基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统.pdf

本发明公开了一种基于双向分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，器件包括激光器1、耦合器3、第一电光调制器6、第二电光调制器17、扰偏器8、第一掺饵光纤放大器9、第二掺饵光纤放大器18、光环形器12、可调谐滤波器11、探测器10、数据采集处理系统7和拉曼放大系统，本发明将双向分布式拉曼放大技术应用于布里渊光时域分析系统，以提高整段传感光纤上布里渊探测信号增益的分布均匀性，从而保障整段传感光纤的温度/应变分辨率，实现真正意义上的长距离分布式传感。

1.  一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于：
①器件包括激光器(1)、耦合器(3)、第一电光调制器(6)、第二电光调制器(17)、扰偏器(8)、第一掺饵光纤放大器(9)、第二掺饵光纤放大器(18)、光环形器(12)、可调谐滤波器(11)、探测器(10)、数据采集处理系统(7)和拉曼放大系统；
②所述激光器(1)通过第一隔离器(2)连接耦合器(3)，所述耦合器(3)将激光器(1)产生的光束分为两束，第一束通过偏振控制器(4)、第一电光调制器(6)、扰偏器(8)和第一掺饵光纤放大器(9)进入光环形器(12)，所述光环形器(12)分别连接可调谐滤波器(11)和拉曼放大系统，可调谐滤波器(11)通过探测器(10)连接数据采集处理系统(7)，第一电光调制器(6)与所述数据采集处理系统通过波形发生器(5)连接；第二束通过第二偏振控制器(16)、第二电光调制器(17)、第二掺饵光纤放大器(18)和第二隔离器(19)进入拉曼放大系统，所述第二电光调制器(17)通过微波发生器(13)连接所述数据采集处理系统(7)；
③所述拉曼放大系统包括14XX/15XX WDM和14XX拉曼泵浦源，所述14XX/15XXWDM用来将布里渊探测光、布里渊泵浦光及所述14XX拉曼泵浦源耦合进传感光纤，所述14XX拉曼泵浦源用来产生分布式拉曼放大。

2.  根据权利要求1所述的基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述激光器(1)用于产生布里渊泵浦光及探测光，其光源线宽＜1MHz，功率大于10dBm。

3.  根据权利要求1所述的基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，第一电光调制器(6)用来调制布里渊泵浦光，带宽为2.5GHz；第二电光调制器(17)用来产生频移10-11GHz的布里渊探测光，带宽为10GHz。

4.  根据权利要求1所述的基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述扰偏器(8用来抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率＞1KHz，输出偏振度＜5％。

5.  根据权利要求1所述的基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，第一掺铒光纤放大器(9)用来放大布里渊泵浦光，第二掺铒光纤放大器(18)用来放大布里渊探测光。

6.  根据权利要求1所述的基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述光环形器(12)用来将布里渊泵浦光耦合进传感光纤，同时将经放大的布里渊探测光耦合进所述可调谐滤波器。

7.  根据权利要求1所述的基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述数据采集处理系统(7)包括数据采集卡及信号处理系统，用来完成数据采集、处理及对所述波形发生器、微波发生器的控制；所述波形发生器(5)用来产生方波信号以驱动第一电光调制器(6)，所述微波发生器用来产生10-11GHz微波信号以驱动第二电光调制器(17)。

8.  一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统的温度/应变传感方法，包括以下步骤：
a.向光纤注入激光；
b.接收经放大的布里渊探测光；
c对微波发生器进行扫频，利用数据采集处理系统得出应变及温度的沿光纤分布，所述沿光纤分布是指描绘布里渊探测光频移-时间/空间/-功率的关系曲线，经洛伦兹拟合后，找出每一时间/空间/点的峰值布里渊频移及峰值功率，最后经计算得出应变及温度的沿光纤分布。

