CN219064543U - 一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置，包括第一激光器、第二激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、电控衰减器、微波频率计、外调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、多模传感光纤、光电探测模块、数据采集模块和第一光纤扰模器；本实用新型提升测量精度，降低装置成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置。
背景技术
分布式光纤传感技术是利用光纤的背向散射效应实现光纤沿线物理参量分布式测量的新型技术。其中基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可以实现超长距离的温度、应变测量，因此在海底电缆、输油管线、土木结构等领域得到广泛应用。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术有两种类型：布里渊光时域反射技术(Brillouin Opitcal TimeDomain Reflection，BOTDR)和布里渊光时域分析技术(Brillouin Optical Time DomainAnalysis，BOTDA)。其中布里渊光时域反射技术为单端测量，结构简单，但其探测的是微弱的自发布里渊散射光，难以实现长距离、高精度测量；布里渊光时域分析技术则为双端测量，探测的是较强的受激布里渊散射光，可以实现超长距离、高精度测量。
光纤是光通信和光传感领域的基础。根据传播模式的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤。其中单模光纤的纤芯直径较细，一般为9μm；而多模光纤的纤芯直径较粗，常见的有50μm和62.5μm。目前，国内外专家学者多集中在研究基于单模光纤的布里渊传感技术。单模光纤仅能传输一种模式——基模，具有更高的传输带宽，在高速光纤通信具有最广泛的应用。但是常见的单模光纤的纤芯直径仅有9μm，其模场面积小，这也造成了入射激光功率低，进而导致背向散射信号功率低，测量误差大。另一方面，基模的两个正交偏振态会随着光纤距离的增加而发生随机变化，因此给布里渊背向散射信号的探测带来严重的偏振相关噪声。在现有技术中为了消除偏振相关噪声，光纤布里渊传感装置需要使用价格昂贵的扰偏器或者偏振控制器，造成了成本增加。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置，用于提升背向布里渊散射光的测量精度，同时降低装置成本。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置，包括第一激光器、第二激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、电控衰减器、微波频率计、外调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、多模传感光纤、光电探测模块、数据采集模块和第一光纤扰模器；
所述第一激光器的输出端连接所述第一光纤耦合器的输入端，所述第一光纤耦合器的第一输出端连接所述第三光纤耦合器的第一输入端，所述第三光纤耦合器的输出端连接所述微波频率计的输入端；
所述第一光纤耦合器的第三输出端连接所述外调制器的输入端，所述外调制器的输出端连接所述掺铒光纤放大器的输入端，所述掺铒光纤放大器的输出端连接所述第一光纤扰模器的输入端，所述第一光纤扰模器的输出端连接所述光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第三端口连接所述光电探测模块的输入端，所述光电探测模块的输出端连接所述数据采集模块的输入端；
所述第二激光器的输出端连接所述第二光纤耦合器的输入端，所述第二光纤耦合器的第二输出端连接所述第三光纤耦合器的第二输入端，所述第二光纤耦合器的第四输出端连接所述电控衰减器的输入端，所述多模传感光纤连接在所述电控衰减器的输出端与所述光纤环形器的第二端口之间。
进一步地，所述第一光纤扰模器包括第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤、所述多模光纤和所述第二单模光纤依次熔接构成所述第一光纤扰模器。
进一步地，所述第一光纤扰模器包括多模光纤和相对设置的第一挤压件和第二挤压件，所述多模光纤横向设置在所述第一挤压件和所述第二挤压件之间，所述第一挤压件朝向所述第二挤压件的一面上均匀分布有若干第一凸块，所述第二挤压件朝向所述第一挤压件的一面上均匀分布有若干第二凸块，各所述第一凸块与各所述第二凸块间隔设置，当所述第一挤压件与所述第二挤压件互相靠近时，各所述第一凸块与各所述第二凸块挤压所述多模光纤，以使所述多模光纤各处宏观弯曲。
进一步地，所述第一激光器为泵浦激光器，所述第二激光器为探测激光器，所述泵浦激光器和所述探测激光器的线宽均为50kHz～2MHz。
进一步地，所述多模传感光纤为折射率渐变型多模传感光纤或阶跃型多模传感光纤。
进一步地，所述光纤环形器为多模光纤环形器。
进一步地，所述电控衰减器与所述第二光纤耦合器之间设有第二光纤扰模器，所述第二光纤扰模器的输入端连接所述第二光纤耦合器的第四输出端，所述第二光纤扰模器的输出端连接所述电控衰减器的输入端。
本实用新型的有益效果：
