CN204575099U - 利用分布式拉曼放大和edfa技术提高远距离botdr系统温度分辨率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用分布式拉曼放大和EDFA技术提高远距离BOTDR系统温度分辨率的装置，探测光产生装置后端加上光隔离器，防止反射光对光源进行干扰和损伤，然后进入光衰减器和第一EDFA的组合可以放大光强、精细调节光功率，最后经过偏振控制器、第一声光调制器、环形器和匹配光栅的组合可以将光信号调制成低噪声、偏振方向一致的脉冲光，并同时产生频移之后的本地光，依次经过混频滤波器、频谱分析仪、AD数据采集单元后连接显示装置。本实用新型装置可以提高远距离BOTDR系统的温度分辨率。

Description

利用分布式拉曼放大和EDFA技术提高远距离BOTDR系统温度分辨率的装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用分布式拉曼放大和EDFA技术提高远距离BOTDR系统温度分辨率的装置。

背景技术

近年来，基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术已经引起了人们的广泛关注，它具有巨大的市场潜力，该技术在管道、电缆、桥梁、铁路等领域需要进行长距离的监测，然而，自发布里渊散射信号的功率却非常弱，随着传感距离的增大，泵浦的消耗会使得布里渊散射信号的功率会更加弱，系统的信噪比将会变得越来越差，系统的温度分辨率也会变得越来越低。因此，如何提高远距离BOTDR系统的温度分辨率成为了分布式光纤传感技术的一个研究热点。

为了提高BOTDR系统的传感距离和温度分辨率，可以采用分布式拉曼放大技术，但是连续拉曼泵浦激光的峰值功率却是有一定限制的，传感距离不可能很远，随着传感距离的增大，在传感光纤的末端，温度分辨率会很低。目前，采用编码技术和系统平均方法都可以提高系统的信噪比，进而提高传感距离，但是，编码技术对系统信噪比的改善必须在一定的编码长度范围之内，当超过最佳编码的长度以后，随着编码长度的增加，采用编码技术不能再继续提高系统的信噪比，温度分辨率也不能再提高，而且对编码信号的系统响应进行解调的时候，在硬件上实现起来是比较复杂的；采用系统平均方法在提高系统传感距离的同时，却大大增加了系统的测量时间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种利用分布式拉曼放大和EDFA技术提高远距离BOTDR系统温度分辨率的装置，本装置具有补偿信号衰减，提高远距离系统温度分辨率的优点。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是：

一种利用分布式拉曼放大和EDFA技术提高远距离BOTDR系统温度分辨率的装置，包括拉曼光纤激光发生装置、探测脉冲光产生装置、波分复用器、光环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、耦合器、光电探测器、第一传感光纤、第二传感光纤、第一耦合器、第二耦合器、第一EDFA、电光调制器、混频滤波器、频谱分析仪、AD数据采集单元和显示装置，上述的探测光产生装置后端加上光隔离器，防止反射光对光源进行干扰和损伤，然后进入光衰减器和EDFA的组合可以放大光强、精细调节光功率，最后经过偏振控制器、声光调制器、环形器和匹配光栅的组合可以将光信号调制成低噪声、偏振方向一致的脉冲光，探测脉冲光产生装置的输出端连接第一光环形器的第一端口，第一光环形器的第二端口与第一声光调制器的输出端分别连接波分复用器，第一光环形器的第三端口通过第一光纤光栅连接第二光环形器的第一端口，第二光环形器的第二端口连接第二光纤光栅，第二光环形器的第三端口通过第三光纤光栅连接第二耦合器的一个输入端，波分复用器连接第一耦合器并由一个输出端分出一路光引入到电光调制器中，用11GHz的频率对其进行调制，用于产生频移之后的本地光，并输出到第二耦合器的另一输入端，第一耦合器的另一输出端通过第一传感光纤连接EDFA，EDFA连接第二传感光纤，第二耦合器的输出端连接光电探测器后，依次经过混频滤波器、频谱分析仪、AD数据采集单元后连接显示装置。

