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CN102322806B - 一种混沌激光相关布里渊光时域分析器 - Google Patents

一种混沌激光相关布里渊光时域分析器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混沌激光相关布里渊光时域分析器，它是利用混沌激光相关原理，相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的光纤布里渊光时域分析器，它利用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的本地参考光源和泵浦信号光源。本发明采用混沌激光相关原理，混沌激光具有超宽的频宽，通过对信号光与本地光的相关处理获得高空间分辨率，有效地提高了传感器的可靠性和空间分辨率可达厘米级，增加了进入传感光纤的泵浦光子数，提高了传感器系统的信噪比10dB，增加了传感器的测量长度可达50km；采用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的本地信号光源和泵浦信号光源也解决了锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的困难，改善了系统的稳定性。

Description

一种混沌激光相关布里渊光时域分析器
技术领域
本发明涉及一种混沌激光相关布里渊光时域分析器，属于分布式光纤传感器技术领域。
背景技术
在光纤布里渊光时域分析器领域，为了提高传感器的空间分辨率，采用窄脉冲光源，但由于光纤的非线性效应，限制了光纤的入射功率，因此，要实现长距离，高空间分辨率的光纤布里渊光时域分析器很困难，传统的压缩激光器脉宽的方法，双脉冲对的方法，难以实现长距离空间分辨率小于1米的效果，而且空间分辨率与测量长度有关，系统的信噪比也低。且现有技术对于锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器仍然存在困难。因此目前亟需一种布里渊光时域分析器技术，可有效地提高传感器系统的空间分辨率和测量距离，满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程全分布式光纤应变和温度传感网的需求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种混沌激光相关布里渊光时域分析器。它可有效地提高传感器系统的空间分辨率达厘米级，测量距离达50km。
本发明的技术方案：一种混沌激光相关布里渊光时域分析器，特点是：它是利用混沌激光相关原理，相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的光纤布里渊光时域分析器，它利用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的本地参考光源和泵浦信号光源。采用混沌激光相关原理在时域上随机起伏的光脉冲序列，通过传感光纤的背向光与本地参考光的相关处理，可提高传感器系统的空间分辨率达厘米级；采用同一的混沌激光源克服了光纤布里渊光时域分析器要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，提高了传感器系统的信噪比10dB，相应地提高了传感器的测量长度达50km。
上述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，它包括混沌激光器、第二光纤分路器、光调制器、第一掺饵光纤放大器、第二可调光衰减器、偏振扰模器、单向器、传感光纤、第二掺饵光纤放大器、第二光纤环行器、第三光纤环行器、光纤光栅反射滤光器、光电接收器模块、数字信号处理器和计算机；混沌激光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与光调制器相连，并依次经由第一掺饵光纤放大器、第二可调光衰减器、偏振扰模器、单向器与传感光纤的一端相连；第二光纤分路器的另一个输出端与第二掺饵光纤放大器相连，并经由第二光纤环行器与传感光纤的另一端相连，第二光纤环行器还与第三光纤环行器相连，第三光纤环行器的上还连有光纤光栅反射滤光器，第三光纤环行器的输出端与光电接收器模块相连，光电接收器模块的输出端与数字信号处理器和计算机相连。通过光电接收器模块、数字信号处理器和计算机将传感光纤的混沌激光信号与本地参考光外差，并进行相关处理和快速傅里叶变换解调，获得50km传感光纤所在现场的高空间分辨率达厘米量级的应变、温度信息并通过无线网或互联网传送给远程监控网。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述混沌激光器包括半导体LD激光器、第一偏振控制器、第一光纤环行器、第一光纤分路器、第一可调光衰减器和第二偏振控制器；半导体LD激光器经第一偏振控制器与第一光纤环行器的一个输入端口相接，第一光纤环行器的输出端与第一光纤分路器输入端相连，第一光纤分路器的一个输出端与第一可调光衰减器的输出端相连，并通过第二偏振控制器与第一光纤环行器的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器反馈给半导体LD激光器；第一光纤分路器的另一个输出端与第二光纤分路器的输入端相连。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述半导体LD激光器是DFB激光器，工作波长为1550.0nm，输出功率为10dBm；第一光纤分路器的分支比为20:80；第二光纤分路器的分支比为30:70。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述光调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器（Mach–Zehnder modulator(MZM)）。经计算机控制将激光器的频率降低11GHz。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述传感光纤为50km单模通讯G652光纤或50kmLEAF光纤。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述光纤光栅反射滤光器的中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm。可滤除其它光，允许传感光纤的斯托克斯受激布里渊散射信号光通过第三光纤环行器与本地参考光外差接收并进行相关处理。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述光电接收器模块是由频率响应为2GHz以上的光电探测器、前置放大器和主放大器组成。