基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种应用分布式拉曼放大技术提高布里渊光时域分析系统性能的方法。
背景技术
分布式光纤传感器是近年来开始研究的新型传感技术，由于它可以感知传输路径上应变、温度的空间分布和随时间变化的信息，分布式光纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、油井等重大结构与设备的安全检测方面有重要的应用前景。
基于布里渊散射的分布式传感技术在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，因此这种技术在目前得到广泛关注。一般分为布里渊光时域反射计及布里渊光时域分析仪两种。前者是利用自发布里渊散射现象，可进行单端测量，但探测信号较弱，探测距离受限；后者是利用受激布里渊散射现象，探测信号较强，传感距离较远。
目前已报道的布里渊光时域分析计的最远测量距离为100km，空间分辨率＜20m，应变分辨率＜20με，温度分辨率＜1℃。但是，传统的布里渊光时域分析系统一般采用集中式放大技术，即布里渊泵浦波进入光纤前应用掺铒光纤光放大器(EDFA)将脉冲功率放大到一定程度，具有下述问题：
1、由于布里渊泵浦波功率仅在光纤前端较强，而在光纤后端，受光纤损耗及布里渊探测光的消耗，强度急剧下降，严重影响光纤后端的测量分辨率；
2、为避免调制不稳定性引起的频谱扩展，布里渊泵浦波的峰值功率不能过高，从而使传感距离进一步受到限制。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，以提高布里渊光时域分析系统在整段传感光纤上的温度/应变分辨率，延伸传感距离。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于：
①器件包括激光器1、耦合器3、第一电光调制器6、第二电光调制器17、扰偏器8、第一掺饵光纤放大器9、第二掺饵光纤放大器18、光环形器12、可调谐滤波器11、探测器10、数据采集处理系统7和拉曼放大系统；
②所述激光器1通过第一隔离器2连接耦合器3，所述耦合器3将激光器1产生的光束分为两束，第一束通过偏振控制器4、第一电光调制器6、扰偏器8和第一掺饵光纤放大器9进入光环形器12，所述光环形器12分别连接可调谐滤波器11和拉曼放大系统，可调谐滤波器11通过探测器10连接数据采集处理系统7，第一电光调制器6与所述数据采集处理系统通过波形发生器5连接；第二束通过第二偏振控制器16、第二电光调制器17、第二掺饵光纤放大器18和第二隔离器19进入拉曼放大系统，所述第二电光调制器17通过微波发生器13连接所述数据采集处理系统7；
③所述拉曼放大系统包括14XX/15XX WDM和14XX拉曼泵浦源，所述14XX/15XXWDM用来将布里渊探测光、布里渊泵浦光及所述14XX拉曼泵浦源耦合进传感光纤，所述14XX拉曼泵浦源用来产生分布式拉曼放大。
按照本发明所提供的一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述激光器1用于产生布里渊泵浦光及探测光，其光源线宽＜1MHz，功率大于10dBm。
按照本发明所提供的一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，第一电光调制器6用来调制布里渊泵浦光，带宽为2.5GHz；第二电光调制器17用来产生频移10-11GHz的布里渊探测光，带宽为10GHz。
按照本发明所提供的一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述扰偏器8用来抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率＞1KHz，输出偏振度＜5％。
按照本发明所提供的一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，第一掺铒光纤放大器9用来放大布里渊泵浦光，第二掺铒光纤放大器18用来放大布里渊探测光。
按照本发明所提供的一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述光环形器12用来将布里渊泵浦光耦合进传感光纤，同时将经放大的布里渊探测光耦合进所述可调谐滤波器。
按照本发明所提供的一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述数据采集处理系统7包括数据采集卡及信号处理系统，用来完成数据采集、处理及对所述波形发生器、微波发生器的控制；所述波形发生器5用来产生方波信号以驱动第一电光调制器6，所述微波发生器用来产生10-11GHz微波信号以驱动第二电光调制器17。
一种基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统的温度/应变传感方法，包括以下步骤：
a.向光纤注入激光；
b.接收经放大的布里渊探测光；
c.对微波发生器进行扫频，利用数据采集处理系统得出应变及温度的沿光纤分布；
