CN201885732U - 一种融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，是利用光纤的布里渊散射的频移效应、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分布式光纤传感器，包括窄线宽单频光纤激光器，三个光纤分路器，脉冲调制器，光纤布里渊频移器，两个光纤环行器，掺饵光纤放大器，偏振扰模器，光纤窄带反射滤波器，光纤拉曼泵浦激光器，单模传感光纤，光纤滤波器，光电接收、放大器模块，两个数字信号处理器，光电外差接收、放大器模块和计算机，其中光纤布里渊频移器是由环行器，单模光纤和光纤F-P滤波器依次相连组成。该传感器结构简单、低价位、测量精度高、稳定性好。

Description

一种融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤布里渊传感器，尤其是融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器。

背景技术

在光纤布里渊光时域分析器领域，张在宣提出一种新型的《光纤布里渊光时域分析器》(中国专利：ZL200810063711.8)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，解决了T.Horiguchi等发明的布里渊光时域分析器中，窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率锁定的难题。为了提高布里渊光时域分析器(BOTDA)和布里渊光时域反射器(BOTDR)的测量精度，国内外学者(Gabriele Bolognini，Marcelo A.Soto，and Fabrizio Di Pasquale，，IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS，2009，21(20)：1523-1525；张在宣等中国专利：ZL200710156868.0，ZL 200810063711.8；Mohammad Belal，Yuh Tat Cho，MortenIbsen and Trevor P Newson，Meas.Sci.Technol.2010，21，015204(7pp)；宋牟平等，中国激光，2010，37(3)：757-762；路元刚等提出的发明专利，授权公告号：CN100504309C)采用微波发生器或通过电光或声光调制器微波频移器等降低本地激光器信号(v₀)频率的技术方案，实现相干检测技术，由于光纤的布里渊声子的频率(v_B)约为11GHz，采用带有应变或温度信息的光纤布里渊回波信号(v₀-v_B‘)与本地激光器信号(v₀)外差相干检测在微波十吉赫芝频段。但是，在微波波段(11GHz)电子学检测难度大，而且很昂贵；陈方，万生鹏提出《双光纤相干外差检测布里渊频移的传感系统》方案(传感器与微系统，2006，47(8)：18-23)，采用与传感光纤是同一批生产的，10.3km参量都相同的光纤作为参考光纤实现相干检测，省略了光的频移调节环节，简化了光路和滤波，降低了对光源的稳频要求，但在远程布里渊时域反射仪中采用与传感光纤相同参量的光纤作为参考光纤是不现实的，缺乏实用性，而且仅用于中程10km传感系统。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种简单、低价位、测量精度高、稳定性好的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器。

本实用新型的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，包括窄线宽单频光纤激光器，第一光纤分路器，脉冲调制器，光纤布里渊频移器，第一光纤环行器，掺饵光纤放大器，偏振扰模器，第二光纤环行器，光纤窄带反射滤波器，第二光纤分路器，光纤拉曼泵浦激光器，单模传感光纤，光纤滤波器，第三光纤分路器，光电接收、放大器模块，第一数字信号处理器，光电外差接收、放大器模块，第二数字信号处理器和计算机，其中光纤布里渊频移器是由环行器，单模光纤和光纤F-P滤波器依次相连组成。第一光纤分路器的输入端与窄线宽单频光纤激光器相连，第一光纤分路器的一个输出端与光纤布里渊频移器中的环行器输入端相连，第一光纤分路器的另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经光纤放大器与偏振扰模器的输入端相连，偏振扰模器的输出端与第二光纤环行器的输入端相连，第二光纤环行器的一个输出端接光纤窄带反射滤波器的输入端，第二光纤环行器的另一个输出端接光纤滤波器的输入端，光纤窄带反射滤波器的输出端与第二光纤分路器的输入端相连，第二光纤分路器的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器，第二光纤分路器的另一个输出端与单模传感光纤连接，光纤拉曼泵浦激光器与单模传感光纤构成前向泵浦光纤拉曼放大器，光纤滤波器的输出端与第三光纤分路器的输入端相连，第三光纤分路器的一个输出端与光电接收、放大器模块的输入端相连，光电接收、放大器模块的输出端与第一数字信号处理器的输入端相连，第一数字信号处理器的输出端接计算机，第三光纤分路器的另一个输出端与第一光纤环行器一个输入端相连，第一光纤环行器的另一个输入端与光纤布里渊频移器中的环行器输出端相连，第一光纤环行器的输出端与光电外差接收、放大器模块的输入端相连，光电外差接收、放大器模块的输出端与第二数字信号处理器的输入端相连，第二数字信号处理器的输出端接计算机。