前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中，所述的数字信号处理器为有相关处理和快速傅里叶变换软件的高速5G采样率和500MHz频宽的数字信号处理器。
混沌激光相关原理：
半导体激光器在受到光反馈时持续地产生随机起伏的超宽带混沌激光，其相关曲线具有δ函数形状，半导体激光器的非线性混沌振荡的带寬可大于15GHz，实现与测量长度无关的高分辨率、高精度的测量。
设参考光为f(t)，探测光为g(t)=Kf(t-τ)
互相关函数：
I(τ)=K∫-∞f(t-τ)f(t-τ0)dt   (1)
当τ=τ0时，互相关函数存在峰值，互相关峰值与探测光的强度相关。通过数字信号处理器和计算机对探测光与参考光进行采集、累加，相关处理和高速傅里叶变换处理，获得传感光纤上应变和温度的信息。由非线性混沌振荡的带寬，光电接收器模块和数字处理系统的带宽决定布里渊光时域分析器的空间分辨率，由系统的信噪比决定了布里渊光时域分析器测量长度。
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，泵浦激光与光纤产生非线性相互作用，在光纤中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），产生频率下移的受激布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移νB为：
νB=2nv/λ   （2）
其中n为入射光波长λ处的折射率，v为光纤中声速,对石英光纤，在λ=1550nm附近，νB约为11GHz。
在光纤中的布里渊散射光频移νB具有应变和温度效应
Figure GDA00003208321500041
布里渊散射光的频移
δνB=Cνεδε+CνTδT   （4）
其中频移的应变系数Cνε和温度系数CνΤ为
Cνε=0.0482±0.004MHz/με,CνT=1.10±0.02MHz/K
与现有技术相比，本发明采用混沌激光相关原理，混沌激光具有超宽带频宽，通过对信号光与本地参考光的相关处理获得高空间分辨率，有效地提高了传感器的可靠性和空间分辨率可达厘米级，混沌激光的脉冲序列增加了进入传感光纤的泵浦光子数，提高了传感器系统的信噪比10dB，增加了布里渊光时域分析器的测量长度可达50km;采用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的本地参考光源和泵浦信号光源也解决了锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的困难，改善了系统的稳完性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种混沌激光相关布里渊光时域分析器，它是利用混沌激光相关原理，相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的光纤布里渊光时域分析器，它利用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的探测光源和泵浦信号光源。
它包括混沌激光器、第二光纤分路器16、光调制器17、第一掺饵光纤放大器18、第二可调光衰减器19、偏振扰模器20、单向器21、传感光纤22、第二掺饵光纤放大器23、第二光纤环行器24、第三光纤环行器25、光纤光栅反射滤光器26、光电接收器模块27、数字信号处理器28和计算机29；混沌激光器的输出端与第二光纤分路器16的输入端相连，第二光纤分路器16的一个输出端与光调制器17相连，并依次经由第一掺饵光纤放大器18、第二可调光衰减器19、偏振扰模器20、单向器21与传感光纤22的一端相连；第二光纤分路器16的另一个输出端与第二掺饵光纤放大器23相连，并经由第二光纤环行器24与传感光纤22的另一端相连，第二光纤环行器24还与第三光纤环行器25相连，第三光纤环行器25上还连有光纤光栅反射滤光器26相连，第三光纤环行器25的输出端与光电接收器模块27相连，光电接收器模块27的输出端与数字信号处理器28和计算机29相连。
所述混沌激光器包括半导体LD激光器10、第一偏振控制器11、第一光纤环行器12、第一光纤分路器13、第一可调光衰减器14和第二偏振控制器15；半导体LD激光器10经第一偏振控制器11与第一光纤环行器12的一个输入端口相接，第一光纤环行器12的输出端与第一光纤分路器13输入端相连，第一光纤分路器13的一个输出端与第一可调光衰减器14的输出端相连，并通过第二偏振控制器15与第一光纤环行器12的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器11反馈给半导体LD激光器10；第一光纤分路器13的另一个输出端与第二光纤分路器16的输入端相连。
所述半导体LD激光器10是DFB激光器，工作波长为1550.0nm，输出功率为10dBm；第一光纤分路器13的分支比为20:80；第二光纤分路器16的分支比为30:70。
所述光调制器17是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。
所述传感光纤22为50km单模通讯G652光纤或50kmLEAF光纤。
所述光纤光栅反射滤光器26的中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm。
所述光电接收器模块27是由频率响应为2GHz以上的光电探测器、前置放大器和主放大器组成。
所述的数字信号处理器28为有相关处理和快速傅里叶变换软件的高速5G采样率和500MHz频宽的数字信号处理器。
本发明的工作原理：混沌激光器经光纤分路器分成两束，其中一束超宽带混沌激光作为本地参考光，经光调制器，将激光器的频率下降11GHz，经掺饵光纤放大器放大，经光纤扰模器进入传感光纤，另一束超宽带混沌激光脉冲序列经掺铒光纤放大器，第二环行器进入传感光纤作为泵浦信号光，传感光纤中背向的带有应变和温度信息的受激布里渊光ν0±νB经光纤光栅反射滤波器，滤除ν0，ν0+νB，获得ν0-νB信号光，与本地参考光通过光电接收器模块，数字信号处理器和计算机解调并作相关处理和快速傅里叶变换，由光时域反射原理定位，获得传感光纤上各段上高空间分辨率的应变和温度信息。

