CN218865305U - 一种布里渊光时域反射传感装置 - Google Patents
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Abstract
实用新型提供一种布里渊光时域反射传感装置，包括半导体激光器和第一光纤耦合器，半导体激光器发出的连续激光经第一光纤耦合器分为两束，第一光束进入第一电光调制器调制为脉冲激光，脉冲激光经由第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一光纤环形器入射至光纤复合架空地线；第二光束进入第二电光调制器进行频率移频，通过第二光纤环形器、光纤光栅滤光后，经扰偏器进入第二光纤耦合器的输入端；光纤复合架空地线的背向布里渊散射光经由第一光纤环形器后被第二掺铒光纤放大器放大后进入第二光纤耦合器的另一输入端；经第二光纤耦合器混频后连接至平衡探测单元，平衡探测单元电性连接有数据采集单元。本实用新型适合长距离光纤复合架空地线在线监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种布里渊光时域反射传感装置。
背景技术
架空线路OPGW(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，也称光纤复合架空地线)是一种复合光纤的地线，兼具地线和通信双重功能，在电力通信中广泛应用。由于架空线路OPGW距离长、分布广、遍布于丛山峻岭中，应用环境较为复杂，特别是覆冰、雷击、台风等恶劣天气，严重影响架空线路OPGW的运行可靠性。因此，架空线路OPGW运行状态在线监测，直接关系到电力系统的正常运行。
基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术是一种新型的在线监测技术，可以实现光纤沿线的温度、应变测量，具有测量距离远、无测量盲区、测量精度高等技术优势，它直接以架空线路OPGW内置单模光纤作为传感器，架空线路现场不需要安装额外的传感器以及供电、通信装置，传、感合一，适合在电力上广泛应用。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型要解决的问题是提供一种布里渊光时域反射传感装置。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种布里渊光时域反射传感装置，包括半导体激光器和第一光纤耦合器，半导体激光器发出的连续激光经第一光纤耦合器分为两束，第一光束进入第一电光调制器调制为脉冲激光，脉冲激光经由第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一光纤环形器入射至光纤复合架空地线；第二光束进入第二电光调制器进行频率移频，依次通过第二光纤环形器、光纤光栅滤光后，经由扰偏器进入第二光纤耦合器的输入端；光纤复合架空地线的背向布里渊散射光经由第一光纤环形器后被第二掺铒光纤放大器放大后进入第二光纤耦合器的另一输入端；经第二光纤耦合器混频后连接至平衡探测单元，平衡探测单元电性连接有用于采集背向布里渊散射信号的数据采集单元。
在本实用新型中，优选地，还包括波分复用器和拉曼泵浦激光器，前述拉曼泵浦激光器发出的泵浦光经由前述波分复用器进入所述光纤复合架空地线。
在本实用新型中，优选地，拉曼泵浦激光器的中心波长为1460nm。
在本实用新型中，优选地，第二电光调制器外接有微波扫频器，第二光束进入第二电光调制器通过前述微波扫频器进行频率移频，频率移频后的激光的中心频率与所述半导体激光器发出的连续激光的中心频率偏差10GHz，频率扫描的步长为1～10MHz。
在本实用新型中，优选地，光纤光栅的中心频率比连续激光的中心频率高10GHz，并且光纤光栅的3dB线宽≤0.1nm。通过所述第一光纤环形器、所述光纤光栅滤出中心频率比所述连续激光的中心频率高约10GHz的激光。
在本实用新型中，优选地，第一光纤耦合器为分光比设置为10:90 的1×2光纤耦合器。其中半导体激光器发出的连续激光的90％能量用于调制为脉冲激光器，半导体激光器发出的连续激光的10％能量用于微波频率移频。
在本实用新型中，优选地，第二光纤耦合器为分光比设置为50:50 的2×2光纤耦合器。