本实用新型中，所说的窄线宽单频光纤激光器是中心波長为1550nm，光谱线宽为3kHz，边模抑制比＞65dB，输出功率达0-20mW可调的连续运行光纤激光器。

本实用新型中，光纤布里渊频移器中的单模光纤可以是2km、3km或5km单模光纤。光纤布里渊频移器中的光纤F-P滤波器是窄带反射F-P滤波器，只反射单模光纤中的斯托克斯布里渊散射信号。

本实用新型中，所说的光纤拉曼泵浦激光器是中心波长为1465nm连续运行的光纤拉曼激光器，光谱宽度为0.1nm，功率100mw-1200mw范围可调。它与单模传感光纤组成一个C波段增益可调的前向泵浦光纤拉曼放大器，取代BOTDA中的光纤布里渊放大器对光纤中传输的布里渊散射信号进行相干放大，增强了信号，降低了光纤传输损耗。

本实用新型中，所说的第一光纤分路器的分光比为50∶50；第二光纤分路器的分光比为95∶5；第三光纤分路器的分光比为50∶50。

本实用新型中，所说的单模传感光纤可以是60km或80km的G652通讯单模光纤或LEAF光纤。

本实用新型中，所说的光纤窄带反射滤光器的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.3nm，对1465nm瑞利散射光的隔离度＞45dB。光纤窄带反射滤光器抑制1465nm光纤拉曼泵浦激光器在单模传感光纤中产生的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干扰传感光纤中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影响。

本实用新型中，所说的光电接收、放大器模块和光电外差接收、放大器模块分别是InGaAs光电雪崩二极管与放大器组成的模块。由于本地信号v₀-v_B与回波信号v₀-v_B’差频的频率处于百兆赫芝频段，普通的InGaAs光电雪崩二极管频率响应能满足检测要求。

本实用新型中，脉冲调制器使连续运行的窄线宽单频光纤激光器，通过调制器产生重复频率为1kHz，脉宽为50ns的脉冲激光，经掺铒光纤放大器作为光纤布里渊时域分析器的探测激光源并连结偏振扰模器PS，用来减小偏振相关度。

光纤布里渊频移器的工作原理：

窄线宽单频光纤激光器发出的激光进入光纤布里渊频移器中的单模光纤，激光与光纤相互作用，产生瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。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)，产生布里渊散射光子，称为光纤布里渊(Brillouin)散射效应。光纤布里渊散射是入射光子v₀与光纤分子相互作用的非弹性碰撞，参与的是声学声子，声子的频率为11GHz，高频端v₀+Δv为反斯托克斯布里渊散射，低频端v₀-Δv为斯托克斯布里渊散射。斯托克斯布里渊散射的阈值远低于反斯托克斯布里渊散射，当入射激光达到一定阈值时，入射光绝大部分转化为背向斯托克斯布里渊散射光v₀-Δv，实现了入射光的频移，将探测激光频移了Δv，构成光纤布里渊频移器。

光纤受激拉曼放大工作原理：

当入射激光v₀与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子Δv，光纤分子的声子频率为13.2THz。

v＝v₀±Δv                        (1)

