專利名稱：一種基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種布里淵光時域分析系統(tǒng)。
技術(shù)背景
基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)在溫度、應(yīng)變測量上所達到測量精度、測量范圍以及空間分辨率均高于其它傳感技術(shù)，因此這種技術(shù)在建筑物、石油管道、電力設(shè)施健康檢測、火災(zāi)預(yù)警等方面有廣泛的應(yīng)用前景。一般分為布里淵光時域反射計(BOTDR)及布里淵光時域分析儀(BOTDA)兩種。前者是利用自發(fā)布里淵散射現(xiàn)象，可進行單端測量，但探測信號較弱，探測距離受限；后者是利用受激布里淵散射現(xiàn)象，探測信號較強，傳感距離較遠。
傳統(tǒng)的BOTDA —般采用集中式放大技術(shù)，即布里淵泵浦波進入光纖前應(yīng)用摻鉺光纖光放大器(EDFA)將脈沖功率放大到一定程度，由于布里淵泵浦光功率僅在光纖前端較強，而在光纖后端，受光纖損耗及布里淵探測光的消耗，強度急劇下降，嚴重影響光纖后端的測量分辨率。受此影響，基于集總式放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)傳感距離<30km。
另一方面，隨著對空間分辨率及測量距離要求的進一步提高，所用脈沖寬度將會越來越窄(傳感空間分辨率與脈沖寬度成正比)，信號的占空比也越來越小，從而導(dǎo)致信噪比的急劇下降。也就是說，在發(fā)送一個脈沖的周期內(nèi)，沒有脈沖的時間間隙中的總能量比相對脈沖本身的能量很大，其結(jié)果就是嚴重影響系統(tǒng)的信噪比(特別是光纖末端)，使傳感性能得到嚴重限制。
為了克服集總式放大引起的非線性、噪音累積及傳感光纖后端分辨率低的問題， 一般采用集中式與一階分布式拉曼放大相結(jié)合的方式，即在前端先利用EDFA對脈沖信號進行初步放大，再利用一階分布式拉曼放大技術(shù)對脈沖光進行放大。2005年，Alahbabi M. N.等人報道了利用一階拉曼放大技術(shù)的B0TDR，達到了 150km傳感距離。不足之處是空間分辨率僅為50m。2010年，我們首次將一階雙向分布式拉曼放大推廣到BOTDA傳感系統(tǒng)，并在75km傳感光纖上獲得0. 6 0C溫度測量精度及IOm空間分辨率。
一階拉曼放大技術(shù)一定程度上削弱了信號功率前后端分布不均。但是在更長距離 (>75km)布里淵光傳感系統(tǒng)中，由于拉曼增益系數(shù)也沿光纖呈指數(shù)衰減，使該方法不能徹底消除功率分布不均現(xiàn)象，且傳感距離愈長，波動愈嚴重。其結(jié)果是在傳感信號分布上出現(xiàn)了一個大范圍、低信噪比區(qū)域。應(yīng)用二階拉曼放大技術(shù)，可進一步改善光信號分布的平坦度。 J. D. Ania-Castafuto等人報道了一種利用FBG和二階拉曼放大實現(xiàn)的長距離B0TDA。
但是，對于>100km的傳輸距離，信號光分布也出現(xiàn)明顯波動，重新出現(xiàn)大范圍低信噪比區(qū)域，嚴重影響傳感質(zhì)量的全程一致性。發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可實現(xiàn)長距離高質(zhì)量傳感，縮小傳輸中低信噪比范圍的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析儀。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，包括激光器、耦合器、第一電光調(diào)制器、第二電光調(diào)制器、擾偏器、第一摻餌光纖放大器、第二摻餌光纖放大器、光環(huán)形器、可調(diào)諧濾波器、探測器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；所述激光器經(jīng)第一隔離器連接耦合器，耦合器將激光器產(chǎn)生的光束分為兩束，第一光束經(jīng)偏振控制器和第一電光調(diào)制器產(chǎn)生布里淵泵浦光再經(jīng)擾偏器和第一摻餌光纖放大器進入光環(huán)形器，所述光環(huán)形器連接可調(diào)諧濾波器，可調(diào)諧濾波器通過探測器連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，第一電光調(diào)制器經(jīng)波形發(fā)生器連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；第二光束經(jīng)第二偏振控制器和第二電光調(diào)制器產(chǎn)生布里淵探測光再經(jīng)第二摻餌光纖放大器連接第二隔離器，所述第二電光調(diào)制器通過微波發(fā)生器連接所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；還包括三階拉曼放大系統(tǒng)，所述三階拉曼放大系統(tǒng)包括兩個WDM、兩個三階拉曼泵浦源、峰值反射率>80%，中心波長一致的第一光纖光柵對和第二光纖光柵對，其中，一個WDM與光環(huán)形器連接用于將布里淵泵浦光及其中一個三階拉曼泵浦源相耦合并經(jīng)第二光纖光柵對的一個光纖光柵和第一光纖光柵對一個光纖光柵連接傳感光纖，另一個WDM與第二光隔離器連接用于將布里淵探測光及另一個三階拉曼泵浦源相耦合并經(jīng)第二光纖光柵對的另一個光纖光柵和第一光纖光柵對的另一個光纖光柵連接傳感光纖，所述第一光纖光柵對及第二光纖光柵對分別用來構(gòu)成長距離激光諧振腔，其產(chǎn)生的激光分別作為二階拉曼泵浦光及一階拉曼泵浦光，所述三階拉曼泵浦源用來對二階泵浦光產(chǎn)生放大。
進一步地，三階拉曼泵浦源泵浦波波長為12XXnm。
進一步地，所述第一光纖光柵對的中心波長為13XXnm，第二光纖光柵對(21)的中心波長為14XXnm，且相鄰階次的泵浦波長間距位于7(TllOnm之間。
進一步地，所述激光器的光源線寬<1ΜΗζ，功率大于lOcffim。
進一步地，所述布里淵泵浦光的帶寬為2. 5GHz，布里淵探測光的頻移為10— 1 IGHz，帶寬為 IOGHz。
進一步地，所述擾偏器用于抑制布里淵增益的偏振相關(guān)性，提高測量分辨率，擾偏速率> ΙΚΗζ，輸出偏振度< 5%。
進一步地，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡及信號處理系統(tǒng)，用于完成數(shù)據(jù)采集、處理及對所述波形發(fā)生器、微波發(fā)生器的控制。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明中，12XXnm三階泵浦對激光諧振腔產(chǎn)生的一、二階泵浦進行逐級放大，且泵浦光平坦度逐級提高。與基于一、二階拉曼放大的布里淵傳感系統(tǒng)相比，傳感信號沿光纖的分布更加平坦，顯著改進了傳感質(zhì)量的全程一致性；用于長距離溫度/應(yīng)變傳感，可大幅提高監(jiān)測系統(tǒng)的空間分辨率、測量精度及靈敏度；以很小的成本(無需增加額外的一、二階泵浦光源)獲得傳感性能的明顯改善及傳感距離的大幅延伸，具備一定的實用性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為一、二、三階拉曼泵浦條件下，探測光功率平坦度隨傳感距離變化的對比圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的描述。
參見圖1，基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，包括激光器1、第一隔離器2、耦合器3、第一偏振控制器4、第二偏振控制器16、第一電光調(diào)制器6、第二電光調(diào)制器17、擾偏器8、第一摻鉺光纖放大器9、第二摻鉺光纖放大器18、光環(huán)形器12、探測器 10、可調(diào)諧濾波器11、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)7、波形發(fā)生器5、微波發(fā)生器13、三階拉曼放大系統(tǒng)，其中，所述激光器1用于產(chǎn)生布里淵泵浦波及探測波，光源線寬<1ΜΗζ，功率大于IOdBm, 隔離器2與激光器1相連，用于避免反射光對激光器造成的損傷，耦合器3與所隔離器2相連，用于將所述激光器產(chǎn)生的光束分為兩束，第一偏振控制器4和第二偏振控制器16與耦合器3相連，用于克服所述電光調(diào)制器的偏振相關(guān)性，所述電光調(diào)制器共二只，第一電光調(diào)制器6用來產(chǎn)生布里淵泵浦光，帶寬為2. 