CN112038878B - 基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感*** - Google Patents

基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，所述光纤声波传感***包括：振动探测单元，提供信号光；第一激光源，提供第一泵浦光；第一传感光纤，所述第一传感光纤的首端接收所述第一泵浦光与信号光的合束光；远泵放大器模块，所述远泵放大器模块与所述第一传感光纤的尾端连接，所述远泵放大器包括用来放大输入中所述信号光的掺铒光纤；第二传感光纤，所述第二传感光纤的首端接收所述远泵放大器模块的输出。本发明有效地增大***的传感距离。

Description

基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***。
背景技术
分布式光纤声波传感***(简称DAS)发射脉冲激光到传感光纤中，在光注入端接收光纤中自发的背向瑞利散射的相干光。通过检测外部振动导致的相干光强度变化来感知光纤所收到的外部扰动以获得振动信息。这种技术方法具有灵敏度高、测量响应速度快且能够实现长距离全分布式传感，适合对微扰动时间的监测，在大型建筑结构安全防护、重要场所的周界安防等领域有着广泛的应用。
光纤声波传感***在实际工程应用中，由于光缆的实际损耗比较大，或者光缆长度超出了DAS所能达到的最远距离，此时需要将信号光放大。传感测量一般都利用已经敷设好的光缆来进行，有的工程现场光缆的长度比较长，超越了DAS所能测量的最大长度。或者即使光缆长度在DAS所能测量的最大长度之内，但由于各种原因，光缆的传输损耗比较大。
布里渊放大器也是分布式放大器，但是布里渊放大器的带宽很窄，并且受温度影响很大，从而影响传输信号的放大，不适合用于DAS传感***中。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，本发明部分实施例将无中继光通信***中应用的远泵放大器或者拉曼放大器应用在光纤声波传感***中，这两种技术可以大幅度提升现有光纤***的容量，增加传感***的探测距离，降低***的成本从而广泛应用于长距离光纤通信***、光纤传感***以及科学研究等领域，同时将这两种技术应用到光纤声波传感***中来提升***的传感距离。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，所述光纤声波传感***包括：振动探测单元，提供信号光；第一激光源，提供第一泵浦光；第一传感光纤，所述第一传感光纤的首端接收所述第一泵浦光与信号光的合束光；远泵放大器模块，所述远泵放大器模块与所述第一传感光纤的尾端连接，所述远泵放大器包括用来放大输入中所述信号光的掺铒光纤；第二传感光纤，所述第二传感光纤的首端接收所述远泵放大器模块的输出。
优选地，所述光纤声波传感***包括：第二激光源，提供第二泵浦光，输入所述第二传感光纤。所述第一泵浦光为1480nm，所述第二泵浦光为1455nm。所述远泵放大器包括将所述第一泵浦光和信号光分离的波分复用器、和将分离后的第一泵浦光调节的衰减器、将调节后的第一泵浦光和信号光再次合束的另一波分复用器，再次合束后的第一泵浦光和信号光输入所述掺铒光纤中。
优选地，所述第一泵浦光为1455nm。所述光纤声波传感***包括：第三激光源，提供第三泵浦光，用来与所述合束光再次合束后输入所述掺铒光纤。所述第三泵浦光为1480nm。
优选地，所述第一传感光纤和远泵放大器模块之间连接有第一环形器，所述第一环形器的第一端与所述第一传感光纤的尾端连接，所述第一环形器的第二端与所述远泵放大器的输入端连接，所述第一环形器还包括第三端，所述第一环形器的第一端的入射光自其第二端导出，所述第一环形器的第三端的入射光自其第一端导出。
优选地，所述第二传感光纤和远泵放大器模块之间连接有第二环形器，所述第二环形器的第一端与所述远泵放大器的输出端连接，所述第二环形器的第二端与所述第二传感光纤的首端连接，所述第二环形器的第三端与所述第一环形器的第三端连接，所述第二环形器的第一端的入射光自第二端导出，所述第二环形器的第二端的入射光自第三端导出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：制约高速率、超长距离通信***大规模应用的主要因素是光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，简写为：OSNR)，本方案在提高***OSNR方面有独特优势，其低噪声系数的特性可显著降低光纤通信***中光信噪比劣化速度，对延长传输距离、扩大跨段间距、降低***成本等有重要意义；
远泵放大器模块是一种置于***线路中的放大器，与接收端和发射端所用的前置放大器和功率放大器有所区别；所谓“远泵”指的是放大器的泵源距离作为增益介质的掺铒光纤有一段比较长的距离，从而可以将泵源置于发射端或接收端。远泵掺铒光纤放大器采用1480nm激光器作为泵源，比采用980nnm泵源具有更高的效率，同时1480nm光在线路中传输比980nnm传输损耗低很多；远泵掺铒光纤放大器可以实现连续输出，具有增益高、噪声系数低，极宽的增益带宽等优良特性；
