专利名称：基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，主要应用 于光纤传感网技术领域。
背景技术：
在当前分布式光纤传感领域里，基于光纤布里渊散射原理的传感器占有重要地 位，而根据具体应用的技术门类又分为基于自发布里渊和基于受激布里渊散射的传感器。 本发明所涉及的基本技术原理就是源于光纤中的自发布里渊散射。入射光的部分光子被光 纤中的热声学声子散射，光子波长发生微小偏移成为布里渊散射光子，其波长偏移量与光 纤的温度和应力相关。这就是自发布里渊散射用于光纤传感的基本原理。基于自发布里渊 散射的光纤传感器，其系统构成通常由光源、光脉冲调制、传感光纤、相干检测与数据处理 部分构成。其中光源和光脉冲调制是系统的前端，用于把脉冲光送入传感光纤激发布里渊 散射光。相干检测与数据处理是系统的处理后端，用于自发布里渊散射光的频谱解调以及 数据的储存和分析。在相干检测部分，大部分已报道的研究中，都是先将布里渊散射光与入 射光相干拍频然用高带宽的光电探测器转换为电讯号。因为此电讯号的频率仍然在IOGHz 左右很难用现有的设备采集，所以还需要再与另一频率相近的微波信号拍频，这样差频信 号才能降到几百兆的量级，方便数据的采集分析。显然在这种传统方案中，微波信号源是 比不可少的设备，但它体积庞大，价格也较贵。另外在布里渊散射光与入射光的频率相差在 IO-IlGHz左右，所以他们相干拍频所用的光电探测器的带宽也在要在同一量级，而高带宽 的光电探测器相对信噪比要低，价格也昂贵。基于以上考虑，有人提出了取代相干检测系统 中微波信号源的方案。2009 年日本 NTT 公司的 D. Iida (D. Iida and F. Ito, "Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin optical time domain reflectometry using a reference Brillouin scattering beam", Appl. Opt. 48, 4302-4309，2009)报道了一种不需要微波 信号源的布里渊光时域传感器，其核心思想是利用一根与传感光纤不同的光纤产生的布里 渊散射光作为本振光。两种光纤的布里渊频移不同但相差较小约几百兆，这样他们相干差 频的讯号便可以直接采集分析。但此系统存在本振光不稳定导致系统测量误差和一致性差 的问题。当这根用于产生本振光的光纤的温度和环境发生变化时，光纤的布里渊频移随之 改变，这意味着本振光的波长在变化，所以会影响拍频信号的稳定，使测量的误差增大。另 外，通常光纤中布里渊散射光(约30兆)的线宽比一般DFB激光器的线宽(约1-5兆)宽好 几倍，而本振光的线宽直接影响到测量的精度，所以当布里渊散射光用作本振光时，会导致 测量精度下降。虽然此新型布里渊传感器装置简化掉了微波信号源，但存在布里渊本振光与入射 光的波长差不稳定与本振光线宽大的问题。相干解调得到的布里渊频移是跟这个波长差直 接相关的，所以波长差不稳定会影响光纤温度与应力测量的准确度以及测量的一致性，而 线宽宽又会使得测量精度的下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、价格便宜且本振光与入射光的波长 差稳定的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪。为解决上述问题，本发明采用的技术方案包括作为入射光的激光器、作为本振光 的激光器，所述作为入射光的激光器射出光经耦合器输出到探测光路，探测光路中的射出 光经脉冲发生器控制的电光调制器、光放大器、环形器后进入传感光纤得到布里渊散射光， 布里渊散射光经环形器与所述作为本振光的激光器射出光通过耦合器相干拍频，最后通过 光电探测器输出电讯号，电讯号由带有数据采集卡的计算机采集并处理。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于该光时域 反射仪还包括一个动态控制两台激光器波长差的锁频装置，所述的锁频装置包括PIN探测 器、微波计数器和反馈电路，所述作为入射光的激光器和作为本振光的激光器射出光经耦 合器输出到锁频光路中，锁频光路中的射出光合并在PIN探测器中拍频，PIN探测器将光转 换为电讯号，并送入微波计数器，微波计数器测得光频差，并传递给反馈电路，反馈电路通 过比较光频差与预先设定的差频值调谐作为入射光的激光器和作为本振光的激光器的波 长。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于所述作为 入射光的激光器、作为本振光的激光器均为分布反馈式半导体激光器。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于该光时域 反射仪还包括一个滤波器，所述布里渊散射光经过滤波器输入光电探测器。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于所述的作 为入射光的激光器、作为本振光的激光器其波长差与传感光纤中的自发布里渊散射频移值 相比小于500 MHz。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于所述的光 电探测器工作波长为900-1630nm，响应带宽小于1GHz。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于所述的光 滤波器为反射式光纤光栅滤波器。所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于该光时域 反射仪还包括一个扰偏器，所述作为本振光的激光器射出光经扰偏器后与所述布里渊散射 光相干拍频。上述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪具有如下有益效果
1、不采用笨重昂贵的微波信号源，而采用与入射光波长相近的另一光源作为本振光 用于布里渊信号的相干解调，只需要一次降频就可将布里渊信号降到几百兆，直接由数据 采集卡采集，简化了布里渊信号的相干解调方式，并减小了设备体积和降低了设备成本。2、在双激光器间增加了锁频装置(3)，该装置不停的检测入射光与本振光两个光 源的波长差，与预设波长差相比较并主动控制两个光源的波长，使得他们波长差始终恒定 在预设值，这样便消除了光源波长漂移所造成的系统测量误差。3、所用光电探测器(14)的带宽允许低于1GHz。低带宽探测器的信噪比相对较高， 可以提高传感系统的灵敏度。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1为本发明的结构示意图。图2为本发明锁频装置的控制流程图。
