CN102759371A - 融合cotdr的长距离相干检测布里渊光时域分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，包括窄线宽激光器，两个耦合器，微波信号源，电光调制器，隔离器，长距离传感光纤，光环形器，3dB耦合器，脉冲调制器，掺铒光纤放大器，扰偏器，脉冲信号发生器，平衡光电探测器，电频谱分析仪，数据处理模块，声光调制器。本发明采用相干检测方法提高BOTDA的信噪比，采用双边带的探测方式来减小BOTDA***的非局域效应，在无拉曼等光放大的情况下传感距离超过70km，本发明将COTDR融合到相干探测的BOTDA***中，***能工作在断点检测模式，有效克服传统BOTDA在传感光纤出现断点不能工作且无法对断点定位的缺点，增强了传感***的适应能力和实用性。

Description

融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪

技术领域

本发明涉及一种融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，主要应用于光纤传感技术领域。

背景技术

分布式光纤传感器除了具有高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰、耐腐蚀、测量对象(如温度、应变、湿度、位移、压力、电磁场等)广泛外，还具有将传输与传感媒质合二为一的优点，使得铺设的整条光纤可全部成为敏感元件，且因光纤传输损耗小，因此可实现几十甚至上百公里的整个光纤长度上全分布式测量，大大降低了成本，广泛应用于大型土木工程、隧道、桥梁、大坝、通信光缆、油气管道等的健康监测和测量。

BOTDA(Brillouin Optical Time-Domain Analysis,光纤布里渊光时域分析技术)是一种基于受激布里渊散射效应的分布式光纤传感技术，通过将一束泵浦光（脉冲光）和一束探测光（连续光）分别注入光纤两端，当两束光的频率差在布里渊增益范围时，两束光之间由于受激布里渊放大效应而发生能量转移，当两束光的频率差等于光纤的布里渊频移时，能量转移量最大，将光纤布里渊散射放大效应与光时域反射技术相结合，可以获取布里渊频移随光纤长度的分布，利用光纤布里渊频移与光纤所处温度和所受应变之间存在线性关系这一原理，可实现分布式温度和应变的测量。BOTDA具有高测量精度等特点，可用于桥梁隧道、天然气石油管道、长途通信光缆、大型建筑物等温度或应变的分布式监测。

由于光纤非线性效应的存在，BOTDA的传感距离受限于泵浦光所允许的最大光功率和由于泵浦衰竭造成的非局域效应。基于直接探测方法的传统BOTDA的有效传感长度一般为30-40km。为了增加BOTDA的传感距离，人们提出了各种方法，其中基于拉曼放大技术的BOTDA可以获得上百公里的有效传感长度，但是基于拉曼放大的BOTDA***结构复杂，还引入相对强度噪声和其他非线性效应，影响了传感***的性能和测量精度；基于编码技术和预放大的BOTDA也可以获得上百公里的传感长度，但是这种方法增加了控制***和后续数据处理的复杂度以及测量时间。此外，BOTDA需要双端接入，这意味着当光纤链路中出现断点时，BOTDA将不能工作，这是BOTDA致命的缺点,极大的限制了BOTDA的应用场合。而近年来，随着电力传输网络的发展，各种大型基础设施的健康监控和重大灾害防治需要的增加，对长距离分布式光纤温度、应变传感网络提出了更高的要求。

