CN103115632B - 多波长布里渊光时域分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长布里渊光时域分析仪，包括多波长激光器、耦合器、探测脉冲光路、连续泵浦光路、探测器和信号采集处理器；其中，所述探测脉冲光路包括探测脉冲光调制单元、第一掺铒光纤放大器、第一环形器，所述连续泵浦光路包括连续泵浦光调制单元、第二掺铒光纤放大器、第二环形器、布拉格光栅、扰偏器；多波长激光器发出连续光，该连续光经耦合器分别输入探测脉冲光路、连续泵浦光路；本发明通过增加探测光及泵浦光的波长数量，可在不引起受激布里渊散射的前提下增加进入光纤的总光功率，可有效提高***信噪比。同时可使测量效率得到提高，对一定的传感距离，缩短了测量时间；对一定的测量时间，提高了传感范围。

Description

多波长布里渊光时域分析仪

技术领域

本发明涉及一种基于多波长光源的布里渊光时域分析仪，用于光纤传感、光缆健康监测领域的布里渊光时域分析仪。

背景技术

全分布式光纤传感技术以整条光纤为传感元件，利用光纤中的散射现象，可实现对传感光纤上待测物理量（应变、温度等）随时间和空间变化的连续分布测量。BOTDA（Brillouinoptical time-domain analysis，布里渊光时域分析仪)是一种基于受激布里渊放大效应的分布式光纤传感***，由于布里渊光时域分析仪具有传感距离长、灵敏度高、测量精度高等优点，已经在很多结构监测中得到了应用。

传统的基于直接探测的BOTDA都使用单波长窄线宽光源，其探测光和泵浦光都只是单波长的光信号。在损耗型BOTDA中，连续泵浦光的频率比探测脉冲光的频率高，两者的频率差约为被测光纤的布里渊频移（约11GHz）。探测脉冲光与连续泵浦光分别从光纤的两端注入，由于受激布里渊放大作用，连续泵浦光的一部分能量通过振动的声场转移给探测脉冲光。利用OTDR技术（Optical fiber time-domain reflectometer，光时域反射），通过检测连续泵浦光功率的变化，可得到光纤沿线能量转移的大小。由于能量转移的大小与两个光波之间的频率差有关，并且当两者的频率差为光纤的布里渊频移时，能量转移最大。通过主动改变两个光波的频率差，并记录每个频率差下的能量转移大小，便可得到光纤沿线的布里渊增益谱，通过洛伦兹拟合得到布里渊谱的峰值频率，其对应布里渊频移。通过对比光纤中不同位置的布里渊频移，依据布里渊频移与应变或温度的线性关系，可获得光纤上连续分布的应变与温度状况，实现分布式光纤传感和健康监测。

信噪比（SNR）是BOTDA的重要参数，它决定了***的动态范围和测量精度。信噪比的提升主要通过提升探测脉冲光和连续泵浦光功率，以及增加累加平均的测量次数来实现。但由于光纤中非线性效应的限制，入射到被测光纤中的光功率应低于受激布里渊阈值；另外增加平均次数不仅会带来测量时间的增加，而且平均次数超过一定数量后，即使再增加也不会对信噪比的提升有明显的帮助。故***信噪比的提升在上述两个方面都会受到制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中存在的缺陷，提出一种基于多波长光源的布里渊光时域分析仪，该布里渊光时域分析仪使用具有相等微小波长间隔的多个波长的探测脉冲光与多个波长的连续泵浦光，每个波长的探测光与相应的泵浦光一一对应，相互间发生能量转移，使得探测到的光功率提高，进而使得***采集到的探测光信号的信噪比高于单波长***的信噪比。

本发明为解决以上技术问题，采用的技术方案如下所述：

一种多波长布里渊光时域分析仪，包括多波长激光器、耦合器、探测脉冲光路、连续泵浦光路、探测器和信号采集处理器；其中，所述探测脉冲光路包括探测脉冲光调制单元、第一掺铒光纤放大器、第一环形器，所述连续泵浦光路包括连续泵浦光调制单元、第二掺铒光纤放大器、第二环形器、布拉格光栅、扰偏器；多波长激光器发出频率为υ₁,υ₁+Δυ,…,υ₁+(N-1)Δυ的连续光，Δυ为频率间隔，N为波长数，N为自然数；该连续光经耦合器分别输入探测脉冲光路、连续泵浦光路；其中：