拉曼光纤放大器采用高性能大功率1455nm泵浦激光器实现连续输出，利用传输光纤作为增益介质，利用入射泵浦光与介质分子的能量转移，即受激拉曼散射过程对弱信号光的放大，是一种基于光纤的全波段放大器，也是一种分布式放大器；具有增益高、噪声系数低，极宽的增益带宽等优良特性；
采用远泵放大器模块和拉曼放大器后，***的传输距离延长到100km，从而有效地增大***的传感距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中DAS设备的瀑布图。
图2为实施例一的示意图。
图3实施例一的100km原始曲线图。
图4为实施例一的100km瀑布图。
图5为实施例一的前50km的瀑布图。
图6为实施例一的后50km的瀑布图。
图7为实施例二的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
如图2-6所示，基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，光纤声波传感***包括：振动探测单元1，提供信号光；第一激光源2，提供第一泵浦光；第一传感光纤3，第一传感光纤3的首端接收第一泵浦光与信号光的合束光；远泵放大器模块4，远泵放大器模块4与第一传感光纤3的尾端连接，远泵放大器包括用来放大输入中信号光的掺铒光纤5；第二传感光纤6，第二传感光纤6的首端接收远泵放大器模块4的输出。
光纤声波传感***包括：第二激光源7，提供第二泵浦光，输入第二传感光纤6。
第一泵浦光为1480nm，第二泵浦光为1455nm。
远泵放大器模块4包括将第一泵浦光和信号光分离的波分复用器8、和将分离后的第一泵浦光调节的衰减器9、将调节后的第一泵浦光和信号光再次合束的另一波分复用器8，再次合束后的第一泵浦光和信号光输入掺铒光纤5中。
第一传感光纤3和远泵放大器模块4之间连接有第一环形器11，第一环形器11的第一端与第一传感光纤3的尾端连接，第一环形器11的第二端与远泵放大器的输入端连接，第一环形器11还包括第三端，第一环形器11的第一端的入射光自其第二端导出，第一环形器11的第三端的入射光自其第一端导出。第一环形器11亦能设置在将第一泵浦光和信号光分离的波分复用器8与将调节后的第一泵浦光和信号光再次合束的另一波分复用器8二者之间。
第二传感光纤6和远泵放大器模块4之间连接有第二环形器12，第二环形器12的第一端与远泵放大器的输出端连接，第二环形器12的第二端与第二传感光纤6的首端连接，第二环形器12的第三端与第一环形器11的第三端连接，第二环形器12的第一端的入射光自第二端导出，第二环形器12的第二端的入射光自第三端导出。
***中的探测光纤长度为100km，由两段50km光纤组成。该***的工作原理为：在振动探测单元一端的1480nm激光器作为远泵泵源，该泵源输出的光经过隔离器后(该隔离器所起的作用：防止光纤端面的反射光将激光器打坏)，与振动探测单元输出的1550nm的信号光同时进入波分复用器1中，然后进入50km探测光纤中。该50km光纤后面的虚线框内的器件和掺铒光纤构成远泵放大器模块。该模块输出的光经过第二环形器后进入到第二段50km探测光纤中。1455nm激光器作为拉曼泵源，接在第二段50km光纤的尾端。
光纤环形器工作在1550nm波段，共有3个端口。环形器的工作原理为：输入到第一环形器端口的光直接到2端口输出，输入到第二环形器端口的光直接到3端口输出。
第二环形器的工作过程如下：远泵放大器输出的信号光进入第二环形器的1端口后直接进入2端口，然后进入第二段50km光纤。第二段50km探测光纤中产生的自发背向瑞利散射相干光进入第二环形器的2端口后直接到3端口，然后进入远泵放大器模块、第一段50km光纤和波分复用器1，最后进入光纤分布式振动探测单元做信号处理从而检测出光纤沿路的微扰动。
1480nm远泵泵源起到两方面的作用，一是作为拉曼泵源，注入到远距离光纤中实现光信号的分布式放大，二是作为泵源，传输到50km光纤后的远泵放大器模块中作为泵源，从而有效地增大***的传感距离。
可以看出每一段光纤的瀑布图都非常清晰。采用远泵掺铒光纤放大器和拉曼放大器后，***的传输距离从40km延长到100km，从而有效地增大***的传感距离。
光传感***与光通信***不同，随着光脉冲的功率增大，传感***中很容易引起非线性效应，例如四波混频和受激拉曼效应。光纤越长，受激拉曼的临界光功率越小。如前所述，1480nm远泵泵源起到两方面的作用，在发射端作为拉曼泵源时功率越大则信号的增益越大，但大功率的1480nm激光经第一段50km光纤后进入远泵放大器模块中产生的信号光很大则很容易引起非线性效应。为此本发明设计如图2中的虚线框内所示的远泵放大器模块。该模块的最关键地方是利用两个波分复用器将泵浦光和信号光分开进行传输。其工作原理为：在第一个50km光纤中传输的1480nm泵浦光和信号光进入波分复用器2后1480nm泵浦光和1550nm信号光分开，泵浦光一侧加一个可调光衰减器从而优化进入到掺铒光纤中的泵浦光功率。1550nm信号光进入第一环形器的2端口后直接到3端口。衰减后的泵浦光和信号光同时进入波分复用器3中进行合束，再经过隔离器后进入掺铒光纤中将1550nm信号光放大。如前所述，第二段50km光纤中产生的自发背向瑞利散射相干光经第二环形器的3端口输出后进入第一环形器的1端口后直接到2端口输出。然后再进入波分复用器2，第一段50km光纤和波分复用器1，最后进入光纤分布式振动探测单元做信号处理从而检测出光纤沿路的微扰动。
