当作一路传感结构，则将多路同样的传感结构并联连接在宽带波分复用器(10)的多个输出端口上，形成具有多路并联传感结构的长距离分布式光线光栅传感系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |