專利名稱：一種脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器的制作方法
技術領域：
一種脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器技術領域[0001]本實用新型涉及脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，屬于分布式光纖傳感器技術領域。
背景技術：
[0002]在光纖布里淵光時域分析器領域，光纖布里淵光時域反射器采用光纖自發(fā)的布里淵散射，因此背向布里淵散射信號很弱，利用光纖布里淵散射光的頻移和強度比來測量應變和溫度的精度很低，測程短，空間分辨率較低。T.Horiguchi等發(fā)明了布里淵光時域分析器，在光纖的另一端加一個相干泵浦激光器，實現(xiàn)布里淵放大，采用相干放大的受激布里淵散射，增強了信號，改善了系統(tǒng)的信噪比。但是，光纖布里淵光時域分析器要求嚴格地鎖定窄帶探測激光器和窄帶泵浦激光器的頻率，在技術上很困難。而近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測，對超遠程全分布式光纖應變、溫度傳感網(wǎng)有著迫切需求。發(fā)明內容[0003]本實用新型的目的是提出一種易于操作，增益高，系統(tǒng)信噪比強，測量精度高的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器。[0004]本實用新型的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，包括脈沖編碼波形發(fā)生器，窄帶單頻光纖激光器，光纖分路器，光脈沖編碼調制器，兩個光纖環(huán)行器，外差接收器，數(shù)字信號處理器，光纖光柵濾波器，傳感光纖，光纖拉曼泵浦激光器和工控機，脈沖編碼波形發(fā)生器的輸入端與工控機相連，脈沖編碼波形發(fā)生器的輸出端與光脈沖編碼調制器的一個輸入端相連，光纖分路器的輸入端與窄帶單頻光纖激光器相連，光纖分路器的一個輸出端與光脈沖編碼調制器的另一個輸入端相連，光纖分路器的另一個輸出端與第二光纖環(huán)行器的輸入端相連，光脈沖編碼調制器的輸出端與第一光纖環(huán)行器的輸入端相連，第一光纖環(huán)行器的公共端依次與光纖光柵濾波器，傳感光纖和光纖拉曼泵浦激光器相連，第一光纖環(huán)行器的輸出端與第二光纖環(huán)行器的公共端相連，第二光纖環(huán)行器的輸出端依次與外差接收器， 數(shù)字信號處理器和工控機相連，數(shù)字信號處理器和工控機將采集、累加的編碼脈沖解碼解調，獲得傳感光纖所在現(xiàn)場的應變、溫度信息并傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。[0005]本實用新型中，所說的窄帶單頻光纖激光器是中心波長為1550nm，光譜帶寬為 200kHz的IOOmW連續(xù)運行光纖激光器。[0006]本實用新型中，所述的光編碼調制器是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調制器 (Mach-Zehnder modulator (MZM))。[0007]本實用新型中，所述的外差接收器是頻率響應為12(ihZ以上的光電探測器。[0008]本實用新型中，所說的光纖光柵濾波器的中心波長為1455nm，光譜帶寬為0. 3nm, 隔離度大于35dB。[0009]本實用新型中，所說的傳感光纖為IOOkm單模通訊G652光纖或100km LEAF光纖。[0010]本實用新型中，所說的所說的光纖拉曼泵浦激光器的波長為1455nm，功率在1 OOmw-1200mw 范圍可調。[0011]工作時，波形發(fā)生器在工控機控制下，輸出按255X255S矩陣轉換規(guī)則排列的序列255位編碼脈沖控制光編碼調制器，窄帶單頻光纖激光器輸出的連續(xù)激光經(jīng)光纖分路器分成兩束，其中一束激光經(jīng)過光脈沖編碼調制器調制成時間序列編碼脈沖光，通過光纖光柵濾波器進入單模光纖，與單模光纖發(fā)生非線性相互作用，產(chǎn)生背向布里淵散射光，布里淵散射光的頻率與強度度受單模光纖各段的溫度和應變調制。由單模光纖末端光纖拉曼泵浦激光器產(chǎn)生的強激光泵浦，在單模光纖里產(chǎn)生非線性放大，具有拉曼放大和布里淵放大的雙重放大，總增益達55dB，被放大的受激布里淵散射光Vtl士 Vb經(jīng)光纖光柵濾波器，濾除 1455nm光纖拉曼泵浦激光器在單模光纖里激光泵浦后殘存的光通過第一光纖環(huán)行器，進入第二光纖環(huán)行器與來自光纖分路器的另一束本地光ν ^混頻，混頻后的輸出經(jīng)外差接收器， 數(shù)字信號處理器和工控機解碼解調后，得到在光纖中各點的應變和溫度量，應變和溫度變化速度和方向。利用光時域反射對單模光纖上各段的位置進行定位(光纖雷達定位)。經(jīng)過應變和溫度定標，得到單模光纖各點的應力和溫度變化量，測應變精度為10μ ε，測溫精度士 1°C，由工控機顯示器顯示或通過通訊接口、通訊協(xié)議進行遠程網(wǎng)絡傳輸。[0012]脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器的編碼解碼原理[0013]本傳感器的序列脈沖編碼是通過S矩陣轉換來實現(xiàn)的，S矩陣轉換是標準哈達馬得(Hadamard)轉換的一種變式，也可稱為哈達馬得轉換。S矩陣的元素均由“0”和“ 1”組成，這一特點很適用于激光序列脈沖編碼，在實際應用中可用“0”代表激光器關閉，用“ 1” 代表激光器開啟。這種采用“0”、“1”的編碼方式又可稱為簡單編碼。而解碼的過程是對應的逆S矩陣轉換。[0014]由編碼原理推導得知，采用N位的序列脈沖編碼解碼可獲得的信噪比改善為[0015]^NRlir = -J=(1)[0016]由⑴式可知，信噪比改善隨著編碼位數(shù)的提高而提高。[0017]當N取255時:廁扮=^= M 8 02[0018]光纖傳感器的空間定位分辨率由單位的窄脈沖寬度決定，由于采用多脈沖發(fā)射， 在提高發(fā)射光子數(shù)的同時又可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率，并且不必提高單個激光脈沖的峰值功率從而又有效地防止了光纖非線性效應造成背向反斯托克斯拉曼光時域反射(OTDR)曲線的變形。[0019]布里淵時域分析器的工作原理[0020]在光纖中，入射光纖的探測激光與光纖中聲波的非線性相互作用，光波通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起光纖折射率的周期性調制(折射率光柵)，產(chǎn)生頻率下移的布里淵散射光，在光纖中產(chǎn)生的背向布里淵散射的頻移^為··[0021]νΒ=2ην/λ(2)[0022]其中η為入射光波長λ處的折射率，ν為光纖中聲速，對石英光纖，在λ = 1550nm 附近，vB 約為 IlGHz0[0023]If =Vi^ -丨φ )+蕓Γ(: C)在光纖中的布里淵散射光頻移vB具有應變和4溫度效應布里淵散射光的頻移[0024](3)[0025]δ Vb = Cve δ ε+Cvt δ T(4)[0026]其中頻移的應變系數(shù)Cv ε和溫度系數(shù)Cvt為[0027]Cv ε = 0. 0482士0· 004ΜΗζ/ μ ε，CvT = 1. 10士0· 02MHz/K[0028]光纖中布里淵散射的強度也具有應變和溫度效應，光纖中布里淵散射的強度比 (Landau-Plazcek比)也依賴于光纖的應變和溫度[0029]J1;(5)[0030]其中強度比的應變系數(shù)Cpe和溫度系數(shù)Cp^[0031]ri; r --..(. 士] 4) J04%,、:f.c)r Il >>ι0 ι·.:Τ[0032]由( 式和(4)式，只要測量出光纖上各段頻移和強度比可解調出此段光纖的應變δ ε和溫度差δτ。[0033]本實用新型的優(yōu)點[0034]本實用新型提出的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，采用時間序列編碼激光脈沖，在提高發(fā)射光子數(shù)的同時又可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率；連續(xù)運行的高功率光纖拉曼激光器作為新型布里淵光時域分析器的泵浦光源，取代了相干泵浦窄帶激光器，克服了光纖布里淵光時域分析器中要求嚴格地鎖定探測激光器和泵浦激光器頻率的困難，連續(xù)運行的高功率光纖拉曼激光器產(chǎn)生的強激光在單模光纖中實現(xiàn)了受激拉曼散射光放大取代了窄帶布里淵放大，增加了背向相干放大的受激布里淵散射光的增益，拉曼放大與布里淵放大的總增益達^dB,提高了系統(tǒng)的信噪比，增加了測量長度，改善了應變和溫度同時測量的精度。


[0035]圖1為本實用新型的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器的示意圖。
具體實施方式
[0036]參照圖1，本實用新型的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，包括脈沖編碼波形發(fā)生器10，窄帶單頻光纖激光器11，光纖分路器12，光脈沖編碼調制器13，兩個光纖環(huán)行器 14、15，外差接收器16，數(shù)字信號處理器17，光纖光柵濾波器18，傳感光纖19，光纖拉曼泵浦激光器20和工控機21，脈沖編碼波形發(fā)生器10的輸入端與工控機21相連，脈沖編碼波形發(fā)生器10的輸出端與光脈沖編碼調制器13的一個輸入端相連，光纖分路器12的輸入端與窄帶單頻光纖激光器11相連，光纖分路器12的一個輸出端與光脈沖編碼調制器13的另一個輸入端相連，光纖分路器12的另一個輸出端與第二光纖環(huán)行器15的輸入端相連，光脈沖編碼調制器13的輸出端與第一光纖環(huán)行器14的輸入端相連，第一光纖環(huán)行器14的公共端依次與光纖光柵濾波器18，傳感光纖19和光纖拉曼泵浦激光器20相連，光纖拉曼激光器 20與傳感光纖19構成背向泵浦光纖拉曼放大器。第一光纖環(huán)行器14的輸出端與第二光纖環(huán)行器15的公共端相連，第二光纖環(huán)行器15的輸出端依次與外差接收器16，數(shù)字信號處理器17和工控機21相連，數(shù)字信號處理器17和工控機21將采集、累加的編碼脈沖解碼解調，獲得傳感光纖19所在現(xiàn)場的應變、溫度信息并傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。 數(shù)字信號處理器采用頻譜分析儀，例如安捷倫(Agilent)公司的頻譜分析儀 ESA(E4407B)，頻譜范圍 9kHz_26. 5GHz。
權利要求1.一種脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是包括脈沖編碼波形發(fā)生器(10)， 窄帶單頻光纖激光器(11)，光纖分路器(12)，光脈沖編碼調制器(13)，兩個光纖環(huán)行器 (14、15)，外差接收器(16)，數(shù)字信號處理器(17)，光纖光柵濾波器(18)，傳感光纖(19)，光纖拉曼泵浦激光器00)和工控機(21)，脈沖編碼波形發(fā)生器(10)的輸入端與工控機相連，脈沖編碼波形發(fā)生器(10)的輸出端與光脈沖編碼調制器(1 的一個輸入端相連，光纖分路器(1 的輸入端與窄帶單頻光纖激光器(11)相連，光纖分路器(1 的一個輸出端與光脈沖編碼調制器(1 的另一個輸入端相連，光纖分路器(1 的另一個輸出端與第二光纖環(huán)行器(1 的輸入端相連，光脈沖編碼調制器(1 的輸出端與第一光纖環(huán)行器(14) 的輸入端相連，第一光纖環(huán)行器(14)的公共端依次與光纖光柵濾波器(18)、傳感光纖(19) 和光纖拉曼泵浦激光器OO)相連，第一光纖環(huán)行器(14)的輸出端與第二光纖環(huán)行器(15) 的公共端相連，第二光纖環(huán)行器(1 的輸出端依次與外差接收器(16)，數(shù)字信號處理器 (17)和工控機相連，數(shù)字信號處理器(17)和工控機將采集、累加的編碼脈沖解碼解調，獲得傳感光纖(1 所在現(xiàn)場的應變、溫度信息并傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征在于窄帶單頻光纖激光器(11)是中心波長為1550nm，光譜帶寬為200kHz的IOOmW連續(xù)運行光纖激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是光編碼調制器 (13)是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調制器。
4.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是外差接收器 (16)是頻率響應為12(ihZ以上的光電探測器。
5.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是光纖光柵濾波器(18)的中心波長為1455nm，光譜帶寬為0. 3nm，隔離度大于35dB。
6.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是傳感光纖(19) 為IOOkm單模通訊G652光纖或100km LEAF光纖。
7.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是所說的光纖拉曼泵浦激光器00)的波長為1455nm，功率在1 OOmw-1200mw范圍可調。
8.根據(jù)權利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器，其特征是所說的數(shù)字信號處理器是頻譜范圍9kHz46. 5GHz的頻譜分析儀。
專利摘要本實用新型公開的脈沖編碼光纖布里淵光時域分析器包括脈沖編碼波形發(fā)生器，窄帶單頻光纖激光器，光纖分路器，光脈沖編碼調制器，兩個光纖環(huán)行器，外差接收器，數(shù)字信號處理器，光纖光柵濾波器，傳感光纖，光纖拉曼泵浦激光器和工控機。該傳感器采用時間序列編碼激光脈沖，在提高發(fā)射光子數(shù)的同時又可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率；連續(xù)運行的光纖拉曼激光器作為泵浦光源，克服了光纖布里淵光時域分析器中要求嚴格鎖定探測激光器和泵浦激光器頻率的困難，連續(xù)運行的光纖拉曼激光器產(chǎn)生的強激光在傳感光纖中實現(xiàn)了受激拉曼散射光放大取代了窄帶布里淵放大，可增加背向相干放大的受激布里淵散射光的增益，提高信噪比，測量精度，增加測量長度。
文檔編號G01K11/32GK202255424SQ20112028637
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權日2011年8月9日
發(fā)明者余向東, 張在宣, 王劍鋒, 龔華平 申請人:中國計量學院