所述的装置，所述的第一传感光纤的长度不大于50km。

所述的装置，所述的第二传感光纤的长度不大于50km。

所述的装置，第一光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长与探测光产生装置的波长相同，带宽不大于0.2nm。

所述的装置，第二光纤光栅的中心波长与探测光产生装置的波长相同，带宽为1-2nm。

所述的装置，所述的探测脉冲光产生装置包括依次连接的探测光产生装置、光隔离器、光衰减器、第二EDFA、偏振控制器和第一声光调制器，所述的拉曼光纤激光发生装置包括依次连接的拉曼光纤激光器和第二声光调制器，且第一声光调制器和第二声光调制器保持同步开关状态。

本实用新型的技术效果在于，通过采用分布式拉曼放大技术，在传感光纤的特定位置上加入EDFA，然后再接上传感光纤，那么从传感光纤的首端至尾端，其中的自发布里渊散射信号的功率都能保持一定的强度，传感光纤远端的温度分辨率只会随着传感距离的增大降低很小的一部分。同时，滤除了后向瑞利散射信号、降低了噪声功率，削弱了其对后向布里渊散射信号提取的干扰。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1本实用新型的结构示意图；

图2为对本实用新型进行验证的第二传感光纤连接的具体设计方法；

图3为本实用新型实施例中传感光纤加热区域附近的后向布里渊散射信号图；

图4为传统方法和本实用新型方法沿传感光纤的温度分辨率对比示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型包括1480nm拉曼光纤激光器、1535nm探测光产生装置、WDM(波分复用器)、光环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、耦合器、光电探测器、光隔离器、VOA(光衰减器)、偏振控制器(PS)、声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)、第一传感光纤、第二传感光纤、EDFA、加热装置、频谱分析仪，上述的由1535nm探测光、1480nm拉曼光纤激光器及一些光学器件所产生的偏振方向一致、光功率足够大的脉冲光经过耦合器1分出一路光引入到电光调制器中，用11GHz的频率对其进行调制，用于产生频移之后的本地光，另一路光经过一段45km的传感光纤、EDFA放大后，再经加热装置进入另一部分传感光纤中，光沿传感光纤传播时，从环形器1的2端口返回后向散射信号，3端口输出，然后进入反射光栅中，环形器和匹配光栅的组合可以滤除EDFA所产生的ASE噪声及后向瑞利散射信号，去噪后的脉冲光信号经耦合器2将传感光纤反射回来的后向布里渊散射光和本地频移光进行光的相干检测，并通过光电探测器转变成电信号，然后与微波本振进行混频，对该电信号进行下变频处理，对该信号进行滤波后，最后经由频谱分析仪分析仪、AD数据采集，由自发布里渊反射频移量转换成对应的温度和应力变化量，在图形化界面上显示输出。探测光产生装置的输出光经过相关光学器件的处理，转变成偏振态一致的脉冲光，连接至第一光环形器的第一端口，第一光环形器的第二端口与拉曼光纤激光器经AOM的输出端分别连接至波分复用器，第一光环形器的第三端口通过第一光纤光栅连接至第二光环形器的第一端口，第二光环形器的第二端口连接第二光纤光栅，第二光环形器的第三端口通过第三光纤光栅，经耦合器将传感光纤反射回来的布里渊散射光和本地频移光进行光的相干检测，提取后向布里渊散射信号。在以上器件中其中第一传感光纤的长度不大于50km，第二传感光纤的长度不大于50km。第一光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长与探测光产生装置的波长相同，带宽不大于0.2nm。第二光纤光栅的中心波长与探测光产生装置的波长相同，带宽为1-2nm。