本实用新型通过采用多模传感光纤代替传统的单模传感光纤连接电控衰减器的输出端与光纤环形器的第二端口，有效提高入射激光功率，有效提高背向布里渊散射信号的强度，保证能够实现对背向布里渊散射信号的高精度测量；同时本实用新型还通过在掺铒光纤放大器与光纤环形器的第一端口之间设置第一光纤扰模器，第一光纤扰模器能够使得多模传感光纤的激励出来的模式之间实现功率平衡分布，无需再增加价格昂贵的扰偏器或者偏振控制器，进而有效降低装置的成本。
附图说明
图1是本实用新型中多模光纤布里渊光时域分析传感装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例二中多模传感光纤的结构示意图。
附图标记：1、第一激光器；2、第二激光器；3、第一光纤耦合器；4、第二光纤耦合器；5、第三光纤耦合器；6、电控衰减器；7、微波频率计；8、外调制器；9、掺铒光纤放大器；10、光纤环形器；11、多模传感光纤；12、光电探测模块；13、数据采集模块；14、第一光纤扰模器；141、第一挤压件；142、第二挤压件；143、第一凸块；144、第二凸块；145、多模光纤；15、第二光纤扰模器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，本实施例的一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、电控衰减器6、微波频率计7、外调制器8、掺铒光纤放大器9、光纤环形器10、多模传感光纤11、光电探测模块12、数据采集模块13和第一光纤扰模器14；
第一激光器1的输出端连接第一光纤耦合器3的输入端，第一光纤耦合器3的第一输出端连接第三光纤耦合器5的第一输入端，第三光纤耦合器5的输出端连接微波频率计7的输入端；
第一光纤耦合器3的第三输出端连接外调制器8的输入端，外调制器8的输出端连接掺铒光纤放大器9的输入端，掺铒光纤放大器9的输出端连接第一光纤扰模器14的输入端，第一光纤扰模器14的输出端连接光纤环形器10的第一端口，光纤环形器10的第三端口连接光电探测模块12的输入端，光电探测模块12的输出端连接数据采集模块13的输入端；
第二激光器2的输出端连接第二光纤耦合器4的输入端，第二光纤耦合器4的第二输出端连接第三光纤耦合器5的第二输入端，第二光纤耦合器4的第四输出端连接电控衰减器6的输入端，多模传感光纤11连接在电控衰减器6的输出端与光纤环形器10的第二端口之间。
优选的，第一激光器1为泵浦激光器，第二激光器2为探测激光器，泵浦激光器和探测激光器的线宽均为50kHz～2MHz。
具体地，本实施例中，泵浦激光器和探测激光器的线宽不能太小，线宽太小(如10kHz)容易导致背向布里渊散射信号混叠随机的激光干涉噪声，影响布里渊频率测量精度；同时泵浦激光器和探测激光器的的线宽也不能太大，线宽太大(如>2MHz)会导致微波频率计7测量误差过大，并且会导致布里渊频谱展宽，本实施例中，通过将泵浦激光器和探测激光器的线宽设置在50kHz～2MHz之间，能够有效避免微波频率计7测量误差过大，保证了布里渊频率测量精度。
工作原理：
泵浦激光器发射连续激光，连续激光经第一光纤耦合器3分光成两路，其中一路进入外调制器8后被调制为脉冲激光，另外一路进入第三光纤耦合器5；探测激光器发出的连续激光，经第二光纤耦合器4分光，其中一路经电控衰减器6后与入射到传感光纤的另一端，另外一路进入第三光纤耦合器5；第三光纤耦合器5的输出端和微波频率计7相连；通过改变泵浦激光器或/和探测激光器的工作电流或/和温度可以实现泵浦激光器和探测激光器的中心频率差值的变化。当泵浦激光器、探测激光器发出的连续激光的中心频率差值等于多模传感光纤11的布里渊频率时，探测激光器的能量将向背向布里渊散射信号转移，有效放大了多模传感光纤11产生的微弱的背向布里渊散射信号。多模传感光纤11产生的背向布里渊散射光再次经光纤环形器10后进入光电探测模块12，光电探测模块12检测得到的输出信号进入数据采集模块13，数据采集模块13对输出信号进行采集及处理。根据多模传感光纤11的布里渊频率的变化量，实现了沿多模传感光纤11分布的温度及应变量测量。
优选的，第一光纤扰模器14包括第一单模光纤、多模光纤145和第二单模光纤，第一单模光纤、多模光纤145和第二单模光纤依次熔接构成第一光纤扰模器14。
具体地，在实施例一中，该第一光纤扰模器14用一段单模光纤作为导入端，将入射激光引入多模光纤145，由于多模光纤145的芯径远大于单模光纤的芯径，因此多模光纤145能激励出多种模式，激励出来的各模式之间相互耦合，最后再经一段单模光纤作为导出端导出，实现了多模传感光纤11中的激励出来各模式之间的功率平衡分布，此时激光偏振也相应的平衡分布，因此从多模传感光纤11返回的背向布里渊散射信号也就不存在偏振相关性。进而，本技术方案采用第一光纤扰模器14后，无需再增加价格昂贵的扰偏器或者偏振控制器来消除偏振，进而实现了有效降低装置成本。
优选的，如图2所示，第一光纤扰模器14包括多模光纤145和相对设置的第一挤压件141和第二挤压件142，多模光纤145横向设置在第一挤压件141和第二挤压件142之间，第一挤压件141朝向第二挤压件142的一面上均匀分布有若干第一凸块143，第二挤压件142朝向第一挤压件141的一面上均匀分布有若干第二凸块144，各第一凸块143与各第二凸块144间隔设置，当第一挤压件141与第二挤压件142互相靠近时，各第一凸块143与各第二凸块144挤压多模光纤145，以使多模光纤145各处宏观弯曲。
