CN201233225Y - 一种新型光纤布里渊光时域分析器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的光纤布里渊光时域分析器是利用光纤宽带非线性光放大效应和相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析原理制成的光纤布里渊光时域分析器。包括窄带单频光纤激光器，光纤分路器，脉冲调制器，两个光纤环行器，外差接收器，数字信号处理器，光纤光栅滤波器，单模光纤和连续运行的光纤拉曼泵浦激光器。采用连续运行的高功率光纤拉曼激光器作为布里渊光时域分析器的泵浦光源，克服了光纤布里渊光时域分析器要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，利用宽带光纤非线性散射光放大取代窄带布里渊放大，增加了背向相于放大的受激布里渊散射光的增益，提高了系统的信噪比，增加了测量长度，改善了应变和温度同时测量的精度。

Description

一种新型光纤布里渊光时域分析器

技术领域

本实用新型涉及光纤布里渊光时域分析器，属于分布式光纤传感器技术领域。

背景技术

在光纤布里渊光时域分析器领域，光纤布里渊光时域反射器采用光纤自发的布里渊散射，因此背向布里渊散射信号很弱，利用光纤布里渊散射光的频移和强度比来测量应变和温度的精度很低，测程短，空间分辨率较低。T.Horiguchi等发明了布里渊光时域分析器，在光纤的另一端加一个相干泵浦激光器，实现布里渊放大，采用相干放大的受激布里渊散射，增强了信号，改善了系统的信噪比。但是，光纤布里渊光时域分析器要求严格地锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率，在技术上很困难。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种易于操作，增益高，系统信噪比强，测量精度高的新型光纤布里渊光时域分析器。

为达到上述目的，新型光纤布里渊光时域分析器是利用光纤宽带非线性光放大效应和相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析原理制成的光纤布里渊光时域分析器，包括窄带单频光纤激光器，光纤分路器，脉冲调制器，两个光纤环行器，外差接收器，数字信号处理器，光纤光栅滤波器，单模光纤和连续运行的光纤拉曼泵浦激光器，光纤分路器的输入端与窄带单频光纤激光器相连，光纤分路器的一个输出端与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端与第一光纤环行器的输入端相连，脉冲调制器输出的脉冲激光通过第一光纤环行器的公共端进入光纤光栅滤波器，光纤光栅滤波器的输出端与单模光纤的首端相连，单模光纤的末端与光纤拉曼泵浦激光器相连，第一光纤环行器的输出端与第二光纤环行器的公共端相连，第二光纤环行器的输入端与光纤分路器的另一个输出端相连，由第二光纤环行器将光纤分路器输出的本地光与单模光纤产生的相干放大并经过滤波的布里渊散射光进行混频，混频后的输出进入外差接收器，外差接收器的输出端和数字信号处理器相连，经外差接收器和数字信号处理器解调后得到在光纤中各段的应变和温度量。

本实用新型中，所说的窄带单频光纤激光器是中心波畏为1550nm，光谱带宽为200kHz的连续运行光纤激光器。

本实用新型中，所说的外差接收器是频率响应为12Ghz以上的光电探测器。

本实用新型中，所说的光纤光栅滤波器的中心波畏为1455nm，光谱带宽为1nm，隔离度为25dB。

本实用新型中，所说的单模光纤为60km单模通讯G652光纤或60km LEAF光纤。

本实用新型中，所说的连续运行的光纤拉曼泵浦激光器是功率在100mw-1200mw范围可调的主波长为1455nm连续运行的光纤拉曼激光器。

工作时，窄带单频光纤激光器输出的连续激光经光纤分路器分成两束，其中一束激光经脉冲调制器调制成脉冲光，通过光纤光栅滤波器，进入单模光纤，与单模光纤发生非线性相互作用，产生背向布里渊散射光，布里渊散射光的频率与强度度受单模光纤各段的温度和应变调制。由单模光纤末端光纤拉曼泵浦激光器产生的强激光泵浦，在单模光纤里产生非线性放大(具有拉曼放大和布里渊放大的双重放大)，由此，被放大的受激布里渊散射光ν₀±ν_B经光纤光栅滤波器，滤除1455nm光纤拉曼泵浦激光器在单模光纤里激光泵浦后残存的光，通过第一光纤环行器，进入第二光纤环行器与来自光纤分路器的另一束本地光ν₀混频，混频后的输出经外差接收器和数字信号处理器解调后得到在光纤中各段的应变和温度量，应变和温度变化速度和方向。利用光时域反射对单模光纤上各段的位置进行定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器解调，经过应变和温度定标，得到单模光纤各段的应力和温度变化量，测应变精度为10μ ε，测温精度±1℃，由显示器显示或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。

布里渊时域分析器的工作原理：

在光纤中，入射光纤的探测激光与光纤中声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的周期性调制(折射率光栅)，产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移ν_B为：

ν_B＝2nv/λ                         (1)

其中n为入射光波长λ处的折射率，v为光纤中声速，对石英光纤，在λ＝1550nm附近，ν_B约为11GHz。

在光纤中的布里渊散射光频移ν_B具有应变和温度效应

布里渊散射光的频移

δν_Β＝C_νεδε+C_νTδT               (3)

