CN111721338B - 一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析*** - Google Patents

一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及分布式光纤传感***，公开了一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，包括窄线宽激光器、窄线宽激光器发出的光经分光器后分为两束，一束作为探测光经电光调制器进行载波抑制的双边带调制；然后经掺铒光纤放大器放大后进入传感光纤，另一束作为泵浦光，依次经单边带调制器、脉冲调制器和脉冲光放大器后从另一端进入传感光纤；单边带调制器用于对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替高频边带及低频边带并对其进行扫频；从传感光纤另一端出射的布里渊增益谱信号和布里渊损耗信号经光滤波器滤除杂散光后被光电探测器接收，然后被数据采集卡采集。本发明使信号功率提高为传统BOTDA***的2倍，提高了***信噪比。

Description

一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感***，具体是一种泵浦光高/低频交替调制获取增益/损耗谱的BOTDA***。
背景技术
分布式光纤传感技术的提出，将信号传输与传感介质相结合，成功实现长度为上百公里的温度/应变等数据测量，且分布式光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、监测距离长等众多优点，从而可以广泛应用于工程和生活各个领域，如在交通隧道、桥梁建筑、矿井环境中，可以实现温度监控、渗漏监测以及裂缝检查等功能。
分布式光纤传感中，由于BOTDA(Brillouin optical time-domain analysis，布里渊光时域分析)***具有较高的测量精度，较长的传感距离，以及较优的***可行性，所以本发明基于BOTDA***实。现在已有研究中提出获得增益谱和损耗谱的平衡探测技术（Alejandro Domínguez-López, Alexia López-Gil, Sonia Martín-López, and MiguelGonzález-Herráez. Signal-to-Noise Ratio Improvement in BOTDA Using BalancedDetection [J]. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2014, 26(4): 338-341），但是该***装置较为复杂且成本较大。依次，需要对现有的布里渊时域分析***进行改进。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，通过单边带调制器对泵浦光进行高低频交替调制，并进行扫频，同时获得布里渊增益谱和损耗谱，然后通过算法处理解调，在大大降低***装置成本的前提下达到了提高信噪比的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，包括窄线宽激光器，所述窄线宽激光器发出的光经分光器后分为两束，一束作为探测光经电光调制器进行载波抑制的双边带调制，得到频率分别为
Figure 605215DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 488902DEST_PATH_IMAGE002
两个边带；然后经掺铒光纤放大器放大后进入传感光纤，另一束作为泵浦光，依次经单边带调制器、脉冲调制器和脉冲光放大器后从另一端进入传感光纤；
所述单边带调制器用于在可编程微波信号源的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替产生频率为频率为
Figure 602352DEST_PATH_IMAGE003
的高频边带及频率为
Figure 527582DEST_PATH_IMAGE004
的低频边带并对其进行扫频；所述脉冲调制器用于将泵浦光调制成为脉冲信号，所述脉冲光放大器用于对脉冲光进行放大后发送至传感光纤的另一端；其中，
Figure 689573DEST_PATH_IMAGE005
为窄线宽激光器发出的激光频率，f 1为探测光的频移频率，f 2为泵浦光的频移频率；
泵浦光脉冲光与探测光在传感光纤中交替产生布里渊增益和布里渊损耗，从传感光纤另一端出射的布里渊增益谱信号和布里渊损耗信号经光滤波器滤除杂散光后被光电探测器接收，然后被数据采集卡采集。
