一種分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體提出一種應(yīng)用分布式布里淵放大技術(shù)及頻率梳技術(shù)相結(jié)合提高布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感是上世紀(jì)70年代被提出的，它不僅具有無(wú)輻射干擾性、抗電磁干擾性好、穩(wěn)定的化學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)，還可以反饋光纖路徑上被測(cè)量場(chǎng)的空間分布和隨時(shí)間變化的信息。基于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，分布式光纖傳感器在管道橋梁、礦區(qū)、地質(zhì)、光/電纜等重大結(jié)構(gòu)與設(shè)備的安全檢測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]基于分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)可以具有較高的測(cè)量精度、測(cè)量范圍、空間分辨率，因此這種技術(shù)在目前得到了廣泛的關(guān)注。因光纖傳感系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的傳感距離，即需要脈沖光在光纖路徑平坦分布并足夠強(qiáng)，為達(dá)到此目的，可采用在脈沖光進(jìn)入被測(cè)光纖前使用摻鉺光纖放大器來(lái)進(jìn)行放大脈沖光的方法，但此種方法存在著隨脈沖光延光纖傳播越遠(yuǎn)功率越低的問(wèn)題，脈沖光僅在光纖前段較強(qiáng)，在后端會(huì)受光纖的損耗和連續(xù)探測(cè)光對(duì)其的衰減，強(qiáng)度急劇下降，嚴(yán)重影響后端的測(cè)量效果。
[0004]因此，分布式拉曼放大技術(shù)用于光時(shí)域分析系統(tǒng)中，使用拉曼放大對(duì)脈沖光進(jìn)行分布式放大，這樣可使脈沖光足夠強(qiáng)且分布均勻，在末端得到較好的測(cè)量效果。但在此技術(shù)中會(huì)存在以下問(wèn)題:
[0005]1、分布式拉曼放大需要非常高的入射光功率，功率可達(dá)到幾瓦級(jí)別，因此會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性造成影響，如光纖連接頭可能會(huì)被燒壞，探測(cè)器等器件可能會(huì)被燒壞。
[0006]2、入射光功率較高會(huì)導(dǎo)致非線性效應(yīng)的產(chǎn)生及強(qiáng)度噪聲的轉(zhuǎn)移。
[0007]3、出射脈沖的失真問(wèn)題尚未得到解決，脈沖的失真會(huì)導(dǎo)致空間分辨率的惡化以及引起暫態(tài)增益飽和。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的問(wèn)題有兩點(diǎn):
[0009]—、在保證傳感系統(tǒng)長(zhǎng)距離、高空間分辨率、高精度的前提下，使用較低的入射光功率對(duì)脈沖進(jìn)行分布式放大；
[0010]二、解決出射脈沖光的失真問(wèn)題。
[0011 ] 本發(fā)明對(duì)所提出的技術(shù)問(wèn)題是這樣解決的:
[0012]—種分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，使用分布式布里淵放大，將頻率梳與布里淵栗浦光進(jìn)行混頻。
[0013]進(jìn)一步的，分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)包括激光器，耦合器，采集系統(tǒng)，光脈沖編碼與解碼系統(tǒng)；還包括，電光調(diào)制器，頻率梳源，微波源，光纖放大器，聲光調(diào)制器，布里淵放大系統(tǒng)。
[0014]進(jìn)一步的，激光器1與第一耦合器2連接、第一耦合器2上端依次連接第二耦合器з、第一偏振控制器4、第一電光調(diào)制器5、環(huán)形器12、光纖放大器13、可調(diào)光衰減器14;第一電光調(diào)制器5上左端依次連接、電放大器9、混頻器8、第一微波源7 ;第一電光調(diào)制器5上右端連接第一直流源10 ;頻率梳源6與混頻器8相連接。
[0015]進(jìn)一步的，光纖放大器為摻鉺光纖放大器。
[0016]分布式布里淵放大技術(shù)與頻率梳技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，在提高整段傳感光纖的脈沖光分布均勻性同時(shí)，大幅度降低入射光功率，并可以通過(guò)頻率梳將出射脈沖形狀還原為入射脈沖形狀。