本发明将远泵掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器从光通信领域应用到传感领域中，可以将光纤声波传感***的传输距离从40km延长到100km，从而有效地增大***的传感距离。
实施例二
如图7所示，基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，光纤声波传感***包括：振动探测单元1，提供信号光；第一激光源2，提供第一泵浦光；第一传感光纤3，第一传感光纤3的首端接收第一泵浦光与信号光的合束光；远泵放大器模块4，远泵放大器模块4与第一传感光纤3的尾端连接，远泵放大器包括用来放大输入中信号光的掺铒光纤5；第二传感光纤6，第二传感光纤6的首端接收远泵放大器模块4的输出。
第一泵浦光为1455nm。
光纤声波传感***包括：第三激光源10，提供第三泵浦光，用来与合束光再次合束后输入掺铒光纤5。
第三泵浦光为1480nm。
第一传感光纤3和远泵放大器模块4之间连接有第一环形器11，第一环形器11的第一端与第一传感光纤3的尾端连接，第一环形器11的第二端与远泵放大器的输入端连接，第一环形器11还包括第三端，第一环形器11的第一端的入射光自其第二端导出，第一环形器11的第三端的入射光自其第一端导出。
第二传感光纤6和远泵放大器模块4之间连接有第二环形器12，第二环形器12的第一端与远泵放大器的输出端连接，第二环形器12的第二端与第二传感光纤6的首端连接，第二环形器12的第三端与第一环形器11的第三端连接，第二环形器12的第一端的入射光自第二端导出，第二环形器12的第二端的入射光自第三端导出。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (6)

1.一种基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述分布式光纤声波传感***包括：
振动探测单元，提供信号光；
第一激光源，提供第一泵浦光；
第一传感光纤，所述第一传感光纤的首端接收所述第一泵浦光与信号光的合束光；
远泵放大器模块，所述远泵放大器模块与所述第一传感光纤的尾端连接，所述远泵放大器包括用来放大输入中所述信号光的掺铒光纤；
第二传感光纤，所述第二传感光纤的首端接收所述远泵放大器模块的输出；
所述远泵放大器模块包括将所述第一泵浦光和信号光分离的波分复用器、和将分离后的第一泵浦光调节的衰减器、将调节后的第一泵浦光和信号光再次合束的另一波分复用器，再次合束后的第一泵浦光和信号光输入所述掺铒光纤中；
所述第一传感光纤和远泵放大器模块之间连接有第一环形器，所述第一环形器的第一端与所述第一传感光纤的尾端连接，所述第一环形器的第二端与所述远泵放大器的输入端连接，所述第一环形器还包括第三端，所述第一环形器的第一端的入射光自其第二端导出，所述第一环形器的第三端的入射光自其第一端导出；
所述第二传感光纤和远泵放大器模块之间连接有第二环形器，所述第二环形器的第一端与所述远泵放大器的输出端连接，所述第二环形器的第二端与所述第二传感光纤的首端连接，所述第二环形器的第三端与所述第一环形器的第三端连接，所述第二环形器的第一端的入射光自第二端导出，所述第二环形器的第二端的入射光自第三端导出。
2.根据权利要求1所述的基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述光纤声波传感***包括：
第二激光源，提供第二泵浦光，输入所述第二传感光纤。
3.根据权利要求2所述的基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述第一泵浦光为1480nm，所述第二泵浦光为1455nm。
4.根据权利要求1所述的基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述第一泵浦光为1455nm。
5.根据权利要求4所述的基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述光纤声波传感***包括：
第三激光源，提供第三泵浦光，用来与所述合束光再次合束后输入所述掺铒光纤。
6.根据权利要求5所述的基于远泵放大器和拉曼放大器的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述第三泵浦光为1480nm。
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