所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，还包括与所述数据采集卡连接的计算单元，所述计算单元用于根据数据采集卡采集得到的布里渊增益谱和布里渊损耗谱，进行叠加计算得到合成布里渊增益谱。
所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，还包括用于驱动所述脉冲调制器的脉冲信号发生器。
所述可编程微波信号源为双通道微波信号源，所述双通道微波信号源的另一通道输出的微波信号用于驱动所述电光调制器。
所述可编程微波信号源的型号为：中星联华SLFS-D系列双通道微波模拟信号源；单边带调制器采用KG-ModBox-SSB系列载波抑制单边带调制模块；脉冲调制器采用OPEAKOAM-SOA-PL型脉冲调制器，脉冲光放大器采用OPEAK EDFA-C-PL-NS-MB型脉冲掺铒光纤放大器；传感光纤采用G652系列单模光纤。
探测光的频移频率f 1和泵浦光的频移频率f 2满足以下条件：10.5GHz< f 1+ f 2<11GHz，且有
Figure 16649DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 35421DEST_PATH_IMAGE007
表示布里渊增益谱的谱宽。
脉冲调制器将泵浦光调制成为脉冲信号时，泵浦脉冲信号的预设间隔大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间。
所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，还包括偏振控制器、光绕偏器、光隔离器、光环形器和脉冲信号发生器，所述偏振控制器设置在分光器与电光调制器之间、所述光绕偏器和光隔离器设置在掺铒光纤放大器与传感光纤之间，所述光环形器的第一端口与脉冲光放大器的输出端连接，第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口与光滤波器连接。
所述分束器为1×2光纤耦合器，所述分束器、偏振控制器、电光调制器、掺铒光纤放大器、光绕偏器、光隔离器之间通过单模光纤跳线连接；
所述分束器、单边带调制器、脉冲调制器、脉冲光放大器和光环形器之间通过单模光纤跳线连接；光滤波器与光电探测器之间通过单模光纤跳线连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
其一，本发明采用单边带调制器，交替性地将泵浦信号调制至频率为
Figure 634898DEST_PATH_IMAGE008
的高频边带泵浦信号或
Figure 662897DEST_PATH_IMAGE009
的低频边带泵浦信号，并经过扫频分别与探测信号的低频边带和高频边带发生受激布里渊作用产生增益谱和损耗谱，然后通过算法叠加处理使信号功率提高为传统BOTDA***的2倍，从而提高了***信噪比。
其二，基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析***（中国发明专利CN107764297A）利用任意波形发生器对泵浦脉冲进行频率调制会产生高/低频两个边带，本发明利用可程序控制的微波信号源驱动的单边带调制器将泵浦信号调制为单个边带，这样就可以避免使用滤波器滤除不需要的边带，降低装置的复杂度。
其三，本发明在获取增益谱和损耗谱的情况下，同时满足探测信号和泵浦信号的频差条件
Figure 844480DEST_PATH_IMAGE010
，电光调制器对探测信号双边带的调制频率f 1最小满足
Figure 299732DEST_PATH_IMAGE011
即可，在具体实施中约为5.5GHz；同时，双通道微波信号源对泵浦信号高/低频单边带的调制频率f 2，在具体实施中约为5.3GHz。相较于传统BOTDA***，微波信号源对探测信号的调制频率约为2f 1。所以本发明对器件所需带宽的要求降低了2倍，大大节约了***所需成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***的频域原理图。
图3是本发明数据处理原理图。