放大器的开关增益为

G_A＝exp(g_RP₀L_eff/A_eff)              (2)

其中P₀＝I₀A_eff是放大器的泵浦光输入功率，g_R是拉曼增益系数A_eff是光纤的有效截面，L_eff为光纤的有效作用长度(考虑了光纤对泵浦的吸收损耗)，其表达式如下：

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_p}[1-\exp (-{\mathrm{\α}}_{p}L)]---\left(3\right)$

对于光纤拉曼放大器，泵浦功率只有超过某一阈值时，才有可能会对信号产生受激拉曼放大，在光纤里的斯托克斯波v＝v₀-Δv在光纤介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，这种受激拉曼散射现象相干放大了在光纤中背向传输的布里渊散射光，增益可以抑制布里渊散射光在光纤里的传输损耗，提高全分布式光纤布里渊传感器的工作距离。

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)，产生频率上、下移的反斯托克斯和斯托克斯布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移v_B为：

v_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，当λ＝1550nm时，v_B约为11GHz。光纤中产生背向反斯托克斯与斯托克斯布里渊散射光。

v＝v₀±v_B                         (2)

在光纤中的布里渊散射光频移v_B具有应变和温度效应、

布里渊散射光的频移

δv_B＝C_vεδε+C_vTδT                 (4)

其中频移的应变系数C_vε和温度系数C_vT为

C_vε＝0.0482±0.004MHz/με，C_vT＝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也依赖于光纤的应变和温度

$\frac{100\mathrm{\δ}{I}_B}{I_B}=C_{\mathrm{P\ϵ}}\mathrm{\δ\ϵ}+C_{\mathrm{PT}}\mathrm{\δT}---\left(5\right)$

其中强度比的应变系数C_Pε和温度系数C_PT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δT。

工作时，窄带单频光纤激光器输出的连续激光经第一光纤分路器分成两束，其中一束激光经过光纤布里渊频移器中的光纤F-P滤波器产生v₀-v_B光纤斯托克斯布里渊散射光，作为BOTDR和BOTDA的本地信号，式中v_B为光纤布里渊频移，约为11GHz。第一光纤分路器的另一束经脉冲调制器调制成脉冲光，再经掺饵光纤放大器放大，通过偏振扰模器，进入单模传感光纤，与单模传感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受单模传感光纤各段的温度和应变调制。通过第二光纤分路器，光纤拉曼泵浦激光器产生的强激光泵浦输入单模传感光纤，构成前向泵浦光纤拉曼放大器，在单模传感光纤里产生拉曼放大，得到相干放大的布里渊散射光，被相干放大的布里渊散射光v₀-v_B’经光纤窄带反射滤波器滤除1465nm光纤拉曼泵浦激光器在单模传感光纤里激光泵浦后背向残存的光，通过第一光纤环行器，将来自第三光纤分路器的带有温度和应变信息的单模传感光纤的背向布里渊回波信号与来自光纤布里渊频移器的本地信号v₀-v_B混频，混频后的输出经光电外差接收、放大器模块，送入计算机控制的第二数字信号处理器，得到光纤上各段上应变和温变引起的频移量；第三光纤分路器的另一路背向布里渊回波信号经光电接收、放大器模块进行光电变换后送入计算机控制的第一数字信号处理器，得到的斯托克斯布里渊散射信号的强度比，再经计算机应变、温变双解软件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传感光纤上各段的位置进行定位(光纤雷达定位)，经过应变和温度定标，得到单模传感光纤各段的应力和温度变化量，测应变精度为20με，测温精度±1℃，测量时间60s，由计算机显示器显示或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。

