CN105403257A - 一种分布式布里渊光时域分析系统 - Google Patents
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Abstract
分布式布里渊光时域分析一直被广泛关注，但是由于拉曼放大具有脉冲失真，功率高等问题，一直无法得到良好应用。本发明是将分布式布里渊放大技术与频率梳技术相结合应用于长距离分布式布里渊光时域分析系统。首先解决了分布式拉曼放大所导致的强度噪声转移及非线性效应，其次因为输入光功率很低，所以为系统可靠性提供了一层保障；再者使用了频率梳与入射脉冲光混频的方法来还原脉冲形状，避免了脉冲的失真，从而解决了因脉冲失真导致的空间分辨率恶化的问题，以及在一定程度上可以减弱暂态增益饱和。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体提出一种应用分布式布里渊放大技术及频率梳技术相结合提高布里渊光时域分析系统性能的方法。
背景技术
分布式光纤传感是上世纪70年代被提出的，它不仅具有无辐射干扰性、抗电磁干扰性好、稳定的化学性等优点，还可以反馈光纤路径上被测量场的空间分布和随时间变化的信息。基于它的独特优点，分布式光纤传感器在管道桥梁、矿区、地质、光/电缆等重大结构与设备的安全检测方面得到了广泛的应用。
基于分布式布里渊光时域分析系统可以具有较高的测量精度、测量范围、空间分辨率，因此这种技术在目前得到了广泛的关注。因光纤传感系统需要较长的传感距离，即需要脉冲光在光纤路径平坦分布并足够强，为达到此目的，可采用在脉冲光进入被测光纤前使用掺铒光纤放大器来进行放大脉冲光的方法，但此种方法存在着随脉冲光延光纤传播越远功率越低的问题，脉冲光仅在光纤前段较强，在后端会受光纤的损耗和连续探测光对其的衰减，强度急剧下降，严重影响后端的测量效果。
因此，分布式拉曼放大技术用于光时域分析系统中，使用拉曼放大对脉冲光进行分布式放大，这样可使脉冲光足够强且分布均匀，在末端得到较好的测量效果。但在此技术中会存在以下问题：
1、分布式拉曼放大需要非常高的入射光功率，功率可达到几瓦级别，因此会对整个系统的可靠性造成影响，如光纤连接头可能会被烧坏，探测器等器件可能会被烧坏。
2、入射光功率较高会导致非线性效应的产生及强度噪声的转移。
3、出射脉冲的失真问题尚未得到解决，脉冲的失真会导致空间分辨率的恶化以及引起暂态增益饱和。
发明内容
本发明所要解决的问题有两点：
一、在保证传感系统长距离、高空间分辨率、高精度的前提下，使用较低的入射光功率对脉冲进行分布式放大；
二、解决出射脉冲光的失真问题。
本发明对所提出的技术问题是这样解决的：
一种分布式布里渊光时域分析系统，使用分布式布里渊放大，将频率梳与布里渊泵浦光进行混频。
进一步的，分布式布里渊光时域分析系统包括激光器，耦合器，采集系统，光脉冲编码与解码系统；还包括，电光调制器，频率梳源，微波源，光纤放大器，声光调制器，布里渊放大系统。
进一步的，激光器1与第一耦合器2连接、第一耦合器2上端依次连接第二耦合器3、第一偏振控制器4、第一电光调制器5、环形器12、光纤放大器13、可调光衰减器14；第一电光调制器5上左端依次连接、电放大器9、混频器8、第一微波源7；第一电光调制器5上右端连接第一直流源10；频率梳源6与混频器8相连接。
进一步的，光纤放大器为掺铒光纤放大器。
分布式布里渊放大技术与频率梳技术相结合应用于分布式布里渊光时域分析系统，在提高整段传感光纤的脉冲光分布均匀性同时，大幅度降低入射光功率，并可以通过频率梳将出射脉冲形状还原为入射脉冲形状。
本发明的有益效果：本发明是将分布式布里渊放大技术与频率梳技术相结合应用于长距离分布式布里渊光时域分析系统。首先解决了分布式拉曼放大所导致的强度噪声转移及非线性效应，其次因为输入光功率很低，所以为系统可靠性提供了一层保障；再者使用了频率梳与入射脉冲光混频的方法来还原脉冲形状，避免了脉冲的失真，从而解决了因脉冲失真导致的空间分辨率恶化的问题，以及在一定程度上可以减弱暂态增益饱和。
附图说明
图1为基于频率梳分布式布里渊放大与光脉冲编码技术相结合的分布式布里渊光时域分析系统的结构图；
图2为距离为50km实验测得的布里渊探测波频移－时间(空间)－功率的关系曲线；
图3为对出射脉冲光与频率梳的关系图
图4为经洛伦兹拟合后提取的温度分布图
图5为分布式布里渊放大原理草图，υb为被测光纤固有布里渊频移，υ1,υ2和υ0分别为连续探测光频率、泵浦光频率、脉冲光频率、Δυ为声光探测器的频移。