本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型通过半导体激光器发出连续激光经过光纤耦合器分成两束，其一光束进入第一电光调制器调制为脉冲激光，脉冲激光经由第一掺铒光纤放大器放大后，依次通过第一光纤环形器、波分复用器入射至光纤复合架空地线；另一光束进入第二电光调制器进行频率移频，依次通过第二光纤环形器、光纤光栅滤光后，经由扰偏器进入第二光纤耦合器，光纤复合架空地线的背向布里渊散射光经由波分复用器、第二掺铒光纤放大器放大后，进入第二光纤耦合器，通过平衡探测单元传输给数据采集单元对布里渊散射信号进行测量，适合长距离光纤复合架空地线在线监测的分布式光纤传感装置，实现了光纤复合架空地线的温度、应变参量的在线监测；通过拉曼泵浦激光器的分布式拉曼放大效应，进一步拓展了监测距离。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型的一种布里渊光时域反射传感装置的结构示意图。
图中：1、半导体激光器；2、第一光纤耦合器；3、第一电光调制器；4、第一掺铒光纤放大器；5、第一光纤环形器；6、波分复用器；7、光纤复合架空地线；8、第二电光调制器；9、光纤光栅；10、扰偏器；11、第二光纤耦合器；12、第二掺铒光纤放大器；13、平衡探测单元；14、数据采集单元；15、拉曼泵浦激光器；16、脉冲驱动器；17、微波扫频器；18、第二光纤环形器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本实用新型提供一种布里渊光时域反射传感装置，包括半导体激光器1和第一光纤耦合器2，半导体激光器1用于发出连续激光，由第一光纤耦合器2将连续激光分为两束，其一光束进入第一电光调制器3调制为脉冲激光，脉冲激光经由第一掺铒光纤放大器4放大后，通过第一光纤环形器5入射至光纤复合架空地线7；另一光束进入第二电光调制器8进行频率移频，通过第二光纤环形器 18、光纤光栅9滤光后，经由扰偏器10进入第二光纤耦合器11的输入端；光纤复合架空地线7的背向布里渊散射光经由第一光纤环形器 5后被第二掺铒光纤放大器12放大后进入第二光纤耦合器11的另一输入端；第二光纤耦合器11的输出端外接有平衡探测单元13，平衡探测单元13电性连接有数据采集单元14，从而实现对背向布里渊散射信号的采集。工作时，半导体激光器1发出中心频率为f0的连续激光，经1×2第一光纤耦合器2进行分光，第一光纤耦合器2的分光比设置为10:90，其中所述半导体激光器1发出的连续激光的90％能量用于调制为脉冲激光器，所述半导体激光器1发出的连续激光的 10％能量用于微波频率移频，脉冲驱动器16作用在第一电光调制器3 上将连续激光调制为脉冲激光，脉冲激光经过第一掺铒光纤放大器4 放大后，经第一光纤环形器5后入射到光纤复合架空地线7(OPGW)；另外10％的连续激光经第二电光调制器8，微波扫频器17作用在第二电光调制器8上将连续激光的频率移频，此时连续激光的中心频率为 f0±10GHz，并且可以步进扫描激光频率，频率扫描步长为1～10MHz，然后进入第二光纤环形器18、光纤光栅9(FBG)滤出中心频率为 f0+10GHz的高频激光，经扰偏器10后进入2×2第二光纤耦合器11。
在本实施例中，进一步地，还包括波分复用器6和拉曼泵浦激光器15，拉曼泵浦激光器15经由波分复用器6进入光纤复合架空地线 7，以光纤作为增益介质实现分布式拉曼放大。
在本实施例中，进一步地，拉曼泵浦激光器15的中心波长为 1460nm。
在本实施例中，进一步地，第二电光调制器8外接有微波扫频器 17，另一光束进入第二电光调制器8通过微波扫频器17进行频率移频，频率移频后的激光的中心频率与半导体激光器1发出的连续激光的中心频率偏差10GHz，频率扫描的步长为1～10MHz。
在本实施例中，进一步地，光纤光栅9的中心频率比连续激光的中心频率高10GHz，并且光纤光栅9的3dB线宽≤0.1nm。通过第一光纤环形器5、光纤光栅9滤出中心频率比连续激光的中心频率高约 10GHz的激光。
在本实施例中，进一步地，第一光纤耦合器2为分光比设置为 10:90的1×2光纤耦合器。其中半导体激光器1发出的连续激光的 90％能量用于调制为脉冲激光器，半导体激光器1发出的连续激光的 10％能量用于微波频率移频。其中，光纤布拉格光栅是光栅栅距均匀一致的一种光纤光栅，符合布拉格条件的光波信号被光栅反射，而其它波长信号基本不被反射。当光纤光栅9的中心频率比连续激光的中心频率高10GHz，并且光纤光栅9的3dB线宽≤0.1nm，因此光纤光栅9滤出中心频率为f0+10GHz的高频激光。
在本实施例中，进一步地，第二光纤耦合器11为分光比设置为 50:50的2×2光纤耦合器。
本实用新型的工作原理和工作过程如下：工作时，半导体激光器 1发出中心频率为f0的连续激光，经1×2第一光纤耦合器2进行分光，第一光纤耦合器2的分光比设置为10:90，其中所述半导体激光器1发出的连续激光的90％能量用于调制为脉冲激光器，所述半导体激光器1发出的连续激光的10％能量用于微波频率移频，脉冲驱动器 16作用在第一电光调制器3上将连续激光调制为脉冲激光，脉冲激光经过第一掺铒光纤放大器4放大后，经第一光纤环形器5后入射到光纤复合架空地线7(OPGW)；另外10％的连续激光经第二电光调制器8，微波扫频器17作用在第二电光调制器8上将连续激光的频率移频，此时连续激光的中心频率为f0±10GHz，并且可以步进扫描激光频率，频率扫描步长为1～10MHz，然后进入第二光纤环形器18、光纤光栅9(FBG)滤出中心频率为f0+10GHz的高频激光，经扰偏器10 后进入2×2第二光纤耦合器11。
