CN113340458A - 基于新一代分布式光纤传感技术智慧安全预警*** - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于新一代分布式光纤传感技术智慧安全预警***,包括半导体量子级联激光器,所述半导体量子级联激光器的输出端与光隔离器输入端连接;所述光隔离器输出端与1*2的光纤耦合器输入端连接,分光比为1:1,将半导体量子级联激光器输出的光分为泵浦光和信号光两路。本发明应用了布里渊光时域分析技术的原理,当传感光纤某处温度改变或者产生应变时,对应的布里渊偏移量也发生改变,采集到此时的布里渊散射信号。如此实际可以测得传感光纤各点处的布里渊散射光的强度和频移值,再根据其与温度和应变的对应关系,即时计算出传感光纤各点的温度和应变信息。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感温度与应变同时监测领域,具体的涉及一种基于量子理论的受激布里渊散射的BOTDA***。
背景技术
随着我国城市化进程明显加快,城市人口、功能和规模不断扩大,依赖能源驱动的城市运行***日益复杂,电力电缆地下传输网、地下燃气热力管网遍布城市地下各个角落,和居民生活密切相关加油站、燃气储备站等能源供应设施被城市层层圈在中间。近年来,大型安全事故频频发生,警示城市安全风险正不断增大。
受地形、环境影响,传统实时数据采集的电子传感器易受水淹、腐蚀和续航不足及强电磁干扰环境,无法适合长期稳定提供监测数据,造成监控空白,甚至人工巡查困难;留有安全隐患无法做到有效监管等限制,电力电缆、地下管网埋设范围内领域中仍有很多监控死角。
分布式光纤传感技术基于内置到电力电缆、地下管网结构中光导纤维既作为传输介质,同时也作传感介质,利用光纤中的光传输原理顺次完成传感光纤各处的温度、 应变等信息的测量,集无源长距离、 抗电磁干扰、 耐腐蚀并可实现温度与应变同时监测的优势于一体,对于目前的电力电缆、地下管网埋设范围安全预警行业显示出功能更完备和环境适应力更强的无可取代的技术地位。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种基于量子理论的分布式光纤传感技术的智慧安全预警***。
本发明技术方案如下:
基于新一代分布式光纤传感技术智慧安全预警***,其特征在于包括半导体量子级联激光器(1),所述半导体量子级联激光器(1)的输出端与光隔离器(2)输入端连接;所述光隔离器(2)输出端与1*2的光纤耦合器(3)输入端连接,分光比为1:1, 将半导体量子级联激光器(1)输出的光分为泵浦光和信号光两路;
所述光纤耦合器(3)泵浦光一路的输出端与声光调制器(4)第一输入端连接,现场可编程门阵列FPGA器(14)的第一输出端与所述声光调制器(4)的第二输入端连接,用于同步控制输入泵浦光调制脉冲频率;所述声光调制器(4)输出端与掺铒光纤放大器(5)输入端连接,对输入泵浦光放大到受激布里渊散射所需泵浦光功率阈值,所述掺铒光纤放大器(5)输出端与所述扰偏器(6)输入端连接,输出各个方向的光强度相等的非偏振泵浦光,所述扰偏器(6)输出端与第一光环行器(7)连接,进入传感光纤(12)的初始端;
所述光纤耦合器(3)信号光一路的输出端与三环型偏振控制器(8)输入端连接,调节控制偏振方向成为非偏振光,所述三环型偏振控制器(8)输出端与电光强度调制器(9)第一输入端连接,微波扫频器(15)第一输出端与所述电光强度调制器(9)第二输入端连接,调制信号光产生大小等同于微波信号源频率的频移量,所述电光强度调制器(9)输出端与第二光环行器(10)第一输入端连接,光纤布拉格光栅(11)输出端与所述第二光环行器(10)第二输入端连接,用于滤除调制光中频率上移的边带,使频率下移的边带的调制光作为探测光进入传感光纤的末端;所述第二光环行器(10)输出端与所述传感光纤(12)的末端连接,所述第一光环行器(7)还与光电探测器(13)输入端连接,用于布里渊散射光信号转化为电信号,所述光电探测器(13)输出端与DSP数据信号采集处理器(16)第一输入端连接,所述微波扫频器(15)第二输出端与所述现场可编程门阵列FPGA器(14)输入端连接,所述现场可编程门阵列FPGA器(14)第二输出端与所述DSP数据采集处理器(16)第二输入端连接,所述DSP数据采集处理器(16)输出端与工业计算机软件运算***(17)连接。