具体实施例方式图1所示，本发明的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，包括两 台半导体激光器，分别为作为入射光的激光器1和作为本振光的激光器2，它们的波长差 设定为接近传感光纤10的自发布里渊散射频移(典型值为10.8 GHz)。激光器1的大部分 光作为传感激光，其射出光经耦合器4输出到探测光路，首先被脉冲发生器7控制的电光调 制器6调制成脉冲光，接着被光纤放大器8继续放大，最后通过光纤环形器9进入传感光纤 10。当调制的脉冲光进入光纤后，不断地在光纤中被散射，得到布里渊散射光，布里渊散射 光经光纤环形器9进入与作为本振光的激光器2射出光通过耦合器4相干拍频，最后通过 光电探测器14输出电讯号。由于作为本振光的激光器2的波长与传感光纤10自发布里渊 散射频相近，只需要一次拍频就可将布里渊信号降到几百兆，由带宽小于1GHz，工作波长为 900-1630nm的光电探测器14转换为电讯号，最后由带有数据采集卡的计算机15采集并处 理。本发明还包括一个反射式光纤滤波器11、扰偏器12，反射式光纤滤波器11其中心 波长为作为入射光的激光器ι的输出波长，3dB带宽为0. OSnm0在相干拍频前，散射光经过 光纤滤波器11滤除掉瑞利散射光部分，剩余部分中的布里渊散射光与作为本振光的激光 器2相干拍频。在相干拍频前，作为本振光的激光器2的输出光先经扰偏器12用以降低偏
振噪声。如图2所示，本发明还设有一个锁频装置3，主要用于动态控制两台激光器波长 差。首先在频装置3中预先设定一个差频值，此设定值与传感光纤10中的自发布里渊散射 频移值相差小于500 MHz，锁频装置3包括PIN探测器3a、微波计数器北和反馈电路3c，作 为入射光的激光器1和作为本振光的激光器2的射出光均由光纤耦合器4分出小部分光通 过锁频光路进入锁频光路中，锁频光路中的射出光合并在PIN探测器3a中拍频，PIN探测器 3a将光转换为电讯号，并将电讯号送入微波计数器北，微波计数器北与预先设定的差频值 进行比较，如果与设定值不符，通过反馈电路3c发出反馈信号至作为入射光的激光器1和 作为本振光的激光器2调节其波长，直至两束光的频率差与设定值一致。
权利要求
1.一种基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征在于该光时域 反射仪包括作为入射光的激光器(1)、作为本振光的激光器(2)，所述作为入射光的激光器 (1)射出光经耦合器(4)输出到探测光路，探测光路中的射出光经脉冲发生器(7)控制的电 光调制器(6)、光放大器(8)、环形器(9)后进入传感光纤(10)得到布里渊散射光，布里渊散 射光经环形器(9)与所述作为本振光的激光器(2)射出光通过耦合器(4)相干拍频，最后通 过光电探测器(14)输出电讯号，电讯号由带有数据采集卡的计算机(15)采集并处理。
2.根据权利要求1所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征 在于该光时域反射仪还包括一个动态控制两台激光器波长差的锁频装置(3)，所述的锁频 装置(3)包括PIN探测器(3a)、微波计数器(3b)和反馈电路(3c)，所述作为入射光的激光 器(1)和作为本振光的激光器(2)射出光经耦合器(4)输出到锁频光路中，锁频光路中的 射出光合并在PIN探测器(3a)中拍频，PIN探测器(3a)将光转换为电讯号，并送入微波计 数器(3b )，微波计数器(3b )测得光频差，并传递给反馈电路(3c )，反馈电路(3c )通过比较 光频差与预先设定的差频值调谐作为入射光的激光器(1)和作为本振光的激光器(2)的波 长。
3.根据权利要求1所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特 征在于所述作为入射光的激光器(1)、作为本振光的激光器(2)均为分布反馈式半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特 征在于该光时域反射仪还包括一个滤波器(11)，所述布里渊散射光经过滤波器(11)输入 光电探测器(14)。
5.根据权利要求1所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其 特征在于所述的作为入射光的激光器(1)、作为本振光的激光器(2)其波长差与传感光纤 (10)中的自发布里渊散射频移值相比小于500 MHz0
6.根据权利要求1所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特 征在于所述的光电探测器(14)工作波长为900-1630nm，响应带宽小于IGHz。
7.根据权利要求4所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特 征在于所述的光滤波器(11)为反射式光纤光栅滤波器。
8.根据权利要求1所述的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，其特 征在于该光时域反射仪还包括一个扰偏器(12)，所述作为本振光的激光器(2)射出光经扰 偏器(12)后与所述布里渊散射光相干拍频。
全文摘要
本发明公开一种基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪，主要应用于光纤传感网技术领域。本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、价格便宜且本振光与入射光的波长差稳定的基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪。为解决上述问题，本发明采用的技术方案包括作为入射光的激光器、作为本振光的激光器，所述作为入射光的激光器射出光经耦合器输出到探测光路，探测光路中的射出光经脉冲发生器控制的电光调制器、光放大器、环形器后进入传感光纤得到布里渊散射光，布里渊散射光经环形器与所述作为本振光的激光器射出光通过耦合器相干拍频，最后通过光电探测器输出电讯号，电讯号由带有数据采集卡的计算机采集并处理。
文档编号G01D3/028GK102128639SQ20101060483
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者张在宣, 李裔, 金尚忠 申请人:中国计量学院