具体地，在实施例二中，当各第一凸块143与各第二凸块144挤压多模光纤145，以使多模光纤145各处宏观弯曲时，会显著增加多模传感光纤11导模之间的模耦合以及高阶导模到辐射模的耦合。因此激光通过第一光纤扰模器14后，多模传感光纤11中各模式之间的功率将实现平衡分布。
优选的，多模传感光纤11为折射率渐变型多模传感光纤11或阶跃型多模传感光纤11。
具体地，本实施例中，折射率渐变型多模传感光纤11或阶跃型多模传感光纤11相比于单模传感光纤，模场面积大大增加，能够有效提高入射激光功率，进而使得背向布里渊散射信号的强度得到有效提高，进一步提升背向布里渊散射信号的测量精度。
优选的，光纤环形器10为多模光纤环形器。
优选的，电控衰减器6与第二光纤耦合器4之间设有第二光纤扰模器15，第二光纤扰模器15的输入端连接第二光纤耦合器4的第四输出端，第二光纤扰模器15的输出端连接电控衰减器6的输入端。
具体地，本实施例中，第二光纤扰模器15与第一光纤扰模器14的作用相同，通过在电控衰减器6与第二光纤耦合器4之间设置第二光纤扰模器15，能够实现对探测激光器输出的连续激光进行各模式之间的功率平衡分布。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、电控衰减器(6)、微波频率计(7)、外调制器(8)、掺铒光纤放大器(9)、光纤环形器(10)、多模传感光纤(11)、光电探测模块(12)、数据采集模块(13)和第一光纤扰模器(14)；
所述第一激光器(1)的输出端连接所述第一光纤耦合器(3)的输入端，所述第一光纤耦合器(3)的第一输出端连接所述第三光纤耦合器(5)的第一输入端，所述第三光纤耦合器(5)的输出端连接所述微波频率计(7)的输入端；
所述第一光纤耦合器(3)的第三输出端连接所述外调制器(8)的输入端，所述外调制器(8)的输出端连接所述掺铒光纤放大器(9)的输入端，所述掺铒光纤放大器(9)的输出端连接所述第一光纤扰模器(14)的输入端，所述第一光纤扰模器(14)的输出端连接所述光纤环形器(10)的第一端口，所述光纤环形器(10)的第三端口连接所述光电探测模块(12)的输入端，所述光电探测模块(12)的输出端连接所述数据采集模块(13)的输入端；
所述第二激光器(2)的输出端连接所述第二光纤耦合器(4)的输入端，所述第二光纤耦合器(4)的第二输出端连接所述第三光纤耦合器(5)的第二输入端，所述第二光纤耦合器(4)的第四输出端连接所述电控衰减器(6)的输入端，所述多模传感光纤(11)连接在所述电控衰减器(6)的输出端与所述光纤环形器(10)的第二端口之间。
2.根据权利要求1所述的多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于：所述第一光纤扰模器(14)包括第一单模光纤、多模光纤(145)和第二单模光纤，所述第一单模光纤、所述多模光纤(145)和所述第二单模光纤依次熔接构成所述第一光纤扰模器(14)。
3.根据权利要求1所述的多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于：所述第一光纤扰模器(14)包括多模光纤(145)和相对设置的第一挤压件(141)和第二挤压件(142)，所述多模光纤(145)横向设置在所述第一挤压件(141)和所述第二挤压件(142)之间，所述第一挤压件(141)朝向所述第二挤压件(142)的一面上均匀分布有若干第一凸块(143)，所述第二挤压件(142)朝向所述第一挤压件(141)的一面上均匀分布有若干第二凸块(144)，各所述第一凸块(143)与各所述第二凸块(144)间隔设置，当所述第一挤压件(141)与所述第二挤压件(142)互相靠近时，各所述第一凸块(143)与各所述第二凸块(144)挤压所述多模光纤(145)，以使所述多模光纤(145)各处宏观弯曲。
4.根据权利要求1所述的多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于：所述第一激光器(1)为泵浦激光器，所述第二激光器(2)为探测激光器，所述泵浦激光器和所述探测激光器的线宽均为50kHz～2MHz。
5.根据权利要求1所述的多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于：所述多模传感光纤(11)为折射率渐变型多模传感光纤(11)或阶跃型多模传感光纤(11)。
6.根据权利要求1所述的多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于：所述光纤环形器(10)为多模光纤环形器。
7.根据权利要求1所述的多模光纤布里渊光时域分析传感装置，其特征在于：所述电控衰减器(6)与所述第二光纤耦合器(4)之间设有第二光纤扰模器(15)，所述第二光纤扰模器(15)的输入端连接所述第二光纤耦合器(4)的第四输出端，所述第二光纤扰模器(15)的输出端连接所述电控衰减器(6)的输入端。
Priority Applications (1)
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| CN202223372426.9U CN219064543U (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 一种多模光纤布里渊光时域分析传感装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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