优选的所述光隔离器在工作波长1535nm~1565nm范围内隔离度大于30dB。
优选的所述光隔离器***损耗为0.42dB。
优选的所述半导体量子级联激光器发出连续光,主要波长为1um、1.5um、2um、4.617um;线宽1kHz~10MHz,波长可调单横模远场。
优选的所述耦合器为10dB耦合器。
优选的所述泵浦光经所述声光调制器AOM调制为工作波长为1530nm~1565nm,消光比大于50B, 带宽是200MHz, ***损耗为5dB,频移量为200MHz的频率上移,上升时间为10ns。
泵浦光经由声光调制器调制后成为脉冲光进入传感光纤的初始端,声光调制器是由声光介质和压电换能器组成的用来进行激光强度调制的声学器件,上述参数的可以实现泵浦光经声光调制器调制后的脉冲光的线宽要远小于布里渊散射的波长移动量和布里渊增益频谱宽度,设计调制消光比高,承受功率高,上升时间较快等。可以实现增大布里渊增益,提高布里渊***的分辨率的目的。
优选的所述***扰偏器指标为:***损耗低于0.05dB,工作波长为1500nm~1600nm,偏振模色散低于0.01ps,偏振损耗低于0.03dB, 输出残余偏振度小于2%。
上述设置可以实现经过扰偏器输出的各个方向的光强度相等,减小偏振引起的信号波动。
优选的所述电光强度调制器由10GHz~12GHz的微波扫频器驱动,基于M—Z推挽结构的LiNbQ3,工作波长为1525nm-1565nm,***损耗为4.5dB~5dB,消光比大于30dbB,RF和Bias半波电压分别为3V和5V。
电光调制器(EOM)是在微波扫频器驱动下,对连续光进行调制实现频率下移,频移值大小等于微波扫频器输出频率的频移,而泵浦脉冲光的波长等于激光器波长,这样相向传输并在传感光纤各处相遇的两路光的频率差与微波扫频器输出频率相等。工作微波扫频器的频率在10GHz~12GHz之间循环扫描,每扫描一次,可获得各个时间点上的频谱,并将时间点与位置对应,以获得沿光纤个位置处的布里渊频谱。进而得到一个光强-频率-位置的三维图, 从中可以提取所需要的频率信息和强度信息。微波扫频电压和直流偏执电压作用是共同决定电光调制器的工作点。
优选的频率上移的边带用第二环形器和带宽为0.19nm的光纤布拉格光栅组成的滤波器滤除。
优选的所述光电探测器波长范围 800nm-1700nm,输出耦合方式直流耦合,3dB带宽25KHz一200MHz,上升时间 1.5us, 增益 14V/mW,输出阻抗50q ,最小噪声等效功率 10pW/Hz 1/2 ,直流饱和光功率 220uW@1550nm, 最大输入光功率 10mW, 输入方式FC/APC光纤耦合。
本发明的技术效果如下:
本发明应用了布里渊光时域分析技术的原理:两路相向传输的光,其中一路作为受微波扫频器驱动调制脉冲泵浦光;另一路作为受微波扫频器驱动调制连续探测光,它们分别从传感光纤的首端位置入射和传感光纤的末端入射,当在传感光纤某处相遇时,此处的经闭环反馈调制两路光的频率差恰好等于此处光纤对应的布里渊频移值,两路光会发生相互作用,高频光将对低频光进行放大,即受激布里渊放大作用,当传感光纤某处温度改变或者产生应变时,对应的布里渊偏移量也发生改变,采集到此时的布里渊散射信号。如此实际可以测得传感光纤各点处的布里渊散射光的强度和频移值, 再根据其与温度和应变的对应关系, 即时计算出传感光纤各点的温度和应变信息。
空间定位的实现是通过光时域反射(OTDR)原理, 泵浦光从传感光纤的初始端入射,在传感光纤任意位置Z点处产生的背向布里渊散射沿与入射光相反的方向返回,从脉冲入射到接收到此散射光经过时间f,脉冲光传输距离为2Z,其存在的如下关系:(Z=ct/2n),通过此关系,即可对应散射信号与产生该散射的位置。
本发明的一种电力电缆、地下管网埋设范围内温度与应变同时监测智慧安全预警***,基于内置或延伸敷设的数十公里光纤同时传输和感知成千上万个点的温度和应变信息,是集分布式、长距离、抗电磁干扰、耐腐蚀并可实现温度与应变同时监测的优势于一体的安全预警技术。同时也可适用于建筑行业、轨道交通、电力***、水工领域、石油行业、地质检测、航天事业等领域。