图中：1-窄线宽激光器、2-分光器、3-偏振控制器、4-电光调制器、5-掺铒光纤放大器、6-光扰偏器、7-光隔离器、8-偏压控制器、9-单边带调制器、10-脉冲调制器、11-脉冲光放大器、12-可编程微波信号源、13-传感光纤、14-光环形器、15-光滤波器、16-光电探测器、17-数据采集卡。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，包括窄线宽激光器1、分光器2、偏振控制器3、电光调制器4、掺铒光纤放大器5、光扰偏器6、光隔离器7、偏压控制器8、单边带调制器9、脉冲调制器10、脉冲光放大器11、可编程微波信号源12、传感光纤13、光环形器14、光滤波器15、光电探测器16和数据采集卡17。
具体地，本实施例中，所述窄线宽激光器1发出的光经分光器2后分为两束，一束作为探测光经电光调制器4进行载波抑制的双边带调制，得到频率分别为
Figure 871659DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 437769DEST_PATH_IMAGE002
两个边带；然后经掺铒光纤放大器5放大、绕偏器6进行扰偏、光隔离器7保证单向传输后，进入传感光纤13，，随后携带受激布里渊散射(SBS)信息的探测光进入环形器14的第二端口b。
另一束作为泵浦光，依次经单边带调制器9、脉冲调制器10和脉冲光放大器11后从另一端进入传感光纤13；所述单边带调制器9用于在可编程微波信号源12的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替产生频率为频率为
Figure 739438DEST_PATH_IMAGE012
的高频边带及频率为
Figure 365591DEST_PATH_IMAGE004
的低频边带并对其进行扫频；所述脉冲调制器10用于将泵浦光调制成为脉冲信号，所述脉冲光放大器11用于对脉冲光进行功率放大后，进入光环形器14的第一端口a，从光环形器14的第二端口b入射至传感光纤13的另一端；其中，
Figure 175546DEST_PATH_IMAGE013
为窄线宽激光器1发出的激光频率，f 1为探测光的频移频率，f 2为泵浦光的频移频率。
泵浦光脉冲光与探测光在传感光纤13中受激布里渊作用，布里渊背向散射光从光环形器14的第二端口b进入并从光环形器14第三端口c出射，然后经过光滤波器15将散射信号高/低频边带信号滤出，滤波后的光信号进入光电探测器16探测，经数据采集卡17进行数据采集、A/D转换、并在计算单元进行数据解调，从而实现分布式传感测量。
具体地，如图2所示，本实施例中，频率交替为
Figure 545348DEST_PATH_IMAGE014
的高频边带及频率为
Figure 701523DEST_PATH_IMAGE015
的低频边带交替地与双边带的探测光的低频边带
Figure 498577DEST_PATH_IMAGE001
及高频边带
Figure 45096DEST_PATH_IMAGE002
发生布里渊增强或者布里渊衰减，因此，通过探测器可以交替采集到布里渊增益谱和布里渊衰减谱。也就是说，首先通过单边带调制器将泵浦信号调制为
Figure 953010DEST_PATH_IMAGE016
的高频边带并进行扫频，泵浦光的该高频边带与探测信号的低频边带进行发生受激布里渊作用得到布里渊增益谱；然后再通过单边带调制器将泵浦信号调制为
Figure 963691DEST_PATH_IMAGE017
的低频边带并进行扫频，泵浦光的低频边带与探测信号的高频边带发生受激布里渊作用得到布里渊损耗谱。
本实施例中，在***采集数据之前，先通过光滤波器滤出探测信号的高/低频边带信号，避免噪声及其他信号的干扰。
具体地，进一步地，本实施例的一种布里渊光时域分析***，还包括与所述数据采集卡17连接的计算单元，所述计算单元用于根据数据采集卡17采集得到的布里渊增益谱和布里渊损耗谱，进行叠加计算得到合成布里渊增益谱。
本实施例中，滤出探测信号高/低频边带信号之后，通过算法处理得到合成之后的布里渊谱。对于布里渊增益谱的功率变化与
Figure 931647DEST_PATH_IMAGE018
成比例关系，布里渊损耗谱的功率变化与
Figure 214730DEST_PATH_IMAGE019
成比例关系；上述
Figure 926334DEST_PATH_IMAGE020
为布里渊增益系数，
Figure 791521DEST_PATH_IMAGE021
为泵浦脉冲的功率，
Figure 868062DEST_PATH_IMAGE022
分别为探测信号高低频边带的功率。通过算法叠加之后整个信号功率值与
Figure 451490DEST_PATH_IMAGE023
成比例关系。具体地，当探测信号的高低频边带功率值相等时，得到的信号功率是传统***的2倍，如果两个信号中噪声统计特性独立，则***的信噪比提高了3dB。数据处理原理参见图3，左图分别为增益谱和损耗谱，右图是两者经过叠加算法处理得到的结果。