其中频移的应变系数C_ν ε和温度系数C_ν T为

C_νε＝0.0482±0.004MHz/με，C_νT＝1.10±0.02MHz/K

光纤中布里渊散射的强度也具有应变和温度效应，光纤中布里渊散射的强度比(Landau-Plazcek比)也依赖于光纤的应变和温度

$\frac{100{\mathrm{\δI}}_B}{I_B}=C_{\mathrm{P\ϵ}}\mathrm{\δ\ϵ}+C_{\mathrm{PT}}\mathrm{\δT}---\left(4\right)$ 其中强度比的应变系数C_P ε和温度系数C_P T为

C_Pε＝-(7.7±1.4)×10^-4％/με，C_PT＝0.36±0.06％/K

由(3)式和(4)式，只要测量出光纤上各段频移和强度比可解调出此段光纤的应变δε 和温度差δ T。

本实用新型的优点：

本实用新型提出的新型光纤布里渊光时域分析器，采用连续运行的高功率光纤拉曼激光器作为新型布里渊光时域分析器的泵浦光源，取代了相干泵浦窄带激光器，克服了光纤布里渊光时域分析器中要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，连续运行的高功率光纤拉曼激光器产生的强激光在单模光纤中实现了宽带光纤非线性散射光放大取代了窄带布里渊放大，增加了背向相干放大的受激布里渊散射光的增益，提高了系统的信噪比，增加了测量长度，改善了应变和温度同时测量的精度。

附图说明

图1为本实用新型的光纤布里渊光时域分析器的示意图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的光纤布里渊光时域分析器包括窄带单频光纤激光器11，光纤分路器12，脉冲调制器13，两个光纤环行器14、15，外差接收器16，数字信号处理器17，光纤光栅滤波器18，单模光纤19和连续运行的光纤拉曼泵浦激光器20，光纤分路器12的输入端与窄带单频光纤激光器11相连，光纤分路器12的一个输出端与脉冲调制器13的输入端相连，脉冲调制器13的输出端与第一光纤环行器14的输入端相连，第一光纤环行器14的公共端与光纤光栅滤波器18的输入端相连，光纤光栅滤波器18的输出端与单模光纤19的首端相连，单模光纤19的末端与光纤拉曼泵浦激光器20相连，第一光纤环行器14的输出端与第二光纤环行器15的公共端相连，第二光纤环行器15的输入端与光纤分路器12的另一个输出端相连，第二光纤环行器15的输出端与外差接收器16的输入端相连，外差接收器16的输出端和数字信号处理器17相连。

数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在计算机内。数字信号处理器可采用美国NI公司的双通道100MHz带宽，100MS/s采集率的NI5911型信号处理卡，或采用加拿大GaGe公司双通道，500MS/s采集率的CS21GB-1GHz型信号处理卡。

Claims (6)

1.一种新型光纤布里渊光时域分析器，其特征是包括窄带单频光纤激光器(11)，光纤分路器(12)，脉冲调制器(13)，两个光纤环行器(14)、(15)，外差接收器(16)，数字信号处理器(17)，光纤光栅滤波器(18)，单模光纤(19)和连续运行的光纤拉曼泵浦激光器(20)，光纤分路器(12)的输入端与窄带单频光纤激光器(11)相连，光纤分路器(12)的一个输出端与脉冲调制器(13)的输入端相连，脉冲调制器(13)的输出端与第一光纤环行器(14)的输入端相连，脉冲调制器(13)输出的脉冲激光通过第一光纤环行器(14)的公共端进入光纤光栅滤波器(18)，光纤光栅滤波器(18)的输出端与单模光纤(19)的首端相连，单模光纤(19)的末端与光纤拉曼泵浦激光器(20)相连，第一光纤环行器(14)的输出端与第二光纤环行器(15)的公共端相连，第二光纤环行器(15)的输入端与光纤分路器(12)的另一个输出端相连，由第二光纤环行器(15)将光纤分路器(12)输出的本地光与单模光纤(19)产生的相干放大并经过滤波的布里渊散射光进行混频，混频后的输出进入外差接收器(16)，外差接收器(16)的输出端和数字信号处理器(17)相连，经外差接收器和数字信号处理器解调后得到在光纤中各段的应变和温度量。

2.根据权利要求1所述的新型光纤布里渊光时域分析器，其特征是窄带单频光纤激光器(11)的中心波长为1550nm，光谱带宽为200kHz的连续运行光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的新型光纤布里渊光时域分析器，其特征是外差接收器(16)是频率响应为12Ghz以上的光电探测器。

4.根据权利要求1所述的新型光纤布里渊光时域分析器，其特征是光纤光栅滤波器(18)的中心波长为1455nm，光谱带宽为1nm，隔离度为25dB。

5.根据权利要求1所述的新型光纤布里渊光时域分析器，其特征是单模光纤(19)为60km单模通讯G652光纤或60km LEAF光纤。

6.根据权利要求1所述的新型光纤布里渊光时域分析器，其特征是所说的连续运行的光纤拉曼泵浦激光器(20)是功率在100mw-1200mw范围可调的主波长为1455nm连续运行的光纤拉曼激光器。

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