附图说明
图1为本发明***示意图。
图中各标号列式如下:
1-半导体量子级联激光器,2-光隔离器,3-耦合器,4-声光调制器,5-掺铒光纤放大器,6-扰偏器,7-光环行器,8-三环型偏振控制器,9-电光强度调制器,10-第二环形器,11-光纤布拉格光栅,12-传感光纤,13-光电探测器,14-现场可编程门阵列FPGA器,15-微波扫频器,16-DSP数据信号采集处理器,17-工业计算机软件运算***。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的解释。
如图1所示,本实施例由高能量单频低噪声窄线宽半导体量子级联激光器发1出连续光,主要波长为1um、1.5um、2um;4.617um;线宽1kHz~10MHz,波长可调单横模远场,所述半导体量子级联激光器1的输出端与所述光隔离器2输入端连接,经光隔离器2完成在工作波长1535nm~1565nm范围内隔离度大于30dB,***损耗为0.42dB的选择。所述光隔离器2输出端与10dB1*2的光纤耦合器3输入端连接,分光比为1:1,用以将所述半导体量子级联激光器1输出的光分为泵浦光和信号光两路。
所述光纤耦合器3一路泵浦光输出端与所述声光调制器4(AOM)第一输入端①连接,所述现场可编程门阵列FPGA器14第一输出端①与所述声光调制器4第二输入端②连接,用以同步控制输入泵浦光调制脉冲频率,一路泵浦光经过声光调制器4(AOM)的调制,工作波长为1530nm~1565nm,消光比大于50B,带宽是200MHz,***损耗为5dB,频移量为200MHz的频率上移,上升时间为10ns,与现场可编程门阵列FPGA器14同步控制成与微波信号源调制频率泵浦脉冲光。所述声光调制器4输出端与掺铒光纤放大器5(EDFA)输入端连接,泵浦脉冲光经掺铒光纤放大器5(EDFA)受到泵浦能量的激发,而发生粒子数的反转分布,产生受激辐射作用,入射光因此得到了功率放大,调制成的泵浦脉冲光达到受激布里渊散射的阈值,完成对输入泵浦光放大到受激布里渊散射所需泵浦光功率阈值。所述掺铒光纤放大器5输出端与所述扰偏器6输入端连接,用于输出的各个方向的光强度相等的非偏振泵浦光,布里渊增益的大小与泵浦脉冲光和信号光的偏振态息息相关,两束光的偏振方向若是一致的, 增益就最大,偏振方向正交,则最小,因而若未对偏振做处理,将会造成信号的波动,而影响布里渊***的稳定性。因此在泵浦光一路接入一个扰偏器6。扰偏器6是利用高速扰偏技术来改变光波偏振态, 将偏振度降为0的器件, 使经过它的光波成为非偏振光,即输出的各个方向的光强度相等,以减小偏振引起的信号波动。***扰偏器6指标:其***损耗低于0.05dB,工作波长为1500nm~1600nm,偏振模色散低于0.01ps,偏振损耗低于0.03dB, 输出残余偏振度小于2%。所述扰偏器6输出端与所述第一光环行器7端①连接,进入传感光纤12的初始端。
所述光纤耦合器3另一路信号光输出端则与所述三环型偏振控制器8输入端连接,先通过所述三环型偏振控制器8调节控制信号光的成为非偏振光,与其后的电光强度调制器9(EOM)匹配,所述微波扫频器15第一输出端①与所述电光强度调制器9(EOM)第二输入端②连接,电光强度调制器9(EOM)由10GHz~12GHz的微波扫频器15驱动,作用为使经过它的连续光产生大小等同于微波信号源频率的频移量,基于M—Z推挽结构的LiNbQ3的EOM是利用了电光晶体的普克尔效应,工作波长为1525nm-1565nm,***损耗为4.5dB~5dB,消光比大于30dbB,RF和Bias半波电压分别为3V和5V。