参见图2，为了对本实用新型的效果进行验证，第一传感光纤取45km长，第二传感光纤取43.2km长，并在第二传感光纤中加入加热装置，加热装置安装在第二传感光纤的第39.4-42.6km处，共计3.2km，并将温度加热至约80℃。拉曼光纤激光器的波长取1480nm，探测脉冲模块的波长取1535nm，拉曼光纤激光器和探测脉冲模块分别发出来的光通过波分复用器后耦合进入45km传感光纤，光在传感光纤中传输时会随着传感距离的增大而逐渐衰减，在传感光纤45km处，通过EDFA将光信号放大后连接至后端的传感光纤，放大后的光信号在光纤中继续传输39.4km后，通过加热装置加热后端的3.2km的传感光纤，光信号通过该段光纤后，最后进入尾端的的0.6km的传感光纤，光信号在每一段光纤中传输时都会产生后向自发布里渊散射信号，该信号将从环形器1的3端口输出，当后向散射信号进入环形器2时，FBG1和FBG3的中心波长为1534.9nm，带宽为0.2nm，这两个FBG可以滤除后向散射信号中的瑞利散射光，而使自发布里渊散射光通过，FBG2的中心波长为1534.96nm，带宽为1nm，通过拉曼泵浦产生的放大的自发拉曼噪声可以通过FBG2滤除，通过3个FBG后，自发布里渊散射信号将会通过外差处理方法，提取布里渊散射信号，本实用新型的实验结果及分析对比如图3、4所示。

图3为采用本实用新型所得到的在传感光纤加热区域附近的后向布里渊散射信号幅值，在传感光纤84.4km～87.6km的位置上，可以清楚地观测到后向布里渊散射信号的幅值变化，在传感光纤87km附近，BOTDR系统的温度分辨率约为5.7℃。

图4中的三条曲线分别表示采用如图中所示的三种方法所得到的BOTDR系统的温度分辨率，保持探测脉冲光的功率为20mw或100mv，在没有加入光放大的情况下所得到BOTDR系统的温度分辨率都是非常低的，并且随着传感光纤距离的增加，系统的温度分辨率下降非常快，而采用本实用新型方法所得到温度分辨率随着传感距离的增大，下降非常慢，有利于显著增强系统性能，提高远距离BOTDR系统的温度分辨率。

Claims (6)

1.一种利用分布式拉曼放大和EDFA技术提高远距离BOTDR系统温度分辨率的装置，其特征在于，包括拉曼光纤激光发生装置、探测脉冲光产生装置、波分复用器、光环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、耦合器、光电探测器、第一传感光纤、第二传感光纤、第一耦合器、第二耦合器、第一EDFA、电光调制器、混频滤波器、频谱分析仪、AD数据采集单元和显示装置，探测光产生装置后端加上光隔离器，防止反射光对光源进行干扰和损伤，然后进入光衰减器和第一EDFA的组合可以放大光强、精细调节光功率，最后经过偏振控制器、第一声光调制器、环形器和匹配光栅的组合可以将光信号调制成低噪声、偏振方向一致的脉冲光，探测脉冲光产生装置的输出端连接第一光环形器的第一端口，第一光环形器的第二端口与第一声光调制器的输出端分别连接波分复用器，第一光环形器的第三端口通过第一光纤光栅连接第二光环形器的第一端口，第二光环形器的第二端口连接第二光纤光栅，第二光环形器的第三端口通过第三光纤光栅连接第二耦合器的一个输入端，波分复用器连接第一耦合器并由一个输出端分出一路光引入到电光调制器中，用11GHz的频率对其进行调制，用于产生频移之后的本地光，并输出到第二耦合器的另一输入端，第一耦合器的另一输出端通过第一传感光纤连接第一EDFA，第一EDFA连接第二传感光纤，第二耦合器的输出端连接光电探测器后，依次经过混频滤波器、频谱分析仪、AD数据采集单元后连接显示装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的第一传感光纤的长度不大于50km。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的第二传感光纤的长度不大于50km。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长与探测光产生装置的波长相同，带宽不大于0.2nm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第二光纤光栅的中心波长与探测光产生装置的波长相同，带宽为1-2nm。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的探测脉冲光产生装置包括依次连接的探测光产生装置、光隔离器、光衰减器、第二EDFA、偏振控制器和第一声光调制器，所述的拉曼光纤激光发生装置包括依次连接的拉曼光纤激光器和第二声光调制器，且第一声光调制器和第二声光调制器保持同步开关状态。