在探测脉冲光路上，所述连续光经探测脉冲光调制单元被调制成多波长探测脉冲光，该多波长探测脉冲光经过第一掺铒光纤放大器放大后，经第一环形器注入被测传感光纤的一端；

在连续泵浦光路上，所述连续光经连续泵浦光调制单元进行双边带调制获得频率上移与下移υ_S的连续光，即该调制后的连续光频率为υ₁±υ_S,υ₁+Δυ±υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ±υ_S；υ_S的初始值设定为室温和松弛状态下光纤对应的布里渊频移，可通过改变泵浦光调制单元的调制频率改变υ_S的值；调制后的连续泵浦光经过第二环形器和布拉格光栅组成的滤波单元来滤除频率比探测脉冲光频率低的波长成分，得到频率为υ₁+υ_S,υ₁+Δυ+υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ+υ_S的连续泵浦光，该泵浦光经过扰偏器后，注入被测传感光纤的另一端；

在被测传感光纤中，N对探测脉冲光与连续泵浦光分别发生相互作用，相互作用后连续光的信号经第一环形器输出到探测器上，经探测器光电转换后，送入信号采集处理器，得到光纤上布里渊散射谱中某一频率对应的时域踪迹；通过等间隔的改变υ_S，获得整个被测传感光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。

作为本发明的一种多波长布里渊光时域分析仪的进一步优化，所述探测脉冲光调制单元包括脉冲发生器和光调制器，其中，所述脉冲发生器与光调制器的调制信号输入端相连，光调制器为电光调制器或声光调制器。

作为本发明的一种多波长布里渊光时域分析仪的进一步优化，所述连续泵浦光调制单元包括微波源和电光调制器，其中所述微波源与电光调制器的调制信号输入端连接，用于控制连续泵浦光调制单元所需的频移υ_S的大小。

作为本发明的一种多波长布里渊光时域分析仪的进一步优化，所述探测器是带宽约为几百兆赫兹的常规中频探测器。

作为本发明的一种多波长布里渊光时域分析仪的进一步优化，所述信号采集处理器是示波器或频谱仪，或者是由采集卡与计算机组成的装置。

作为本发明的一种多波长布里渊光时域分析仪的进一步优化，所述多波长激光器发出的连续光的频率间隔Δυ所对应的波长的范围是[0.01nm，0.1nm]。

作为本发明的一种多波长布里渊光时域分析仪的进一步优化，所述υ_S的取值范围和被测量温度与应变范围有关；若室温T₀和松弛状态ε₀下光纤的布里渊频移为υ_B0，被测温度为T₀+ΔT,则υ_S的取值范围为：

[υ_B0+ΔT·1MHz/°C-100MHz,υ_B0+ΔT·1MHz/°C+100MHz]；

被测应变为ε₀+Δε,则υ_S的取值范围为：

[υ_B0+Δε·5×10⁴MHz-100MHz,υ_B0+Δε·5×10⁴MHz+100MHz]。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比的有益效果是：

本发明提出一种新型的基于多波长光源的布里渊光时域分析仪，通过增加探测脉冲光和连续泵浦光的波长数量，可在不引起受激布里渊散射的前提下增加进入光纤的总光功率，可有效提高***信噪比。同时可使测量效率得到提高，即在一次传统单波长方法的测量时间内，可获得多次测量的累加效果。对一定的传感距离，缩短了测量时间；对一定的测量时间，提高了传感范围。

附图说明

图1是本发明的基于多波长光源的布里渊光时域分析仪的方法示意图。

图2是本发明的基于多波长光源的布里渊光时域分析仪的装置原理图。

图3是本发明具体实施例的工作原理图。

图4是本发明具体实施例的单波长、三波长布里渊光功率测量结果对比图。

图5是本发明具体实施例的单波长、三波长布里渊频移的测量结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

首先，如图1所示，为本发明的基于多波长光源的布里渊光时域分析仪的方法示意图，多波长激光光源发出频率为υ₁,υ₁+Δυ,…,υ₁+(N-1)Δυ的激光光源，该激光光源被分为两路：

一路经过脉冲调制成为多波长探测脉冲光，其频率为υ₁,υ₁+Δυ,…,υ₁+(N-1)Δυ，从被测光纤的一端注入。

另一路被调制成多波长连续泵浦光，每个波长的光都得到υ_S的频率上移，所以多波长连续泵浦光的频率为υ₁+υ_S,υ₁+Δυ+υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ+υ_S，从被测光纤的另一端注入。

在被测光纤中，多个探测脉冲光与其对应的连续泵浦光相互作用，频率较高的连续泵浦光将向频率较低的探测脉冲光发生能量转移，当二者的频率差为布里渊频移υ_B时，能量转移量达到最大。采用探测器直接检测相互作用后连续泵浦光的信号，等同于使用单波长进行N次探测的累加信号。

本发明的基于多波长光源的布里渊光时域分析仪包括如下特征：

1、多波长探测光与多波长泵浦光的波长间隔相等，且波长间隔小于0.1nm；

2、采用多波长激光光源，被测光纤的一端注入多波长探测脉冲光，其波长与多波长激光光源相同；

3、被测光纤的另一端注入多波长连续泵浦光，其波长为对多波长激光光源的频率进行调制得到；

4、多波长探测脉冲光的每一个波长的布里渊增益谱内只有一个对应波长的连续泵浦光，使得多波长探测光与多波长泵浦光之间的每一对能量转移的相互作用相互独立，不发生额外的耦合或非线性效应；