经过电光强度调制器9后的调制光将产生两个边带,其中频率上移的边带(上边带)用后面第二环形器10和带宽为0.19nm的光纤布拉格光栅11(FBG)组成的滤波器滤除,使频率下移的边带(下边带)的调制光作为探测光经由传感光纤12的末端进入光电探测器13。所述第二光环行器10输出端与所述传感光纤12的末端连接,所述传感光纤12的初始端与所述第一光环行器7端②连接,所述第一光环行器7端③与所述光电探测器13输入端连接,用于微弱布里渊散射光信号转化为电信号,配置 PIN光电二极管作为光辐射探测器, 其量子效率较高, 响应时间较快, 暗电流和表面漏电流等噪声源能引起较小的附加噪声,技术指标:波长范围 800nm-1700nm,输出耦合方式 直流耦合,3dB带宽25KHz一200MHz,上升时间 1.5us, 增益 14V/mW,输出阻抗50q ,最小噪声等效功率 10pW/Hz 1/2 ,直流饱和光功率 220uW@1550nm, 最大输入光功率 10mW, 输入方式 FC/APC光纤耦合。
用微波扫频器15驱动的电光调制器9对连续光进行调制, 实现对信号光的频率下移, 产生的频移值大小等于微波扫频器15输出频率的频移, 而泵浦脉冲光的波长等于激光器波长,这样相向传输并在传感光纤各处相遇的两路光的频率差与微波扫频器输出频率相等。为了采集到不同频率差下受激布里渊增益的大小,并且得到增益峰值对应的频移值,使微波扫频器15的频率在10GHz~12GHz之间循环扫描, 每扫描一次, 我们都可获得各个时间点上的频谱, 并将时间点与位置对应, 以获得沿光纤个位置处的布里渊频谱,进而得到一个光强一频率.位置的三维图,从中可以提取所需要的频率信息和强度信息。
所述光电探测器13输出端与所述DSP数据采集处理器16第一输入端①连接,所述微波扫频器15第二输出端②与所述现场可编程门阵列FPGA器14输入端连接,所述现场可编程门阵列FPGA器14第二输出端②与所述DSP数据采集处理器16第二输入端②连接,所述DSP数据采集处理器16输出端与工业计算机软件运算***17。所述DSP数据信号采集处理16在整个***搭建中是十分关键的部分,相比其它散射型分布式光纤传感***,布里渊***的信号涉及多个频率,多个位置,信号复杂,而且器件繁多,以致噪声来源较多,比如光源噪声,ASE噪声,传输介质不均匀造成的散射光的噪声,光电探测器放大电路带来的随机噪声等,一方面要采取合适的数据采集方式和步骤, 另一方面, 要采取适当的方法,力求提高信噪比。
对于数据采集,我们借助FPGA,即现场可编程门阵列,其主体部分是由若干组可编程的逻辑模块构成,通过编程将这些逻辑模块连接成所需要的 DSP数据信号采集处理数字***,它的特点是高速度、高集成度、高性能,高可靠性。
微波扫频器15每次扫频开始将由输出端输出一个负脉冲同步信号输出给FPGA的外部触发信号输入端,距离发出下一个同步信号负脉冲之间持续时间为3000000us, 每一个负脉冲的到来意味着微波扫频器15的频率转换一次, 每次的转换步进为1MHz, 微波源此时设为10500~10900MHz, 则微波源频率在10500MHz至10900MHz之间循环扫描。
FPGA在受到此触发信号后将在3000000us内顺次产生这400个频率的微波信号,每个频率的周期为7500us,脉宽为30ns的方波信号, 两组这样的方波信号分别FPGA从第一输出端①和第二输出端②给声光调制器4的驱动源输入端和DSP数据采集处理器16的同步信号端, DSP数据采集处理器16将可以依次采集到各个频率下的75次信号,如果将DSP数据采集处理器16的累加次数设为75,则可循环采集到各个频率下的信号,以获得现场监测需要的布里渊增益谱。在每个固定频率下每个周期采集到的数据表示该频率下信号强度随位置的变化,而在每个周期同一时间点, 即光纤的同一位置下, 采集到的各个频率下的信号强度, 通过软件计算出强度最大点对应的频率,就得到了该点信息对应的布里渊频移值。如此实际可以测得传感光纤各点处的布里渊散射光的强度和频移值, 再根据其与温度和应变的对应关系, 即时计算出传感光纤各点的温度和应变信息显示在计算机监控界面。
Claims (10)
1.基于新一代分布式光纤传感技术智慧安全预警***,其特征在于包括半导体量子级联激光器(1),所述半导体量子级联激光器(1)的输出端与光隔离器(2)输入端连接;所述光隔离器(2)输出端与1*2的光纤耦合器(3)输入端连接,分光比为1:1,将半导体量子级联激光器(1)输出的光分为泵浦光和信号光两路;