OTDR(Optical Time-Domain Reflectometry，基于瑞利散射的光时域反射仪）利用测量光纤入射端的后向瑞利散射光功率进行传感：根据发射脉冲光与接收到事件点相应的后向瑞利散射光之间的时间间隔，并通过光纤中的光速，将该时间间隔转换为距离来对事件点进行定位；通过测量瑞利散射光的功率随距离的变化来获得光纤沿线的损耗分布。OTDR主要用于测量光纤线路中的损耗、故障点、连接点和断点等事件的检测。为了提高OTDR的动态范围，人们提出了基于相干检测的光时域反射仪(COTDR)，该技术利用相干检测的方法来探测瑞利散射信号，有效抑制了自发辐射噪声（ASE）对瑞利散射功率的影响，非常适合用于诸如海底光缆等长距离并且存在多个光纤放大器链路的损耗、故障点、接续点和断点等事件检测，是跨洋海缆的不可或缺的监测工具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，实现长距离的温度或应变传感，当传感光纤出现断点时，***具有对断点进行定位的功能。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，包括窄线宽激光器，第一耦合器，第二耦合器，微波信号源，电光调制器，隔离器，长距离传感光纤，光环形器，3dB耦合器，脉冲调制器，掺铒光纤放大器，扰偏器，脉冲信号发生器，平衡光电探测器，电频谱分析仪，数据处理模块，声光调制器；其中：

所述窄线宽激光器发出连续光经第一耦合器分成两路连续光：第一路连续光、第二路连续光，其中，

第一路连续光经由脉冲信号发生器控制的脉冲调制器调制成泵浦脉冲光，所述泵浦脉冲光经掺铒光纤放大器放大到所需光功率后，经扰偏器由光环形器的第1端口注入光环形器，然后由光环形器的第2端口输出至长距离传感光纤的B端口进入长距离传感光纤；

第二路连续光经第二耦合器再分成两路连续光：其中一路连续光经声光调制器移频f₁后作为本振光；另一路连续光经电光调制器移频f后作为探测信号光，移频量f的值由微波信号源控制,由电光调制器调制的探测信号光具有对称的两个探测边带，两个探测边带经隔离器后同时从长距离传感光纤的A端注入长距离传感光纤，与相向传输的泵浦脉冲光在长距离传感光纤中发生受激布里渊散射作用，然后两个探测边带经光环形器的第3端口进入3dB耦合器与所述本振光相干混频后由平衡探测器相干探测,相干检测可以提高***的信噪比和传感距离，所述电频谱分析仪根据观测和采集平衡探测器输出的中频电信号获取布里渊增益谱，所述数据处理模块对电频谱分析仪采集到的布里渊增益谱进行洛伦茨拟合得到沿光纤的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。

进一步的，本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，所述脉冲信号发生器用于控制脉冲调制器的同时，还对电频谱分析仪进行同步触发控制。

进一步的，本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，所述长距离传感光纤长度超过70km。

进一步的，本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，当所述长距离传感光纤出现断点时，所述脉冲调制器调制的泵浦光脉冲成为探测信号光，其后向的瑞利散射光注入光环形器的第2端口后，经光环形器的第3端口进入3dB耦合器与本振光相干混频后由平衡探测器探测，电频谱分析仪的中心频率设置在中频f_IF=f₁处，并采用“零范围”模式，经多次平均后获取瑞利散射光的时域曲线分布，实现断点检测的功能。

进一步的，本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，还包括设置在第一耦合器与脉冲调制器之间的第一偏振控制器、以及设置在第二耦合器与电光调制器之间的第二偏振控制器；其中，所述第一偏振控制器用于控制射入电光调制器的光的偏振态，所述第二偏振控制器用于控制射入脉冲调制器的光的偏振态。

进一步的，本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，所述微波信号源输出的微波控制信号的频率约为传感光纤的布里渊频移。

进一步的，本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，所述微波信号源控制移频量f的值，即为控制探测光和泵浦脉冲光之间的频率差，通过不断调节微波信号源的调制频率改变探测光和泵浦脉冲光之间的频率差，实现布里渊频谱的扫频测量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明采用相干检测技术代替传统直接检测的方法，有效提高BOTDA***的信噪比和动态范围，在无光放大器的情况下，传感长度超过70km。

2、本发明采用双边带探测方法，可以有效的减小传统BOTDA中的非局域效应，提高长距离测量的精度。

3、本发明的BOTDA相对于传统的BOTDA，由于采用相干检测的方法，***中不再需要窄带宽的光滤波器，提高了***的稳定性。

4、本发明将具有单端接入和超长距离断点检测能力的COTDR融合到相干探测的BOTDA***中，在传感光纤出现断点时，***能工作在断点检测模式，有效克服传统BOTDA在传感光纤出现断点不能工作且无法对断点定位的缺点，增强了传感***的适应能力和实用性。

