CN112345060A - 一种基于远泵放大器的das*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于远泵放大器的DAS***，所述***包括：振动探测单元，提供第一波长的信号光；激光源，提供第二波长的泵浦光；第一传感光纤，所述第一传感光纤的首端接收所述泵浦光与信号光的合束光；第一波分复用器，所述第一波分复用器的第一端与所述第一传感光纤的尾端连接用来接收所述合束光，所述第一波分复用器的第二端输出所述合束光中分离出的第二波长的信号光，所述第一波分复用器的第三端输出所述合束光中分离出的第一波长的信号光；衰减器，所述衰减器的一端与所述第一波分复用器的第二端连接；第一环形器。本发明将远泵掺铒光纤放大器从光通信领域应用到传感领域中，可以将DAS***的传输距离从40km延长到80km。

Description

一种基于远泵放大器的DAS***
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于远泵放大器的DAS***。
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。
DAS***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。
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的DAS***，本发明的部分实施例，将远泵放大器应用在DAS***中。远泵放大器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，这种技术应用到DAS***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：
一种基于远泵放大器的DAS***，所述***包括：振动探测单元，提供第一波长的信号光；激光源，提供第二波长的泵浦光；第一传感光纤，所述第一传感光纤的首端接收所述泵浦光与信号光的合束光；第一波分复用器，所述第一波分复用器的第一端与所述第一传感光纤的尾端连接用来接收所述合束光，所述第一波分复用器的第二端输出所述合束光中分离出的第二波长的信号光，所述第一波分复用器的第三端输出所述合束光中分离出的第一波长的信号光；衰减器，所述衰减器的一端与所述第一波分复用器的第二端连接；第一环形器，所述第一环形器的第一端的入射光自其第二端出射，所述第一环形器的第二端的入射光自其第三端出射，所述第一环形器的第二端与所述第一波分复用器的第三端连接；第二波分复用器，所述第二波分复用器的第一端与所述衰减器的另一端连接，所述第二波分复用器的第二端与所述第一环形器的第三端连接，所述第二波分复用器的第三端将其第一端和第二端的入射光合束出射；掺铒光纤，所述掺铒光纤的一端与所述第二波分复用器的第三端连接；第二环形器，所述第二环形器的第一端的入射光自其第二端出射，所述第二环形器的第二端的入射光自其第三端出射，所述第二环形器的第一端与所述掺铒光纤的另一端连接，所述第二环形器的第三端与所述第一环形器的第一端连接；第二传感光纤，所述第二传感光纤的首端与所述第二环形器的第二端连接；其中，所述第二传感光纤中的背向散射信号光从所述第二环形器的第二端进入第二环形器的第三端后，再从所述第一环形器的第一端进入第一环形器的第二端；所述第一传感光纤、第二传感光纤铺设在待探测振动的线路上。
优选地，所述第一传感光纤的首端之前连接有第三波分复用器合束的第一端，所述第三波分复用器的分束的第二端与所述振动探测单元连接，所述第三波分复用器的分束的第三端与所述激光源连接。
优选地，所述第三波分复用器的第三端与所述激光源之间串接有第一隔离器。
优选地，所述第二波分复用器与所述掺铒光纤之间串接有第二隔离器。
优选地，所述第一传感光纤的长度小于55km。
优选地，所述第二传感光纤的长度小于35km。
优选地，所述第一传感光纤的长度为50km，所述第二传感光纤的长度为30km。
优选地，所述第一波长为1550nm，所述第二波长为1480nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：将远泵掺铒光纤放大器从光通信领域应用到传感领域中，可以将DAS***的传输距离从40km延长到80km，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DAS设备的瀑布图。
图2为本发明实施例中远泵放大器在DAS***中的应用示意图。
图3为采用远泵放大器后DAS***的80km原始曲线图。
图4为采用远泵放大器后DAS***的80km瀑布图。
图5为本发明实施例中远泵放大器的另一种应用示意图。
振动探测单元-1；激光源-2；第一传感光纤-3；第一波分复用器-4；衰减器-5；第一环形器-6；第二波分复用器-7；掺铒光纤-8；第二环形器-9；第二传感光纤-10；第一隔离器-11；第二隔离器-12；第三波分复用器-13。
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。
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OpticalSignal Noise Ratio，简写为：OSNR，远泵掺铒光纤放大器在提高***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。
远泵掺铒光纤放大器是一种置于***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8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。
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。这两种情况都可以采用远泵放大器来解决这个问题。
图1为现有技术DAS设备的瀑布图，可以看出在40km后信号比较弱。实际工程中有时会碰到线路总长超过40km的情况，为了满足客户需要此时可以采用光纤放大器来增大传感距离。
图2为远泵放大器在DAS***中的应用示意图。***中的探测光纤长度为80km，由一段50km光纤和一段30km光纤组成。该***的工作原理为：在振动探测单元1一端的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1输出的1550nm的信号光同时进入第三波分复用器中，然后进入50km探测光纤中。该50km光纤后面的虚线框内的无源器件和掺铒光纤8构成远泵放大器模块。该模块输出的光经过第二环形器9后进入到30km探测光纤中。
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：输入到环形器中1端口的光直接到2端口输出，输入到环形器中2端口的光直接到3端口输出。
第二环形器9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9的1端口后直接进入2端口，然后进入30km光纤。30km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9的2端口后直接到3端口，然后进入远泵放大器模块、50km光纤和第三波分复用器，最后进入光纤分布式振动探测单元1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。
图3和图4分别为采用远泵放大器后DAS***的80km原始曲线和瀑布图。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后，***的传输距离从40km延长到80km，从而有效地增大***的传感距离。
本发明的关键点是远泵放大器中的泵浦光的注入问题。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，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第一波分复用器4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5从而优化进入到掺铒光纤8中的泵浦光功率。1550nm信号光进入第一环形器6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第二波分复用器7中进行合束，再经过隔离器后进入掺铒光纤8中将1550nm信号光放大。如前，30km光纤中产生的自发背向瑞利散射相干光经第二环形器9的3端口输出后进入第一环形器6的1端口后直接到2端口输出。然后再进入第一波分复用器4，50km光纤和第三波分复用器，最后进入光纤分布式振动探测单元1做信号处理从而检测出光纤沿路的微扰动。
远泵放大器在DAS***中的位置也可以变化，也可以放在传感光纤的尾端，如图5所示。
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 (8)