具体地，本实施例提供的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，还包括用于驱动所述脉冲调制器10的脉冲信号发生器。进一步地，本实施例中，所述可编程微波信号源12为双通道微波信号源，所述双通道微波信号源的另一通道输出的微波信号用于驱动所述电光调制器4。进一步地，本实施例中，所述可编程微波信号源12的型号为：中星联华SLFS-D系列双通道微波模拟信号源，该微波信号源可以通过软件设置，使单边带调制器9对泵浦光进行交替调制，交替产生频率为频率为
Figure 966785DEST_PATH_IMAGE003
的高频边带及频率为
Figure 686479DEST_PATH_IMAGE024
的低频边带并对其进行扫频；单边带调制器9采用KG-ModBox-SSB系列载波抑制单边带调制模块；脉冲调制器10采用OPEAK OAM-SOA-PL型脉冲调制器，脉冲光放大器10采用OPEAK EDFA-C-PL-NS-MB型脉冲掺铒光纤放大器；传感光纤采用G652系列单模光纤。
具体地，本实施例中，窄线宽激光器1的中心波长为1550.12nm，线宽小于1MHz；分光器的分光比为50：50。
进一步地，本实施例中，探测光的频移频率f 1和泵浦光的频移频率f 2满足以下条件：10.5GHz< f 1+ f 2<11GHz，且有
Figure 684653DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 755378DEST_PATH_IMAGE026
表示布里渊增益谱的谱宽，其值约为100MHz。也就是说，本实施例中，通过使f 1和f 2满足
Figure 808784DEST_PATH_IMAGE027
来使探测光和泵浦之间发生受激布里渊作用，可以降低***对微波信号源的带宽需求，
Figure 648564DEST_PATH_IMAGE010
为布里渊频移。
进一步地，本实施例中，脉冲调制器10将泵浦光调制成为脉冲信号时，泵浦脉冲信号的预设间隔大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间，以避免脉冲之间发生串扰。具体地，本实施例中，泵浦光的高低频交替调制的变换周期可以为泵浦光脉冲信号周期的1~10倍。高低频交替调制时，一个频率下包含多个脉冲周期，是为了使采集卡可以多次采集数据进行平均，进而提高***信噪比。
进一步地，本实施例中，所述分束器2为1×2光纤耦合器，所述分束器2、偏振控制器3、电光调制器4、掺铒光纤放大器5、光绕偏器6、光隔离器7之间通过单模光纤跳线连接；所述分束器2、单边带调制器9、脉冲调制器10、脉冲光放大器11和光环形器14之间通过单模光纤跳线连接；光滤波器15与光电探测器16之间通过单模光纤跳线连接。单模光纤跳线的连接方式可以使***的光路更加稳定，测量结果更加精确。
本发明提供了一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，通过采用单边带调制器，将泵浦信号调制至频率为
Figure 66907DEST_PATH_IMAGE012
的高频边带泵浦信号或
Figure 624928DEST_PATH_IMAGE004
的低频边带泵浦信号，并经过扫频分别与探测信号的低频边带和高频边带发生受激布里渊作用产生增益谱和损耗谱，然后通过算法叠加处理使信号功率提高为传统BOTDA***的2倍，从而提高了***信噪比。并且，本发明的泵浦光和探测光的频移频率均约为布里渊频移的一半，相对于传统的布里渊时域分析***，大大降低了对微波驱动器件的带宽要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，包括窄线宽激光器（1），所述窄线宽激光器（1）发出的光经分光器（2）后分为两束，一束作为探测光经电光调制器（4）进行载波抑制的双边带调制，得到频率分别为
Figure 735561DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 678109DEST_PATH_IMAGE002
两个边带；然后经掺铒光纤放大器（5）放大后进入传感光纤（13），另一束作为泵浦光，依次经单边带调制器（9）、脉冲调制器（10）和脉冲光放大器（11）后从另一端进入传感光纤（13）；
所述单边带调制器（9）用于在可编程微波信号源（12）的驱动下，对泵浦光进行高低频交替调制，使其交替产生频率为