附图说明

图1是本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪示意图。

图2是本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪所测得的布里渊频移沿光纤长度的分布图。

图3是当长距离传感光纤的A端断开时，本发明实现的COTDR测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明和描述。

为了详细介绍本发明，首先介绍本发明的相干检测布里渊光时域分析仪的原理：

假设窄线宽激光器(3dB带宽小于1MHz)出射光的频率为f₀，电光调制器的调制频率为f，则经电光调制器调制成的两个探测边带(分别成为斯托克斯光和反斯托克斯光)的频率分别为f₀-f(斯托克斯探测边带)和f₀+f(反斯托克斯光探测边带)；假设声光调制器的频率上移量为f₁，则本振光的频率为f₀+f₁。根据相干检测原理，平衡光电探测器输出拍频信号的光电流为：

$i_{\det }\left(t\right)=2R\sqrt{P_L{P}_p{(1+g_{\mathrm{SBS}}(v_s,z))}^2}\×\cos (2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{IF}}t+\mathrm{\Δ\φ})---\left(1\right)$

式(1)中，R为平衡光电探测器的响应度，P_L和P_p分别是本振光的功率和探测光的功率，f_IF是拍频信号频率(也称为中频)，Δφ是本振光和探测光的相位差，g_SBS是受激布里渊增益。当需要探测斯托克斯探测边带时，中频为f_IF=f+f₁,此时对应传统的损耗型BOTDA，当需要探测反斯托克斯探测边带时，中频为f_IF=f-f₁，此时对应传统的增益型BOTDA。在采用双边带探测的相干探测BOTDA中，显然选择斯托克斯探测边带进行探测能获得更长的传感距离。

布里渊增益谱和布里渊频移获取方法如下：

将电频谱分析仪的中心频率设置在中频f_IF处，并采用“零范围”模式，经多次平均后则可以获取中频f_IF信号的时域功率曲线。在布里渊频谱范围内不断调节微波信号源的输出信号频率，控制电光调制器的调制频率f，按前面所述获取中频信号沿光纤分布的时域功率曲线的方法，可以得到一系列中频信号的时域功率曲线，按中频的大小将这一系列时域功率曲线重整后，可以获得沿光纤分布的布里渊增益谱，对这些布里渊增益谱进行洛伦茨拟合，得到沿光纤分布的布里渊频移，根据温度和应变与布里渊频移关系，实现温度或应变分布式测量。

对散射点位置的确定方法为：在t=0时刻从光纤的一端发送光脉冲，从t=0开始，在脉冲光的发送端将接收到一系列的散射信号，测定某一散射点对应的散射信号与入射光脉冲之间的时间间隔Δt，根据公式L=c·Δt/(2n)确定该散射点与脉冲光入射端之间的光纤长度L，式中c为真空中的光速，n为传感光纤的折射率。

温度和应变的解调原理如下：

布里渊频移v_B与温度和应变的线性关系为：

v_B=v_B0+C_vTΔT+C_vεΔε        (2)

式(2)中v_B0为是无应变的参考温度下光纤的布里渊频移，ΔT为温度的变化量，Δε为应变的变化量，C_vT和C_vε分别是布里渊频移的温度系数和应变系数，这些系数通过已知条件的实验进行标定，根据测得的布里渊频移变化量和(2)式，实现温度或应变的分布式传感。

相干光时域反射仪(COTDR)原理：相干光时域反射仪是在基于瑞利散射的光时域反射仪(OTDR)的基础上，通过相干检测的方法来探测瑞利散射信号,然后根据瑞利散射信号功率的变化来对光纤链路的连接点、断点等事件进行检测。