5、探测器的带宽只需满足脉宽决定的空间分辨率的要求。

多波长探测脉冲光与多波长连续泵浦光在传感光纤中相向传输，产生受激布里渊放大效应，连续泵浦光的部分能量转移到探测脉冲光，探测器直接探测连续光的功率。

基于以上工作原理，本发明提出一种基于多波长光源的布里渊光时域分析仪，如图2所示，包括1个多波长激光器、1个耦合器、1个探测脉冲光调制单元、1个连续泵浦光调制单元、2个掺铒光纤放大器（EDFA）、2个环形器、1个布拉格光栅（FBG）、1个扰偏器、1个探测器和1个信号采集处理器。具体工作时，多波长激光器发出的连续光（频率为υ₁,υ₁+Δυ,…,υ₁+(N-1)Δυ）经耦合器分为两路：一路为探测脉冲光路，另一路为连续泵浦光路。

其中，在探测脉冲光路上连续光经探测脉冲光调制单元调制成脉冲光（频率为υ₁,υ₁+Δυ，…,υ₁+(N-1)Δυ），多波长探测脉冲光经过掺铒光纤放大器放大，经环形器注入传感光纤。在连续泵浦光路上，经连续泵浦光调制单元双边带调制获得频率上移与下移的连续光（频率为υ₁±υ_S,υ₁+Δυ±υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ±υ_S）。调制后的连续光经过一个由环形器和布拉格光栅组成的滤波单元来滤除频率比探测脉冲光频率低的波长成分，得到频率为υ₁+υ_S,υ₁+Δυ+υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ+υ_S的连续泵浦光，以构成损耗型的BOTDA，并且可以有效滤除放大器产生的自发辐射噪声（ASE）。探测光经过一个扰偏器，来降低偏振噪声的影响，然后注入传感光纤的另一端。在被测光纤中，N对探测脉冲光与连续泵浦光分别产生受激布里渊散射，连续泵浦光经环形器输出到探测器上，经探测器光电转换后，送入信号采集处理器，可得到光纤上布里渊散射谱中某一频率对应的时域踪迹。通过等间隔的改变υS，可获得整个光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。

关于信噪比提升与波长数N的关系，如下式所示：

$\mathrm{SNRI}=\frac{{\mathrm{SNR}}_N}{{\mathrm{SNR}}_1}=\frac{N^2(2q{P}_{\mathrm{cw}}\mathrm{RB}+4\mathrm{kTB}/R_L+<i_{E-\mathrm{noise}}^2>)}{2\mathrm{Nq}{P}_{\mathrm{cw}}\mathrm{RB}+4\mathrm{kTB}/R_L+<i_{E-\mathrm{noise}}^2>}$

其中N为波长数，T为热力学温度，k为玻尔兹曼常数，R_L为负载电阻，q为元电荷，R为光电二极管响应率，B为探测器带宽，P_cw为连续光功率。分母中的第一项（2NqP_cwRB）和第二项（4kTB/R_L）分别为散粒噪声和热噪声，第三项为信号采集处理***中其他器件（如放大器和示波器等）产生的电噪声功率。

作为本发明的一种优选实施方式，扰偏器可以是有源的也可以是无源的；探测器可以是平衡探测器，也可以是其他类型的探测器。信号采集处理器可以是示波器或频谱仪，也可以由采集卡与计算机组成。

实施例：结合具体测量方式和附图说明本发明的测量方法。本实施例采用三个波长，但本发明不限于三个波长。

如图3所示，单波长激光器发出1549.886nm的单波长激光，被电光调制器1和微波源1调制，产生三个波长的激光光源，其波长间隔为0.028nm，对应的频率间隔Δυ为3.5GHz。之后经耦合器分为两路，一路被电光调制器2和脉冲发生器调制成50ns的光脉冲，再经掺铒光纤放大器1放大后，作为探测脉冲光进入环形器1的1端口，从2端口注入23.6km长的被测光纤，被测光纤末端有45m左右放置在加温装置中；另一路被电光调制器3和微波源2调制，调制获得的边带信号作为连续泵浦光信号，之后经过掺铒光纤放大器2放大，经由环形器2和布拉格光栅组成的滤波单元滤除频率下移的边带以及掺铒光纤放大器2产生的自发辐射噪声（ASE）。之后经过一个扰偏器以降低偏振噪声的影响，注入被测光纤的另一端。探测脉冲光和连续泵浦光在被测光纤中相互作用后，连续泵浦光经环形器1的3端口输出，由探测器进行直接检测。光电转换后的信号由示波器接收获得时域信号，改变微波源2的频率以实现扫频，扫频范围设为从10.82GHz至10.96GHz，扫频的频率间隔为10MHz。可获得整个光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。