本实用新型的优点：

本实用新型提出的融合光纤布里渊频移器的全分布式光纤布里渊传感器，采用窄线宽单频光纤激光器作为布里渊光时域分析器的探测光源，采用光纤布里渊频移器取代参考光纤将微波波段十吉赫芝频段相干外差检测挪到几十兆赫芝频段检测，实现了几十兆赫芝频段外差相干检测取代十吉赫芝频段外差相干检测，降低了外差相干检测的技术难度，大幅度地降低了成本，改善了系统的信噪比和稳定性，光纤拉曼泵浦激光器与单模传感光纤组成一个C波段增益可调的前向泵浦光纤拉曼放大器，取代BOTDA中的光纤布里渊放大器对光纤中传输的布里渊散射信号进行相干放大，增强了信号，降低了光纤传输损耗，提高了系统的信噪比，提高了应变和温度同时测量的精度。

附图说明

图1为本实用新型的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器包括窄线宽单频光纤激光器10，第一光纤分路器11，脉冲调制器12，光纤布里渊频移器13，第一光纤环行器14，掺饵光纤放大器15，偏振扰模器16，第二光纤环行器17，光纤窄带反射滤波器18，第二光纤分路器19，光纤拉曼泵浦激光器20，单模传感光纤21，光纤滤波器22，第三光纤分路器23，光电接收、放大器模块24，第一数字信号处理器25，光电外差接收、放大器模块26，第二数字信号处理器27和计算机28，其中光纤布里渊频移器13是由环行器13-1，单模光纤13-2和光纤F-P滤波器13-3依次相连组成。第一光纤分路器11的输入端与窄线宽单频光纤激光器10相连，第一光纤分路器11的一个输出端与光纤布里渊频移器13中的环行器13-1输入端相连，第一光纤分路器11的另一个输出端与脉冲调制器12的输入端相连，脉冲调制器12的输出端经光纤放大器15与偏振扰模器16的输入端相连，偏振扰模器16的输出端与第二光纤环行器17的输入端相连，第二光纤环行器17的一个输出端接光纤窄带反射滤波器18的输入端，第二光纤环行器17的另一个输出端接光纤滤波器22的输入端，光纤窄带反射滤波器18的输出端与第二光纤分路器19的输入端相连，第二光纤分路器19的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器20，第二光纤分路器19的另一个输出端与单模传感光纤21连接，光纤拉曼泵浦激光器20与单模传感光纤21构成前向泵浦光纤拉曼放大器，光纤滤波器22的输出端与第三光纤分路器23的输入端相连，第三光纤分路器23的一个输出端与光电接收、放大器模块24的输入端相连，光电接收、放大器模块24的输出端与第一数字信号处理器25的输入端相连，第一数字信号处理器25的输出端接计算机28，第三光纤分路器23的另一个输出端与第一光纤环行器14一个输入端相连，第一光纤环行器14的另一个输入端与光纤布里渊频移器13中的环行器13-1输出端相连，第一光纤环行器14的输出端与光电外差接收、放大器模块26的输入端相连，光电外差接收、放大器模块26的输出端与第二数字信号处理器27的输入端相连，第二数字信号处理器27的输出端接计算机28。

窄线宽单频光纤激光器采用深圳飞米激光技术有限公司高掺杂特种光纤制成的短腔窄线宽1550nmNFFL型窄线宽单频光纤激光器。

窄线宽单频光纤激光器10通过光纤布里渊频移器13中的单模光纤后产生v₀的激光和v₀-v_B光纤背向斯托克斯布里渊散射光，经光纤F-P滤波器滤掉v₀的激光，得到的v₀-v_B光纤斯托克斯布里渊散射光，作为BOTDR和BOTDA的本地信号，式中v_B为光纤布里渊频移，约为11GHz。采用光纤布里渊频移器取代参考光纤将微波波段十吉赫芝频段相干外差检测挪到几十兆赫芝频段检测。

光电接收、放大器模块和光电外差接收、放大器模块均采用杭州欧忆光电科技有限公司的HZOE-GDJM-2型光电接收模块。

第一数字信号处理器采用杭州欧忆光电科技有限公司的100MHz带宽，250MS/s采集率的HZOE-SP01型信号处理卡；第二数字信号处理器27采用杭州欧忆光电科技有限公司的100MHz带宽，250MS/s采集率的HZOE-SP02型带有FFT变换器的信号处理卡。