参照图1，本发明的融合COTDR的超长距离相干检测布里渊光时域分析仪，具体为：线宽小于1MHz的激光器10发出1550nm的连续光(功率为16dBm)，耦合器11分成两路，一路经由脉冲信号发生器24控制的脉冲调制器21调制成50ns的泵浦光脉冲，脉冲调制器21为铌酸锂强度电光调制器，消光比为40dB，由于电光调制器对光的偏振态敏感，所以为了减小偏振态的影响，在脉冲调制器21前放置了偏振控制器20用于控制入射光的偏振态，光脉冲经掺铒光纤放大器22放大到所需光功率(脉冲峰值功率为20dBm左右)后经扰偏器23注入光环形器18的1端口，由光环形器18的2端口出射后，从长距离传感光纤17的B端进入长距离传感光纤17。

另一路连续光经耦合器12再分成两路：其中一路连续光经声光调制器30移频f₁后作为本振光，声光调制器30的频移量f₁=80MHz；另一路连续光经带宽大于12GHz的电光调制器15移频f后作为探测信号光，移频量f的大小由微波信号源14控制，约为光纤介质的一个布里渊频移，电光调制器15前的偏振控制器13控制入射光的偏振态；由电光调制器15调制的探测信号光有对称的两个边带，边带探测光与原连续光差频约为11GHz，为了减小泵浦衰竭造成的非局域效应，采用双边带探测技术，即两个边带探测光经隔离器16后同时从长距离传感光纤17的A端注入长距离传感光纤17，然后与相对传输的泵浦脉冲光在长距离传感光纤17中发生受激布里渊散射作用，然后两个边带探测光经光环形器18的3端口进入3dB耦合器19与本振光相干混频后由平衡探测器25探测；平衡探测器25的带宽大于12GHz，电频谱分析仪26用于观测和采集平衡探测器25输出的中频电信号，数据处理模块27对电频谱分析仪26采集到的信号进行数据处理得到沿光纤的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度和应变的关系，即温度和应变的解调原理，实现温度或应变的分布式测量。

本发明的相干检测布里渊光时域分析仪利用光纤中受激布里渊散射效应，采用相干检测技术和双边带探测方式制成的布里渊光时域分析仪。

脉冲信号发生器24用于控制脉冲调制器21的同时，对电频谱分析仪26进行同步触发控制。

微波信号源14输出的微波控制信号的频率约为长距离传感光纤17的一个布里渊频移；所述微波信号源14控制探测光和泵浦脉冲光之间的频率差，通过不断调节微波信号源14的调制频率改变探测光和泵浦脉冲光之间的频率差，完成布里渊频谱的扫频测量；所述电频谱分析仪26获取布里渊增益谱；数据处理模块27对电频谱分析仪26采集到的布里渊增益谱进行洛伦茨拟合得到沿光纤的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度和应变的关系，实现温度或应变的分布式传感。

图2是本发明的融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪所测得的布里渊频移沿光纤长度的分布图。图中布里渊频移分成两段，这是因为传感光纤由两段布里渊频移不同的光纤组成，前一段光纤长约48km，后一段光纤长度约为24km，图中的小插图为后一段光纤接近末端处的布里渊频移分布的放大图，其中在24km末端约50m的光纤的温度与其余光纤的温度实际相差约32.7°C，而放大图中两部分光纤的布里渊频移相差约34.2MHz，与实际温度相符(布里渊频移温度系数取1.1MHz/°C)。

所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，当长距离传感光纤17出现断点时，所述脉冲调制器21调制的泵浦光脉冲成为探测脉冲，其后向的瑞利散射光经光环形器18的3端口进入3dB耦合器19与本振光相干混频后由平衡探测器26探测，将电频谱分析仪26的中频选为80MHz，在“零范围”模式，经多次平均后则得到时域下OTDR的功率曲线，实现COTDR断点检测的功能。图3是当长距离传感光纤的末端断开时，本发明实现的COTDR测试结果图。