1.一种基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述***包括：
振动探测单元，提供第一波长的信号光；
激光源，提供第二波长的泵浦光；
第一传感光纤，所述第一传感光纤的首端接收所述泵浦光与信号光的合束光；
第一波分复用器，所述第一波分复用器的第一端与所述第一传感光纤的尾端连接用来接收所述合束光，所述第一波分复用器的第二端输出所述合束光中分离出的第二波长的信号光，所述第一波分复用器的第三端输出所述合束光中分离出的第一波长的信号光；
衰减器，所述衰减器的一端与所述第一波分复用器的第二端连接；
第一环形器，所述第一环形器的第一端的入射光自其第二端出射，所述第一环形器的第二端的入射光自其第三端出射，所述第一环形器的第二端与所述第一波分复用器的第三端连接；
第二波分复用器，所述第二波分复用器的第一端与所述衰减器的另一端连接，所述第二波分复用器的第二端与所述第一环形器的第三端连接，所述第二波分复用器的第三端将其第一端和第二端的入射光合束出射；掺铒光纤，所述掺铒光纤的一端与所述第二波分复用器的第三端连接；
第二环形器，所述第二环形器的第一端的入射光自其第二端出射，所述第二环形器的第二端的入射光自其第三端出射，所述第二环形器的第一端与所述掺铒光纤的另一端连接，所述第二环形器的第三端与所述第一环形器的第一端连接；
第二传感光纤，所述第二传感光纤的首端与所述第二环形器的第二端连接；
其中，所述第二传感光纤中的背向散射信号光从所述第二环形器的第二端进入第二环形器的第三端后，再从所述第一环形器的第一端进入第一环形器的第二端；
所述第一传感光纤、第二传感光纤铺设在待探测振动的线路上。
2.根据权利要求1所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第一传感光纤的首端之前连接有第三波分复用器合束的第一端，所述第三波分复用器的分束的第二端与所述振动探测单元连接，所述第三波分复用器的分束的第三端与所述激光源连接。
3.根据权利要求2所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第三波分复用器的第三端与所述激光源之间串接有第一隔离器。
4.根据权利要求3所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第二波分复用器与所述掺铒光纤之间串接有第二隔离器。
5.根据权利要求4所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第一传感光纤的长度小于55km。
6.根据权利要求5所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第二传感光纤的长度小于35km。
7.根据权利要求6所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第一传感光纤的长度为50km，所述第二传感光纤的长度为30km。
8.根据权利要求7所述的基于远泵放大器的DAS***，其特征在于，所述第一波长为1550nm，所述第二波长为1480nm。
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