拉曼泵浦激光器15(中心波长为1460nm)经波分复用器6 (1460/1550nm)之后进入光纤复合架空地线7，直接以光纤作为增益介质，实现分布式拉曼放大。
光纤复合架空地线7的背向布里渊散射光，经波分复用器6、第一光纤环形器5后，进入第二掺铒光纤放大器12放大，然后进入2 ×2第二光纤耦合器11，2×2第二光纤耦合器11的另一端连着平衡探测单元13，平衡探测单元13的输出信号进入数据采集单元14，通过数据采集单元14可以实现各个频率下的布里渊散射散射信号，经过寻峰算法，可以实现光纤布里渊频移的测量，从而实现光纤沿线温度、应变测量。
本实用新型基于平衡探测单元13的外差相干检测技术，可以实现微弱信号探测，实现超长距离监测；相干调制是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(即相干光)，外差检测是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。由于半导体激光器1在调制过程中，难免带有额外的幅度调制噪声，通过平衡探测单元13能够减少调幅噪声，当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时分为两路，分别输入两个相同的 PIN光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加一倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，从而消除调幅噪声的影响；另外，通过拉曼泵浦激光器15的分布式拉曼放大效应，进一步拓展了监测距离。
以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，包括半导体激光器(1)和第一光纤耦合器(2)，半导体激光器(1)发出的连续激光经第一光纤耦合器(2)分为两束，第一光束进入第一电光调制器(3)调制为脉冲激光，脉冲激光经由第一掺铒光纤放大器(4)放大后，通过第一光纤环形器(5)入射至光纤复合架空地线(7)；第二光束进入第二电光调制器(8)进行频率移频，依次通过第二光纤环形器(18)、光纤光栅(9)滤光后，经由扰偏器(10)进入第二光纤耦合器(11)的输入端；光纤复合架空地线(7)的背向布里渊散射光经由第一光纤环形器(5)后被第二掺铒光纤放大器(12)放大后进入第二光纤耦合器(11)的另一输入端；经第二光纤耦合器(11)混频后连接至平衡探测单元(13)，平衡探测单元(13)电性连接有用于采集背向布里渊散射信号的数据采集单元(14)。
2.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述布里渊光时域反射传感装置还包括波分复用器(6)和拉曼泵浦激光器(15)，前述拉曼泵浦激光器(15)发出的泵浦光经由前述波分复用器(6)进入所述光纤复合架空地线(7)。
3.根据权利要求2所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述拉曼泵浦激光器(15)的中心波长为1460nm。
4.根据权利要求1或3所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第二电光调制器(8)外接有微波扫频器(17)，第二光束进入第二电光调制器(8)通过前述微波扫频器(17)进行频率移频，频率移频后的激光的中心频率与所述半导体激光器(1)发出的连续激光的中心频率偏差10GHz，频率扫描的步长为1～10MHz。
5.根据权利要求4所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述光纤光栅(9)的中心频率比所述连续激光的中心频率高10GHz，并且所述光纤光栅(9)的3dB线宽≤0.1nm。
6.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器(2)为分光比设置为10:90的1×2光纤耦合器。
7.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域反射传感装置，其特征在于，所述第二光纤耦合器(11)为分光比设置为50:50的2×2光纤耦合器。
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