Claims (6)

1.一种混沌激光相关布里渊光时域分析器，其特征在于：它是利用混沌激光相关原理，相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的光纤布里渊光时域分析器，它利用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的本地参考光源和泵浦信号光源；它包括混沌激光器、第二光纤分路器（16）、光调制器(17)、第一掺饵光纤放大器（18）、第二可调光衰减器（19）、偏振扰模器（20）、单向器（21）、传感光纤（22）、第二掺饵光纤放大器（23）、第二光纤环行器（24）、第三光纤环行器（25）、光纤光栅反射滤光器（26）、光电接收器模块（27）、数字信号处理器（28）和计算机（29）；混沌激光器的输出端与第二光纤分路器（16）的输入端相连，第二光纤分路器（16）的一个输出端与光调制器（17）相连，并依次经由第一掺饵光纤放大器（18）、第二可调光衰减器（19）、偏振扰模器（20）、单向器（21）与传感光纤（22）的一端相连；第二光纤分路器（16）的另一个输出端与第二掺饵光纤放大器（23）相连，并经由第二光纤环行器（24）与传感光纤（22）的另一端相连，第二光纤环行器（24）还与第三光纤环行器（25）相连，第三光纤环行器（25）上还连接有光纤光栅反射滤光器（26），第三光纤环行器（25）的输出端与光电接收器模块（27）相连，光电接收器模块（27）的输出端与数字信号处理器（28）和计算机（29）相连；所述混沌激光器包括半导体LD激光器（10）、第一偏振控制器（11）、第一光纤环行器（12）、第一光纤分路器（13）、第一可调光衰减器（14）和第二偏振控制器（15）；半导体LD激光器（10）经第一偏振控制器（11）与第一光纤环行器（12）的一个输入端口相接，第一光纤环行器（12）的输出端与第一光纤分路器（13）输入端相连，第一光纤分路器（13）的一个输出端与第一可调光衰减器（14）的输出端相连，并通过第二偏振控制器（15）与第一光纤环行器（12）的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器（11）反馈给半导体LD激光器（10）；第一光纤分路器（13）的另一个输出端与第二光纤分路器（16）的输入端相连；所述光电接收器模块（27）是由频率响应为2GHz以上的光电探测器、前置放大器和主放大器组成。
2.根据权利要求1所述的混沌激光相关布里渊光时域分析器，其特征在于：所述半导体LD激光器（10）是DFB激光器，工作波长为1550.0nm，输出功率为10dBm；第一光纤分路器（13）的分支比为20:80；第二光纤分路器（16）的分支比为30:70。
3.根据权利要求1所述的混沌激光相关布里渊光时域分析器，其特征在于：所述光调制器（17）是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。
4.根据权利要求1所述的混沌激光相关布里渊光时域分析器，其特征在于：所述传感光纤（22）为50km单模通讯G652光纤或50kmLEAF光纤。
5.根据权利要求1所述的混沌激光相关布里渊光时域分析器，其特征在于：所述光纤光栅反射滤光器（26）的中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm。
6.根据权利要求1所述的混沌激光相关布里渊光时域分析器，其特征在于：所述的数字信号处理器（28）为有相关处理和快速傅里叶变换软件的高速5G采样率和500MHz频宽的数字信号处理器。
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