CN102564481A

CN102564481A - 提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法和装置

Info

Publication number: CN102564481A
Application number: CN2012100080007A
Authority: CN
Inventors: 郝蕴琦; 叶青; 潘政清; 蔡海文; 瞿荣辉
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法和装置，该方法的实质是采用洛伦兹脉冲光注入到长距离的传感光纤中，实现后向布里渊散射信号信噪比的增强。本发明可用于提高基于布里渊散射的分布式光纤传感器的频率分辨精度。

Description

提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法和装置

技术领域

本发明涉及光纤传感器，特别是一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法和装置。

背景技术

分布式光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、可分布式传感等诸多优点，因而在工业、国防等领域均有广阔应用前景。基于自发布里渊散射的光纤分布式传感器传感距离长，能够同时进行温度和应变的传感。该分布式光纤传感器在大型结构如管道、近海石油平台、油井、大坝、堤坝、桥梁、建筑物、隧道、电缆等领域得到了广泛的应用。后向布里渊散射光的信噪比是分布式传感器的一个重要参数，从根本上影响传感器的各项技术指标，包括分辨精度等【参见Tsuneo Horiguchi，Kaoru Shimizu，Toshio Kurashima，Mitsuhiro Tateda and Yahei Koyamada“Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering”，Journal of Lightwave Technology，vol.13，No.7，1296-1302，July.1995.】。因此，提高系统的信噪比是至关重要的。

目前提高后向布里渊散射信号信噪比的方法主要有以下几种：

在先方案之一是应用脉冲编码技术【参见MA.Soto，G.Bolognini，and F.D.Pasquale，“Analysis of optical pulse coding in spontaneous Brillouin-based distributed temperature sensors”，Optics Express，vol.16，pp.19097-19111，Nov.2008.】。按照Simplex矩阵的格式，采用Simplex编码技术产生脉冲序列，注入到传感光纤中。和单个脉冲注入相比，布里渊散射信号的信噪比增加，增加的大小和编码的位数相关。但是编码过程和后继的解码过程比较复杂，且测量过程耗时较长。

在先方案之二是进行多次平均【参见：孙安，基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号的探测[J]。中国激光。43卷4期，2007年，中国科学院上海光学精密机械研究所】。文中对后向散射的布里渊信号进行了2⁸次平均。和单次探测的布里渊散射信号相比，虽然平均后得到的信号信噪比增加，但是计算过程耗时太长。

发明内容

为了简便实施过程，本发明提出一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法和装置，该方法增加了后向布里渊散射信号的信噪比，可以用于分布式光纤布里渊传感器中频率分辨精度的提高。

本发明的技术能解决方案如下：

一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法，其特点在于用信号发生器产生洛伦兹形状的电脉冲信号驱动声光调制器的驱动模块，使声光调制器将输入的连续窄线宽激光调制成洛伦兹形状的光脉冲，再利用该洛伦兹形状的光脉冲注入到长距离的分布式光纤布里渊传感器的传感光纤中，实现后向布里渊散射信号信噪比的增强。

一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的装置，特点在于其构成包括：窄线宽激光器的输出端接声光调制器的输入端，该声光调制器的输出端接三端口环形器的第一端口，该三端口环形器的第二端口与长距离传感光纤相连，光电探测器接所述的三端口环形器第三端口，信号发生器的输出端接声光调制器驱动模块的输入端，该声光调制器的驱动模块的输出端接所述的声光调制器的控制端。

本发明基本原理如下：

请参阅图1，图1为洛伦兹脉冲和矩形脉冲。后向布里渊散射的功率谱和注入脉冲的形状有关，假设注入光纤的脉冲的能量归一化为1。以脉冲宽度100ns的光脉冲为例，比较洛伦兹脉冲和传统矩形脉冲。

注入到光纤中的洛伦兹光脉冲的时域波形的数学表达式为：

p (t) = \frac{2}{π T_{f}} \times \frac{1}{1 + {(2 t / T_{f})}^{2}} - - - (1)

注入到光纤中的矩形光脉冲的时域波形的数学表达式为：

式中：T_f表示脉冲宽度，定义为脉冲的半极大值全宽。

请参阅图2，图2为洛伦兹脉冲和矩形脉冲的自发布里渊散射功率谱。在单模光纤中后向自发布里渊散射光的功率表达式为：

P_{B} (z, v) = g (v, v_{B}) \frac{c}{2 n} Pexp (- 2 αz) - - - (3)

其中：

为布里渊增益表达式，

z＝ct/(2n)为传感距离，n为传感光纤纤芯折射率，p₁₂为传感光纤纤芯光弹系数，λ为入射光波长，p为传感光纤纤芯密度，v为传感光纤纤芯中的声速，ω为布里渊增益曲线的典型半高全宽(40MHz)，P为注入脉冲的功率谱，α为传感光纤的衰减系数(0.2dB/Km)。