Figure 178361DEST_PATH_IMAGE003
的高频边带及频率为
Figure 598978DEST_PATH_IMAGE004
的低频边带并对其进行扫频；所述脉冲调制器（10）用于将泵浦光调制成为脉冲信号，所述脉冲光放大器（11）用于对脉冲信号进行放大后发送至传感光纤（13）的另一端；其中，
Figure 71547DEST_PATH_IMAGE005
为窄线宽激光器（1）发出的激光频率， f 1为探测光的频移频率， f 2为泵浦光的频移频率；
脉冲信号中频率为
Figure 247314DEST_PATH_IMAGE003
高频边带与探测光中频率为
Figure 172545DEST_PATH_IMAGE002
的低频边带作用，脉冲信号中频率为
Figure 396852DEST_PATH_IMAGE004
的低频边带与探测光中频率为
Figure 520666DEST_PATH_IMAGE001
的高频边带作用，进而在传感光纤（13）中交替产生布里渊增益和布里渊损耗，从传感光纤（13）另一端出射的布里渊增益谱信号和布里渊损耗谱信号经光滤波器（15）滤除杂散光后被光电探测器（16）接收，然后被数据采集卡（17）采集；
探测光的频移频率f 1和泵浦光的频移频率f 2满足以下条件：10.5GHz< f 1+ f 2<11GHz，且有
Figure 805017DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 217544DEST_PATH_IMAGE007
表示布里渊增益谱的谱宽，
Figure 322508DEST_PATH_IMAGE008
为布里渊频移。
2.根据权利要求1所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，还包括与所述数据采集卡（17）连接的计算单元，所述计算单元用于根据数据采集卡采集得到的布里渊增益谱和布里渊损耗谱，进行叠加计算得到合成布里渊增益谱。
3.根据权利要求1所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，还包括用于驱动所述脉冲调制器（10）的脉冲信号发生器。
4.根据权利要求1所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，所述可编程微波信号源（12）为双通道微波信号源，所述双通道微波信号源的另一通道输出的微波信号用于驱动所述电光调制器（4）。
5.根据权利要求4所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，所述可编程微波信号源（12）的型号为：中星联华SLFS-D系列双通道微波模拟信号源；单边带调制器（9）采用KG-ModBox-SSB系列载波抑制单边带调制模块；脉冲调制器（10）采用OPEAK OAM-SOA-PL型脉冲调制器，脉冲光放大器（11）采用OPEAK EDFA-C-PL-NS-MB型脉冲掺铒光纤放大器；传感光纤采用G652系列单模光纤。
6.根据权利要求1所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，脉冲调制器（10）将泵浦光调制成为脉冲信号时，脉冲信号的预设间隔大于2倍所述脉冲信号在所述传感光纤中的传输时间。
7.根据权利要求1所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，还包括偏振控制器（3）、光扰偏器（6）、光隔离器（7）、光环形器（14）和脉冲信号发生器，所述偏振控制器（3）设置在分光器（2）与电光调制器（4）之间、所述光扰偏器（6）和光隔离器（7）设置在掺铒光纤放大器（5）与传感光纤（13）之间，所述光环形器（14）的第一端口与脉冲光放大器（11）的输出端连接，第二端口与传感光纤（13）的另一端连接，第三端口与光滤波器（15）连接。
8.根据权利要求7所述的一种泵浦光高低频交替调制的布里渊光时域分析***，其特征在于，所述分光器（2）为1×2光纤耦合器，所述分光器（2）、偏振控制器（3）、电光调制器（4）、掺铒光纤放大器（5）、光扰 偏器（6）、光隔离器（7）之间通过单模光纤跳线连接；
所述分光器（2）、单边带调制器（9）、脉冲调制器（10）、脉冲光放大器（11）和光环形器（14）之间通过单模光纤跳线连接；光滤波器（15）与光电探测器（16）之间通过单模光纤跳线连接。
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