5GHz，第二電光調(diào)制器17用來產(chǎn)生頻移約10— 1 IGHz的布里淵探測光，其帶寬為10GHz，擾偏器8與第一電光調(diào)制器6相連，用來抑制布里淵增益的偏振相關(guān)性，提高測量分辨率，擾偏速率>1ΚΗζ，輸出偏振度<5%，所述摻鉺光纖放大器共二只，第一摻鉺光纖放大器9與擾偏器8相連，用來放大布里淵泵浦光，第二摻鉺光纖放大器18與IOGHz的第二電光調(diào)制器17相連，用來放大布里淵探測光，光環(huán)形器12用來將布里淵泵浦光耦合進傳感光纖，同時將經(jīng)放大的布里淵探測光耦合進所述可調(diào)諧濾波器11，可調(diào)諧濾波器11與光環(huán)形器12相連，用來濾除放大的自發(fā)輻射噪音，提高信噪比， 3dB帶寬<0. Inm,所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)7與可調(diào)諧濾波器11相連，它包括數(shù)據(jù)采集卡及信號處理系統(tǒng)，用來完成數(shù)據(jù)采集、處理及對所述波形發(fā)生器、微波發(fā)生器的控制，可調(diào)諧濾波器11通過探測器10連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)7，第一電光調(diào)制器6經(jīng)波形發(fā)生器5連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)7。
所述微波發(fā)生器13與第二電光調(diào)制器17相連，用來產(chǎn)生IO-IlGHz微波信號以驅(qū)動第二電光調(diào)制器17，載波頻率10-1 IGHz。
三階拉曼放大系統(tǒng)包括WDM15、12XXnm三階拉曼泵浦源14、13XXnm的第一光纖光柵對20，以及14XXnm的第二光纖光柵對21，其中，所述WDM15用來將布里淵探測光、布里淵泵浦光及所述12XXnm三階拉曼泵浦源14耦合進傳感光纖，12XXnm三階拉曼泵浦源用來對 13XXnm 二階泵浦光產(chǎn)生放大，波長為13XXnm的第一光纖光柵對20及14XXnm的第二光纖光柵對21分別用來構(gòu)成長距離激光諧振腔，其產(chǎn)生的激光作為二階拉曼泵浦光及一階拉曼泵浦光，改進傳感信號平坦度及長距離傳感的空間分辨率和精度。
本發(fā)明提供的基于三階拉曼放大技術(shù)改進長距離布里淵光時域分析儀傳感性能的方法，該方法包括以下步驟a搭建一個布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)； b制作兩對峰值反射率>8096，中心波長一致的光纖光柵； c將光纖光柵對熔接于傳感光纖兩側(cè)，其激射光構(gòu)成一、二階拉曼泵浦源； d將三階拉曼泵浦激光器通過一對波分復(fù)用器(WDM)耦合進傳感光纖； e向光纖注入探測光及布里淵泵浦光，對微波發(fā)生器掃頻，得出功率一布里淵頻移一距離三維圖，經(jīng)洛倫茲曲線擬合，得出傳感光纖的溫度/應(yīng)變分布。
圖2是一、二、三階拉曼泵浦條件下，探測光功率平坦度隨傳感距離變化的對比圖，該圖中，三階拉曼泵浦波長為1288nm，產(chǎn)生一、二階拉曼泵浦激光的光纖光柵中心波長5分別為1455nm及1365nm。中心波長分別位于三階拉曼泵浦波長的一級及二階級斯托克斯波長附近，相鄰階次的泵浦波長間距位于7(TllOnm之間。
由圖可知，光纖長度一定時，利用三階拉曼放大使信號分布平坦度得到明顯改善； 功率波動均為4dB時，對應(yīng)一、二、三階拉曼放大的傳輸距離分別為82km，IlOkm及140km。 可見，應(yīng)用三階拉曼放大，大幅縮小了低信噪比范圍(約30km)，可實現(xiàn)更長距離的高質(zhì)量傳感。
權(quán)利要求
1.一種基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，包括激光器(1)、耦合器 (3)、第一電光調(diào)制器(6)、第二電光調(diào)制器(17)、擾偏器(8)、第一摻餌光纖放大器(9)、第二摻餌光纖放大器(18)、光環(huán)形器(12)、可調(diào)諧濾波器(11)、探測器(10)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)；所述激光器(1)經(jīng)第一隔離器(2)連接耦合器(3)，耦合器(3)將激光器(1)產(chǎn)生的光束分為兩束，第一光束經(jīng)偏振控制器(4)和第一電光調(diào)制器(6)產(chǎn)生布里淵泵浦光再經(jīng)擾偏器(8 )和第一摻餌光纖放大器(9 )進入光環(huán)形器(12)，所述光環(huán)形器(12)連接可調(diào)諧濾波器(11)，可調(diào)諧濾波器(11)通過探測器(10)連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)，第一電光調(diào)制器 (6)經(jīng)波形發(fā)生器(5)連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7);第二光束經(jīng)第二偏振控制器(16)和第二電光調(diào)制器(17)產(chǎn)生布里淵探測光再經(jīng)第二摻餌光纖放大器(18)連接第二隔離器(19)， 所述第二電光調(diào)制器(17)通過微波發(fā)生器(13)連接所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)，其特征在于還包括三階拉曼放大系統(tǒng)，所述三階拉曼放大系統(tǒng)包括兩個WDM (15)、兩個三階拉曼泵浦源(14)、峰值反射率 >80%，中心波長一致的第一光纖光柵對(20)和第二光纖光柵對(21)，其中，一個WDM (15) 與光環(huán)形器(12)連接用于將布里淵泵浦光及其中一個三階拉曼泵浦源(14)相耦合并經(jīng)第二光纖光柵對(21)的一個光纖光柵和第一光纖光柵對(20) —個光纖光柵連接傳感光纖， 另一個WDM (15)與第二光隔離器(19)連接用于將布里淵探測光及另一個三階拉曼泵浦源 (14)相耦合并經(jīng)第二光纖光柵對(21)的另一個光纖光柵和第一光纖光柵對(20)的另一個光纖光柵連接傳感光纖，所述第一光纖光柵對(20)及第二光纖光柵對(21)分別用來構(gòu)成長距離激光諧振腔，其產(chǎn)生的激光分別作為二階拉曼泵浦光及一階拉曼泵浦光，所述三階拉曼泵浦源(14)用來對二階泵浦光產(chǎn)生放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，其特征在于三階拉曼泵浦源(14)泵浦波波長為12XXnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，其特征在于所述第一光纖光柵對(20)的中心波長為13XXnm，第二光纖光柵對(21)的中心波長為14XXnm，且相鄰階次的泵浦波長間距位于7(TllOnm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，其特征在于所述激光器的光源線寬<1ΜΗζ，功率大于lOcffim。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，其特征在于所述布里淵泵浦光的帶寬為2. 5GHz，布里淵探測光的頻移為10 — 11GHz，帶寬為10GHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，其特征在于所述擾偏器(8)用于抑制布里淵增益的偏振相關(guān)性，提高測量分辨率，擾偏速率> ΙΚΗζ，輸出偏振度< 5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)包括數(shù)據(jù)采集卡及信號處理系統(tǒng)，用于完成數(shù)據(jù)采集、處理及對所述波形發(fā)生器、微波發(fā)生器的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三階拉曼放大技術(shù)的布里淵光時域分析系統(tǒng)，包括激光器、耦合器、第一電光調(diào)制器、第二電光調(diào)制器、擾偏器、第一摻餌光纖放大器、第二摻餌光纖放大器、光環(huán)形器、可調(diào)諧濾波器、探測器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，三階拉曼放大系統(tǒng)；本發(fā)明應(yīng)用三階拉曼放大，大幅縮小了低信噪比范圍(約30km)，可實現(xiàn)更長距離的高質(zhì)量傳感。
文檔編號G01D5/353GK102506915SQ20111034068
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者張偉利, 王子南, 賈新鴻, 饒云江 申請人:電子科技大學(xué)