从图2可以看出，洛伦兹脉冲的布里渊散射谱的峰值比矩形脉冲的峰值大，而它们的基底相同，所以，洛伦兹脉冲的自发布里渊功率谱的信噪比比较大。根据频率分辨精度和布里渊谱信噪比之间的关系式Δα＝1/{K(SNR)^1/4}[参见Hiroshi Naruse and Mitsuhiro Tateda，“Optimum temporal pulse shape of launched light for optical time domain reflectometry type sensors using Brillouin backscattering”，Optical Review，vol.8，126-132，2001.]，因此本发明可以用于布里渊传感系统的频率分辨率的提高。其中K是一常数，Δα是频率分辨精度，SNR是自发布里渊散射信号的信噪比。

请参阅图3，图3是不同脉冲宽度下，洛伦兹脉冲和矩形脉冲的布里渊散射谱的峰值比较。可以看出，随着脉冲宽度的增加，二者之间的差距越大。

请参阅图4，图4为100ns脉冲宽度的洛伦兹脉冲和矩形脉冲的功率谱，可用来解释图2中布里渊散射谱的峰值功率差异。同理也可以解释图3。式(3)中等号右边的因子P为脉冲功率谱。从图4中可以看出，洛伦兹脉冲的功率谱比较窄、峰值大，矩形脉冲的功率谱比较宽、峰值小。布里渊散射功率谱为光纤中的布里渊散射增益谱和脉冲功率谱的乘积。脉冲功率谱的中心对布里渊功率谱的贡献最大，随着频率向两边扩展，对布里渊增益谱的贡献变小。

本发明的特点和优点是：

本发明方法只需要改变信号发生器输出的电信号形状以控制调制光脉冲的形状即可提高分布式光纤布里渊传感器的信噪比，实施简单。

附图说明

图1是洛伦兹脉冲和矩形脉冲示意图(以脉冲宽度100ns为例)；

图2是不同脉冲宽度下后向布里渊散射功率谱的峰值；

图3是布里渊散射功率谱(以脉冲宽度100ns为例)；

图4是洛伦兹脉冲和矩形脉冲的功率谱(以脉冲宽度100ns为例)；

图5是本发明提高分布式光纤布里渊传感器频率分辨精度的装置的实施例框图。

具体实施方式

利用信号发生器产生洛伦兹形状的电脉冲，以控制声光调制器将连续光调制成为洛伦兹光脉冲，将该洛伦兹光脉冲注入长距离传感光纤，光电探测器探测后向自发布里渊散射光信号。

实施例

本发明提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的装置实施例请参阅图5。窄线宽激光器1发出连续光，它是输出功率100mw、线宽4KHz、单线偏振的光纤激光器。连续光进入声光调制器2，被调制成脉冲宽度为100ns、重复频率4KHz的光脉冲序列。为了实现洛伦兹形状的光脉冲，信号发生器6产生洛伦兹形状的电脉冲信号，驱动声光调制器驱动模块7，此时声光调制器2的输出是洛伦兹形状的光脉冲。同样的步骤也可以产生矩形形状的光脉冲。声光调制器2输出的光脉冲信号和三端口环形器3的第一端口31相连，经第二端口32注入长距离传感光纤4，后向散射的自发布里渊散射光反向经第三端口33输出，由光电探测器5探测布里渊散射光信号。

当采用矩形形状的光脉冲时，后向散射的布里渊信号功率谱如图3中的虚线所示。可以看出，布里渊光功率谱是洛伦兹形状曲线，其峰值是231089(任意单位)。当采用洛伦兹形状的光脉冲时，后向散射的布里渊信号功率谱如图3中的实线所示，此时的峰值是271802(任意单位)。两条曲线的基底基本一样，所以可以得出洛伦兹形状的光脉冲所产生的布里渊信号的信噪比比较大。转化为对数坐标系，分别对应54.3425dB和53.6378dB。也就是说，洛伦兹形状的脉冲产生的布里渊信号的信噪比比矩形脉冲的信噪比大0.7047dB。

本发明中，只需要改变注入长距离传感光纤中的光脉冲形状，将其由传统的矩形形状的脉冲变为洛伦兹形状的脉冲，后向的布里渊散射信号的信噪比就会增加。

Claims

1.一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法，其特征在于用信号发生器产生洛伦兹形状的电脉冲信号驱动声光调制器的驱动模块，使声光调制器将输入的连续窄线宽激光调制成洛伦兹形状的光脉冲，再利用该洛伦兹形状的光脉冲注入到长距离的分布式光纤布里渊传感器的传感光纤中，实现后向布里渊散射信号信噪比的增强。

2.一种提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的装置，特征在于其构成包括：窄线宽激光器(1)的输出端接声光调制器(2)的输入端，该声光调制器(2)的输出端接三端口环形器(3)的第一端口(31)，该三端口环形器(3)的第二端口(32)与长距离传感光纤(4)相连，光电探测器(5)接所述的三端口环形器(3)第三端口(33)，信号发生器(6)的输出端接声光调制器驱动模块(7)的输入端，该声光调制器的驱动模块(7)的输出端接所述的声光调制器(2)的控制端。