图4、图5给出了三波长探测脉冲光和三波长连续泵浦光的BOTDA***与普通单波长***的测量结果对比。图4给出了布里渊峰值功率的对比，三波长测得结果的电压信噪比比普通BOTDA测得的高4.5dB。图5给出了整段光纤以及加温段的布里渊频移测量结果，三波长***与单波长***中，不加温光纤段的布里渊频移标准差分别为0.7MHz和1.2MHz；加温光纤段的布里渊频移标准差分别为0.2MHz和0.5MHz。可以看出三波长***测量结果的波动近似为普通单波长***测量值波动的一半，三波长***与单波长***温度测量误差分别为0.2℃和0.5℃。

与传统的单波长光源的基于布里渊光时域分析仪相比，本发明的信噪比与动态范围得到提高。本发明通过增加探测光及泵浦光的波长数量，增强进入光纤的光功率，可以提高传感光纤的利用效率，在一次传统方法的测量时间内，可获得多次测量的累加效果。对一定的传感距离，缩短了测量时间；对一定的测量时间，提高了传感范围。

Claims (6)

1.一种多波长布里渊光时域分析仪，其特征在于：包括多波长激光器、耦合器、探测脉冲光路、连续泵浦光路、探测器和信号采集处理器；其中，所述探测脉冲光路包括探测脉冲光调制单元、第一掺铒光纤放大器、第一环形器，所述连续泵浦光路包括连续泵浦光调制单元、第二掺铒光纤放大器、第二环形器、布拉格光栅、扰偏器；多波长激光器发出频率为υ₁,υ₁+Δυ,…,υ₁+(N-1)Δυ的连续光，Δυ为频率间隔，N为波长数，N为自然数；该连续光经耦合器分别输入探测脉冲光路、连续泵浦光路；其中：

在探测脉冲光路上，所述连续光经探测脉冲光调制单元被调制成多波长探测脉冲光，该多波长探测脉冲光经过第一掺铒光纤放大器放大后，经第一环形器注入被测传感光纤的一端；

在连续泵浦光路上，所述连续光经连续泵浦光调制单元进行双边带调制获得频率上移与下移υ_S的连续光，即该调制后的连续光频率为υ₁±υ_S,υ₁+Δυ±υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ±υ_S；υ_S的初始值设定为室温和松弛状态下光纤对应的布里渊频移，可通过改变连续泵浦光调制单元的调制频率改变υ_S的值；调制后的连续泵浦光经过第二环形器和布拉格光栅组成的滤波单元来滤除频率比探测脉冲光频率低的波长成分，得到频率为υ₁+υ_S,υ₁+Δυ+υ_S,…,υ₁+(N-1)Δυ+υ_S的连续泵浦光，该泵浦光经过扰偏器后，注入被测传感光纤的另一端；

所述υ_S的取值范围和被测量温度及应变范围有关，具体如下：

若室温T₀和松弛状态ε₀下光纤的布里渊频移为υ_B0，被测温度为T₀+ΔT,则υ_S的取值范围为：

[υ_B0+ΔT·1MHz/℃-100MHz,υ_B0+ΔT·1MHz/℃+100MHz]；

被测应变为ε₀+Δε,则υ_S的取值范围为：

[υ_B0+Δε·5×10⁴MHz-100MHz,υ_B0+Δε·5×10⁴MHz+100MHz]；

在被测传感光纤中，N对探测脉冲光与连续泵浦光分别发生相互作用，相互作用后连续光的信号经第一环形器输出到探测器上，经探测器光电转换后，送入信号采集处理器，得到光纤上布里渊散射谱中某一频率对应的时域踪迹；通过等间隔的改变υ_S，获得整个被测传感光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。

2.根据权利要求1所述的一种多波长布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述探测脉冲光调制单元包括脉冲发生器和光调制器，其中，所述脉冲发生器与光调制器的调制信号输入端相连，所述光调制器为电光调制器或声光调制器。

3.根据权利要求1所述的一种多波长布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述连续泵浦光调制单元包括微波源和电光调制器，其中所述微波源与电光调制器的调制信号输入端连接，用于控制连续泵浦光调制单元所需的频移υ_S的大小。

4.根据权利要求1所述的一种多波长布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述探测器是带宽约为几百兆赫兹的常规中频探测器。

5.根据权利要求1所述的一种多波长布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述信号采集处理器是示波器或频谱仪，或者是由采集卡与计算机组成的装置。

6.根据权利要求1所述的一种多波长布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述多波长激光器发出的连续光的频率间隔Δυ所对应的波长范围是[0.01nm，0.1nm]。