[0017]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明是將分布式布里淵放大技術(shù)與頻率梳技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于長(zhǎng)距離分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)。首先解決了分布式拉曼放大所導(dǎo)致的強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移及非線性效應(yīng)，其次因?yàn)檩斎牍夤β屎艿停詾橄到y(tǒng)可靠性提供了一層保障；再者使用了頻率梳與入射脈沖光混頻的方法來(lái)還原脈沖形狀，避免了脈沖的失真，從而解決了因脈沖失真導(dǎo)致的空間分辨率惡化的問(wèn)題，以及在一定程度上可以減弱暫態(tài)增益飽和。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為基于頻率梳分布式布里淵放大與光脈沖編碼技術(shù)相結(jié)合的分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2為距離為50km實(shí)驗(yàn)測(cè)得的布里淵探測(cè)波頻移一時(shí)間(空間)一功率的關(guān)系曲線；
[0020]圖3為對(duì)出射脈沖光與頻率梳的關(guān)系圖
[0021]圖4為經(jīng)洛倫茲擬合后提取的溫度分布圖
[0022]圖5為分布式布里淵放大原理草圖，ub為被測(cè)光纖固有布里淵頻移，υ 1; ^和
и。分別為連續(xù)探測(cè)光頻率、栗浦光頻率、脈沖光頻率、Δ?為聲光探測(cè)器的頻移。
[0023]其中:激光器1、第一親合器2、第二親合器3、第一偏振控制器4、第一電光調(diào)制器
5、頻率梳源6、第一微波源7、混頻器8、電放大器9、第一直流源10、第一光纖布拉格光柵
11、環(huán)形器12、第一摻鉺光纖放大器13、可調(diào)光衰減器14、第三親合器15、第一擾偏器16、隔離器17、第二偏振控制器18、第二電光調(diào)制器19、第二微波源20、第二直流源21、環(huán)形器22、第二光纖布拉格光柵23、第二摻鉺光纖放大器24、可調(diào)光衰減器25、聲光調(diào)制器26、第三直流源27、第二擾偏器28、第三摻鉺光纖放大器29、探測(cè)器30、電腦31、采集卡32、可調(diào)光衰減器33、環(huán)形器34、第三光纖布拉格光柵35、第四摻鉺光纖放大器36、環(huán)形器37、待測(cè)光纖38。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0025]一、具體工作方式:
[0026]如圖1所示:本發(fā)明的布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，包括激光器1、第一電光調(diào)制器5、第一光纖布拉格光柵11、第一摻鉺光纖放大器13、第一擾偏器16、第二偏振控制器18、第二電光調(diào)制器19、第二光纖布拉格光柵23、第二摻鉺光纖放大器24、聲光調(diào)制器26、第二擾偏器28、第三摻鉺光纖放大器29、探測(cè)器30、米集卡32、第三光纖布拉格光柵35、第四摻鉺光纖放大器36、待測(cè)光纖38、分布式布里淵放大系統(tǒng)、光脈沖編碼與解碼系統(tǒng)。其中，所述激光器1為分布反饋半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)中所使用的激光，功率為6dBm。耦合器2分束比例為1/9，其中百分之十的光傳向耦合器3，耦合器3分束比例為1/1，其中一路通過(guò)第一電光調(diào)制器5產(chǎn)生兩個(gè)邊帶，因電光調(diào)制器對(duì)偏振相當(dāng)敏感，所以在第一電光調(diào)制器5前加一個(gè)偏振控制器4，在此將已調(diào)節(jié)好的頻率梳與高頻成份進(jìn)行混頻。之后由環(huán)形器12和光纖布拉格光柵11濾去低頻成份，所剩余的高頻成份用作分布式布里淵放大的栗浦光，此處所需要的栗浦光功率不同于分布式拉曼放大需要幾瓦，在此僅僅需要幾毫瓦即可。由耦合器3分出的另一路進(jìn)入第二電光調(diào)制器19，同上需要在前加偏振控制器18，由第二電光調(diào)制器產(chǎn)生出兩個(gè)邊帶，再有環(huán)形器22和光纖布拉格光柵2濾去高頻成份，將所剩余的低頻成份作為連續(xù)探測(cè)光。由耦合器2分出的百分之九十一路，傳向聲光調(diào)制器26，通過(guò)聲光調(diào)制器產(chǎn)生所需要的脈沖光，在此加入光脈沖編碼，隨后進(jìn)入第二擾偏器28、第三摻鉺光纖放大器29。最后進(jìn)入環(huán)形器37第一端口，由環(huán)形器37第二端口出射，進(jìn)入被測(cè)光纖38，與反向傳播的分布式布里淵放大的栗浦光和連續(xù)探測(cè)光相遇發(fā)生布里淵作用。布里淵放大作用見(jiàn)圖5。
[0027]二、本發(fā)明的布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)溫度/應(yīng)變傳感方法，包括以下步驟:
[0028]a.向光纖注入激光；
[0029]b.將頻率梳與栗浦光進(jìn)彳丁混頻；
[0030]c.接受經(jīng)放大的布里淵探測(cè)光；
[0031]d.對(duì)第二微波源20進(jìn)行掃頻，利用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)得出應(yīng)變及溫度的沿光纖分布;