所述光纤耦合器(3)泵浦光一路的输出端与声光调制器(4)第一输入端连接,现场可编程门阵列FPGA器(14)的第一输出端与所述声光调制器(4)的第二输入端连接,用于同步控制输入泵浦光调制脉冲频率;所述声光调制器(4)输出端与掺铒光纤放大器(5)输入端连接,对输入泵浦光放大到受激布里渊散射所需泵浦光功率阈值,所述掺铒光纤放大器(5)输出端与扰偏器(6)输入端连接,输出各个方向的光强度相等的非偏振泵浦光,所述扰偏器(6)输出端与第一光环行器(7)连接,进入传感光纤(12)的初始端;
所述光纤耦合器(3)信号光一路的输出端与三环型偏振控制器(8)输入端连接,调节控制偏振方向成为非偏振光,所述三环型偏振控制器(8)输出端与电光强度调制器(9)第一输入端连接,微波扫频器(15)第一输出端与所述电光强度调制器(9)第二输入端连接,调制信号光产生大小等同于微波信号源频率的频移量,所述电光强度调制器(9)输出端与第二光环行器(10)第一输入端连接,光纤布拉格光栅(11)输出端与所述第二光环行器(10)第二输入端连接,用于滤除调制光中频率上移的边带,使频率下移的边带的调制光作为探测光进入传感光纤的末端;所述第二光环行器(10)输出端与所述传感光纤(12)的末端连接,所述第一光环行器(7)还与光电探测器(13)输入端连接,用于布里渊散射光信号转化为电信号,所述光电探测器(13)输出端与DSP数据采集处理器(16)第一输入端连接,所述微波扫频器(15)第二输出端与所述现场可编程门阵列FPGA器(14)输入端连接,所述现场可编程门阵列FPGA器(14)第二输出端与所述DSP数据采集处理器(16)第二输入端连接,所述DSP数据采集处理器(16)输出端与工业计算机软件运算***(17)连接。
2.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述光隔离器在工作波长1535nm~1565nm范围内隔离度大于30dB。
3.根据权利要求2所述的智慧安全预警***,其特征在于所述光隔离器***损耗为0.42dB。
4.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述半导体量子级联激光器发出连续光,主要波长为1um、1.5um、2um、4.617um;线宽1kHz~10MHz,波长可调单横模远场。
5.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述耦合器为10dB耦合器。
6.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述泵浦光经所述声光调制器AOM调制为工作波长为1530nm~1565nm,消光比大于50B,带宽是200MHz,***损耗为5dB,频移量为200MHz的频率上移,上升时间为10ns。
7.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述扰偏器指标为:***损耗低于0.05dB,工作波长为1500nm~1600nm,偏振模色散低于0.01ps,偏振损耗低于0.03dB,输出残余偏振度小于2%。
8.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述电光强度调制器由10GHz~12GHz的微波扫频器驱动,基于M—Z推挽结构的LiNbQ3,工作波长为1525nm-1565nm,***损耗为4.5dB~5dB,消光比大于30dbB,RF和Bias半波电压分别为3V和5V。
9.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于频率上移的边带用第二环形器和带宽为0.19nm的光纤布拉格光栅组成的滤波器滤除。
10.根据权利要求1所述的智慧安全预警***,其特征在于所述光电探测器波长范围800nm-1700nm,输出耦合方式直流耦合,3dB带宽25KHz一200MHz,上升时间 1.5us,增益14V/mW,输出阻抗50q ,最小噪声等效功率 10pW/Hz 1/2 ,直流饱和光功率220uW@1550nm, 最大输入光功率 10mW, 输入方式FC/APC光纤耦合。
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