本发明采用相干检测方法提高BOTDA的信噪比，采用双边带的探测方式减小***的非局域效应，有效提高了BOTDA***的传感距离，并将具有单端接入和超长距离断点检测能力的COTDR融合到相干探测的BOTDA***中，在传感光纤17出现断点时，***能工作在COTDR断点检测模式，有效克服传统BOTDA在传感光纤出现断点不能工作且无法对断点定位的缺点，增强传感器的实用性。

Claims (7)

1. 一种融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：包括窄线宽激光器(10)，第一耦合器(11)，第二耦合器(12)，微波信号源(14)，电光调制器(15)，隔离器(16)，长距离传感光纤(17)，光环形器(18)，3dB耦合器(19)，脉冲调制器(21)，掺铒光纤放大器(22)，扰偏器(23)，脉冲信号发生器(24)，平衡光电探测器(25)，电频谱分析仪(26)，数据处理模块(27)，声光调制器(30)；其中：

所述窄线宽激光器(10)发出连续光经第一耦合器(11)分成两路连续光：第一路连续光、第二路连续光，其中，

第一路连续光经由脉冲信号发生器(24)控制的脉冲调制器(21)调制成泵浦脉冲光，所述泵浦脉冲光经掺铒光纤放大器(22)放大到所需光功率后，经扰偏器(23)由光环形器(18)的第1端口注入光环形器(18)，然后由光环形器(18)的第2端口输出至长距离传感光纤(17)的B端口进入长距离传感光纤(17)；

第二路连续光经第二耦合器(12)再分成两路连续光：其中一路连续光经声光调制器(30)移频f ₁后作为本振光；另一路连续光经电光调制器(15)移频 f后作为探测信号光，移频量 f的值由微波信号源(14)控制,由电光调制器(15)调制的探测信号光具有对称的两个探测边带，两个探测边带经隔离器(16)后同时从长距离传感光纤(17)的A端注入长距离传感光纤(17)，与相向传输的泵浦脉冲光在长距离传感光纤(17)中发生受激布里渊散射作用，然后两个探测边带经光环形器(18)的第3端口进入3dB耦合器(19)与所述本振光相干混频后由平衡探测器(25)进行相干检测,所述电频谱分析仪(26)根据观测和采集平衡探测器(25)输出的中频电信号获取布里渊增益谱，所述数据处理模块(27)对电频谱分析仪(26)采集到的布里渊增益谱进行洛伦茨拟合得到沿光纤的布里渊频移分布，根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。

2. 根据权利要求1所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述脉冲信号发生器(24)用于控制脉冲调制器(21)的同时，还对电频谱分析仪(26)进行同步触发控制。

3. 根据权利要求1所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述长距离传感光纤(17)长度超过70km。

4. 根据权利要求1所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：当所述长距离传感光纤(17)出现断点时，所述脉冲调制器(21)调制的泵浦光脉冲成为探测信号光，其后向的瑞利散射光注入光环形器(18)的第2端口后，经光环形器(18)的第3端口进入3dB耦合器(19)与本振光相干混频后由平衡探测器(25)进行相干检测，电频谱分析仪(26)的中心频率设置在中频                                               = f ₁处，并采用“零范围”模式，经多次平均后获取瑞利散射光的时域功率分布曲线，实现断点检测的功能。

5. 根据权利要求1所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：还包括设置在第一耦合器(11)与脉冲调制器(21)之间的第一偏振控制器(13)、以及设置在第二耦合器（12)与电光调制器(15)之间的第二偏振控制器（20）；其中，所述第一偏振控制器(13)用于控制射入电光调制器(15)的光的偏振态，所述第二偏振控制器(20)用于控制射入脉冲调制器(21)的光的偏振态。

6. 根据权利要求1所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述微波信号源(14)输出的微波控制信号的频率约为传感光纤(17)的布里渊频移。

7. 根据权利要求1所述融合COTDR的长距离相干检测布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述微波信号源(14) 控制移频量 f的值，即为探测光和泵浦脉冲光之间的频率差，通过不断调节微波信号源(14)的调制频率改变探测光和泵浦脉冲光之间的频率差，实现布里渊频谱的扫频测量。

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