具体地，步骤c中，所述利用数据采集处理系统得出应变及温度的沿光纤分布，是指描绘布里渊探测波频移-时间(空间)-功率的关系曲线，经洛伦兹拟合后，找出每一时间(空间)点的峰值布里渊频移及峰值功率，最后经计算得出应变及温度的沿光纤分布。
本发明的有益效果：本发明将分布式拉曼放大技术应用于布里渊光时域分析系统，以提高整段传感光纤上布里渊探测信号的分布均匀性，保障整段传感光纤的温度/应变分辨率，实现真正意义上的长距离分布式传感。
附图说明
图1是本发明所提供基于分布式拉曼放大的布里渊光时域分析系统的结构图；
图2是距离为50km实验测得的布里渊探测波频移-时间(空间)-功率的关系曲线；由图可知，在49km附近的测量点有明显的布里渊频移。布里渊频移-布里渊增益曲线呈现洛伦兹型分布。
图3(a)为传感距离为50km时，对图2经洛伦兹拟合后，绘出的每一时间(空间)点的峰值布里渊频移及峰值功率的曲线；
图3(b)为图3(a)在48km-50km的放大图，明显看出，当温度不断升高时，测量点处光纤布里渊频移相对无温度变化的光纤逐渐增大；
图4为根据图3(b)中，测量点处对应温度产生的布里渊频移所示曲线。实验所测温度范围为35℃-60℃，由图4可知，布里渊频移由10.67GHz变化至10.70GHz时，布里渊频移随温度变化呈现线性变化，线性度很好。其中，1、激光器，2、隔离器，3、耦合器，4、偏振控制器，5、波形发生器，6、电光调制器，7、数据采集处理系统，8、扰偏器，9、掺铒光纤放大器，10、探测器，11、可调谐滤波器，12、光环形器，13、微波发生器，14、14XX拉曼泵浦源，15、14XX/15XX WDM。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示：本发明的布里渊光时域分析系统，包括激光器1、第一隔离器2、耦合器3、第一偏振控制器4、第二偏振控制器16、第一电光调制器6、第二电光调制器17、扰偏器8、第一掺铒光纤放大器9、第二掺铒光纤放大器18、光环形器12、探测器10、可调谐滤波器11、数据采集处理系统7、波形发生器5、微波发生器13、拉曼放大系统，其中，所述激光器1用于产生布里渊泵浦波及探测波，其特征在于：光源线宽＜1MHz，功率大于10dBm，2隔离器与激光器1相连，用于避免反射光对激光器造成的损伤，耦合器3与所隔离器2相连，用于将所述激光器产生的光束分为两束，偏振控制器(4和16)与耦合器3相连，用于克服所述电光调制器的偏振相关性，所述电光调制器共二只，第一电光调制器6用来调制布里渊泵浦光，带宽为2.5GHz，第二电光调制器17用来产生频移约10-11GHz的布里渊探测光，其带宽为10GHz，扰偏器8与第一电光调制器6相连，用来抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率＞1KHz，输出偏振度＜5％，所述掺铒光纤放大器共二只，第一掺铒光纤放大器9与扰偏器8相连，用来放大布里渊泵浦光，第二掺铒光纤放大器18与10GHz电光调制器(第二)相连，用来放大布里渊探测光，光环形器12用来将布里渊泵浦光耦合进传感光纤，同时将经放大的布里渊探测光耦合进所述可调谐滤波器11，可调谐滤波器11与光环形器12相连，用来滤除放大的自发辐射噪音，提高信噪比，3dB带宽＜0.1nm，所述数据采集处理系统7可调谐滤波器11相连，它包括数据采集卡及信号处理系统，用来完成数据采集、处理及对所述波形发生器、微波发生器的控制。
波形发生器13与第一电光调制器6相连，用来产生方波信号以驱动第一电光调制器，脉冲重复频率＜1KHz，脉宽＜1μs，所述微波发生器与第二电光调制器相连，用来产生10-11GHz微波信号以驱动第二电光调制器，载波频率10-11GHz。
拉曼放大系统包括14XX/15XX WDM15和14XX拉曼泵浦源14，其中，所述14XX/15XX WDM15用来将布里渊探测光、布里渊泵浦光及所述14XX拉曼泵浦源14耦合进传感光纤，14XX拉曼泵浦源用来产生分布式拉曼放大，输出功率＞300mW，波长14XXnm。
本发明的布里渊光时域分析系统温度/应变传感方法，包括以下步骤：
a.向光纤注入激光；
b.接收经放大的布里渊探测光；
c.对微波发生器进行扫频，利用数据采集处理系统得出应变及温度的沿光纤分布；
具体地，步骤c中，所述利用数据采集处理系统得出应变及温度的沿光纤分布，是指描绘布里渊探测光频移-时间(空间)-功率的关系曲线，经洛伦兹拟合后，找出每一时间(空间)点的峰值布里渊频移及峰值功率，最后经计算得出应变及温度的沿光纤分布。
图2是距离为50km实验测得的布里渊探测光频移-时间(空间)-功率的关系曲线。由图可知，在49km附近的测量点有明显的布里渊频移。布里渊频移-布里渊增益曲线呈现洛伦兹型分布。
图3(a)为传感距离为50km时，对图2经洛伦兹拟合后，绘出的每一时间(空间)点的峰值布里渊频移及峰值功率的曲线。
图3(b)为图3(a)在48km-50km的放大图，明显看出，当温度不断升高时，测量点处光纤布里渊频移相对无温度变化的光纤逐渐增大。
图4为根据图3(b)中，测量点处对应温度产生的布里渊频移所示曲线，实验所测温度范围为35℃-60℃，由图4可知，布里渊频移由10.67GHz变化至10.70GHz时，布里渊频移随温度变化呈现线性变化，线性度很好。