Claims (7)

1.一种融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征是包括窄线宽单频光纤激光器(10)，第一光纤分路器(11)，脉冲调制器(12)，光纤布里渊频移器(13)，第一光纤环行器(14)，掺饵光纤放大器(15)，偏振扰模器(16)，第二光纤环行器(17)，光纤窄带反射滤波器(18)，第二光纤分路器(19)，光纤拉曼泵浦激光器(20)，单模传感光纤(21)，光纤滤波器(22)，第三光纤分路器(23)，光电接收、放大器模块(24)，第一数字信号处理器(25)，光电外差接收、放大器模块(26)，第二数字信号处理器(27)和计算机(28)，其中光纤布里渊频移器(13)是由环行器(13-1)，单模光纤(13-2)和光纤F-P滤波器(13-3)依次相连组成,第一光纤分路器(11)的输入端与窄线宽单频光纤激光器(10)相连，第一光纤分路器(11)的一个输出端与光纤布里渊频移器(13)中的环行器(13-1)输入端相连，第一光纤分路器(11)的另一个输出端与脉冲调制器(12)的输入端相连，脉冲调制器(12)的输出端经光纤放大器(15)与偏振扰模器(16)的输入端相连，偏振扰模器(16)的输出端与第二光纤环行器(17)的输入端相连，第二光纤环行器(17)的一个输出端接光纤窄带反射滤波器(18)的输入端，第二光纤环行器(17)的另一个输出端接光纤滤波器(22)的输入端，光纤窄带反射滤波器(18)的输出端与第二光纤分路器(19)的输入端相连，第二光纤分路器(19)的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器(20)，第二光纤分路器(19)的另一个输出端与单模传感光纤(21)连接，光纤拉曼泵浦激光器(20)与单模传感光纤(21)构成前向泵浦光纤拉曼放大器，光纤滤波器(22)的输出端与第三光纤分路器(23)的输入端相连，第三光纤分路器(23)的一个输出端与光电接收、放大器模块(24)的输入端相连，光电接收、放大器模块(24)的输出端与第一数字信号处理器(25)的输入端相连，第一数字信号处理器(25)的输出端接计算机(28)，第三光纤分路器(23)的另一个输出端与第一光纤环行器(14)一个输入端相连，第一光纤环行器(14)的另一个输入端与光纤布里渊频移器(13)中的环行器(13-1)输出端相连，第一光纤环行器(14)的输出端与光电外差接收、放大器模块(26)的输入端相连，光电外差接收、放大器模块(26)的输出端与第二数字信号处理器(27)的输入端相连，第二数字信号处理器(27)的输出端接计算机(28)。

2.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于所说的窄线宽单频光纤激光器(10)是中心波長为1550nm，光谱线宽为3kHz，边模抑制比＞65dB，输出功率为0-20mW可调的连续运行光纤 激光器。

3.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于光纤布里渊频移器(13)中的单模光纤(13-2)是2km、3km或5km单模光纤；光纤布里渊频移器(13)中的光纤F-P滤波器(13-3)是窄带反射F-P滤波器。

4.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于光纤拉曼泵浦激光器(20)是中心波长为1465nm连续运行的光纤拉曼激光器，光谱宽度为0.1nm，功率100mw-1200mw范围可调。

5.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于所说的第一光纤分路器(11)的分光比为50∶50；第二光纤分路器(19)的分光比为95∶5；第三光纤分路器(23)的分光比为50∶50。

6.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于所说的单模传感光纤(21)为60km或80km的G652通讯单模光纤或LEAF光纤。

7.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于光纤窄带反射滤波器(18)的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.3nm，对1465nm瑞利散射光的隔离度＞45dB。 

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