[0032]具體地，脈沖光由環(huán)形器37第二端口出射后，與栗浦光和連續(xù)探測(cè)光相遇，將脈沖光與栗浦光的頻率差設(shè)置為光纖的固有布里淵頻移，通過(guò)布里淵過(guò)程，栗浦光對(duì)脈沖光進(jìn)行分布式放大，使得脈沖光被放大，在光纖中功率均勻分布，末端也能夠保持性噪比、空間分辨率和測(cè)量精度不變。隨后脈沖光與連續(xù)探測(cè)光進(jìn)行布里淵作用，使探測(cè)光攜帶傳感信息，最后由環(huán)形器37第三端口出射，進(jìn)入數(shù)值處理系統(tǒng)。
[0033]三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
[0034]圖2為距離為50km實(shí)驗(yàn)測(cè)得的布里淵探測(cè)波頻移一時(shí)間(空間)一功率的關(guān)系曲線；
[0035]其中，光纖固有布里淵頻移為10850MHz。光纖末端置于56°C的溫度控制箱中。布里淵頻移一布里淵增益曲線呈現(xiàn)洛倫茲型分布，由整段待測(cè)光纖的布里淵增益三維圖中，受激布里淵信號(hào)在50km光纖中持續(xù)保持較高的信噪比，在50km附近的測(cè)量點(diǎn)有明顯的?36MHz布里淵頻移變化。
[0036]圖3為對(duì)出射脈沖光與頻率梳的關(guān)系圖，圖中可見(jiàn)當(dāng)頻率梳過(guò)少時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的脈沖失真，若頻率梳足夠多時(shí)，達(dá)到12個(gè)時(shí)，脈沖失真已經(jīng)完全被消除。
[0037]圖4為經(jīng)洛倫茲擬合后提取的溫度分布圖，圖中可見(jiàn)全程具有非常良好的信噪比，在末端有非常明顯的溫度漂移，符合所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)條件，空間分辨率也達(dá)到了 3.2m。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此方法的確可以在保證長(zhǎng)距離、高信噪比和高精度的條件下，僅使用幾毫瓦的功率便可進(jìn)行布里淵光時(shí)域分析。
[0038]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，使用分布式布里淵放大，將頻率梳與布里淵栗浦光進(jìn)行混頻。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器，耦合器，采集系統(tǒng)，光脈沖編碼與解碼系統(tǒng)；還包括，電光調(diào)制器，頻率梳源，微波源，光纖放大器，聲光調(diào)制器，布里淵放大系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，其特征在于，激光器1與第一親合器2連接，第一親合器2上端依次連接第二親合器3、第一偏振控制器4、第一電光調(diào)制器5、環(huán)形器12、光纖放大器13、可調(diào)光衰減器14 ;第一電光調(diào)制器5上左端依次連接、電放大器9、混頻器8、第一微波源7 ;第一電光調(diào)制器5上右端連接第一直流源10 ;頻率梳源6與混頻器8相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1一3所述的一種分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，其特征在于，光纖放大器為摻鉺光纖放大器。
【專利摘要】分布式布里淵光時(shí)域分析一直被廣泛關(guān)注，但是由于拉曼放大具有脈沖失真，功率高等問(wèn)題，一直無(wú)法得到良好應(yīng)用。本發(fā)明是將分布式布里淵放大技術(shù)與頻率梳技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于長(zhǎng)距離分布式布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)。首先解決了分布式拉曼放大所導(dǎo)致的強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移及非線性效應(yīng)，其次因?yàn)檩斎牍夤β屎艿?，所以為系統(tǒng)可靠性提供了一層保障；再者使用了頻率梳與入射脈沖光混頻的方法來(lái)還原脈沖形狀，避免了脈沖的失真，從而解決了因脈沖失真導(dǎo)致的空間分辨率惡化的問(wèn)題，以及在一定程度上可以減弱暫態(tài)增益飽和。
【IPC分類】G01D5/353, G01D21/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105403257
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510982730
【發(fā)明人】賈新鴻, 常涵清
【申請(qǐng)人】四川師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年12月24日