其中：激光器1、第一耦合器2、第二耦合器3、第一偏振控制器4、第一电光调制器5、频率梳源6、第一微波源7、混频器8、电放大器9、第一直流源10、第一光纤布拉格光栅11、环形器12、第一掺铒光纤放大器13、可调光衰减器14、第三耦合器15、第一扰偏器16、隔离器17、第二偏振控制器18、第二电光调制器19、第二微波源20、第二直流源21、环形器22、第二光纤布拉格光栅23、第二掺铒光纤放大器24、可调光衰减器25、声光调制器26、第三直流源27、第二扰偏器28、第三掺铒光纤放大器29、探测器30、电脑31、采集卡32、可调光衰减器33、环形器34、第三光纤布拉格光栅35、第四掺铒光纤放大器36、环形器37、待测光纤38。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
一、具体工作方式：
如图1所示：本发明的布里渊光时域分析系统，包括激光器1、第一电光调制器5、第一光纤布拉格光栅11、第一掺铒光纤放大器13、第一扰偏器16、第二偏振控制器18、第二电光调制器19、第二光纤布拉格光栅23、第二掺铒光纤放大器24、声光调制器26、第二扰偏器28、第三掺铒光纤放大器29、探测器30、采集卡32、第三光纤布拉格光栅35、第四掺铒光纤放大器36、待测光纤38、分布式布里渊放大系统、光脉冲编码与解码系统。其中，所述激光器1为分布反馈半导体激光器，用于产生实验中所使用的激光，功率为6dBm。耦合器2分束比例为1/9，其中百分之十的光传向耦合器3，耦合器3分束比例为1/1，其中一路通过第一电光调制器5产生两个边带，因电光调制器对偏振相当敏感，所以在第一电光调制器5前加一个偏振控制器4，在此将已调节好的频率梳与高频成份进行混频。之后由环形器12和光纤布拉格光栅11滤去低频成份，所剩余的高频成份用作分布式布里渊放大的泵浦光，此处所需要的泵浦光功率不同于分布式拉曼放大需要几瓦，在此仅仅需要几毫瓦即可。由耦合器3分出的另一路进入第二电光调制器19，同上需要在前加偏振控制器18，由第二电光调制器产生出两个边带，再有环形器22和光纤布拉格光栅2滤去高频成份，将所剩余的低频成份作为连续探测光。由耦合器2分出的百分之九十一路，传向声光调制器26，通过声光调制器产生所需要的脉冲光，在此加入光脉冲编码，随后进入第二扰偏器28、第三掺铒光纤放大器29。最后进入环形器37第一端口，由环形器37第二端口出射，进入被测光纤38，与反向传播的分布式布里渊放大的泵浦光和连续探测光相遇发生布里渊作用。布里渊放大作用见图5。
二、本发明的布里渊光时域分析系统温度/应变传感方法，包括以下步骤：
a.向光纤注入激光；
b.将频率梳与泵浦光进行混频；
c.接受经放大的布里渊探测光；
d.对第二微波源20进行扫频，利用数据采集分析系统得出应变及温度的沿光纤分布；
具体地，脉冲光由环形器37第二端口出射后，与泵浦光和连续探测光相遇，将脉冲光与泵浦光的频率差设置为光纤的固有布里渊频移，通过布里渊过程，泵浦光对脉冲光进行分布式放大，使得脉冲光被放大，在光纤中功率均匀分布，末端也能够保持性噪比、空间分辨率和测量精度不变。随后脉冲光与连续探测光进行布里渊作用，使探测光携带传感信息，最后由环形器37第三端口出射，进入数值处理系统。
三、实验结果验证
图2为距离为50km实验测得的布里渊探测波频移－时间(空间)－功率的关系曲线；
其中，光纤固有布里渊频移为10850MHz。光纤末端置于56℃的温度控制箱中。布里渊频移－布里渊增益曲线呈现洛伦兹型分布，由整段待测光纤的布里渊增益三维图中，受激布里渊信号在50km光纤中持续保持较高的信噪比，在50km附近的测量点有明显的～36MHz布里渊频移变化。
图3为对出射脉冲光与频率梳的关系图，图中可见当频率梳过少时，会出现明显的脉冲失真，若频率梳足够多时，达到12个时，脉冲失真已经完全被消除。
图4为经洛伦兹拟合后提取的温度分布图，图中可见全程具有非常良好的信噪比，在末端有非常明显的温度漂移，符合所设置的实验条件，空间分辨率也达到了3.2m。经实验验证，此方法的确可以在保证长距离、高信噪比和高精度的条件下，仅使用几毫瓦的功率便可进行布里渊光时域分析。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种分布式布里渊光时域分析系统，使用分布式布里渊放大，将频率梳与布里渊泵浦光进行混频。
2.根据权利要求1所述的一种分布式布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括激光器，耦合器，采集系统，光脉冲编码与解码系统；还包括，电光调制器，频率梳源，微波源，光纤放大器，声光调制器，布里渊放大系统。
3.根据权利要求1所述的一种分布式布里渊光时域分析系统，其特征在于，激光器1与第一耦合器2连接，第一耦合器2上端依次连接第二耦合器3、第一偏振控制器4、第一电光调制器5、环形器12、光纤放大器13、可调光衰减器14；第一电光调制器5上左端依次连接、电放大器9、混频器8、第一微波源7；第一电光调制器5上右端连接第一直流源10；频率梳源6与混频器8相连接。
4.根据权利要求1—3所述的一种分布式布里渊光时域分析系统，其特征在于，光纤放大器为掺铒光纤放大器。
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