专利名称：基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，尤其涉及一种采用 InGaAs/InP SPAD(single photon avalanche diode,单光子雪崩二极管)探测器探测布里渊光时域的反射仪，主要应用于光纤传感器技术领域。
背景技术：
分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，有着广泛的应用场合。分布式温度传感器广泛应用于大型电力设备和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测等领域。光纤布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)利用光纤自发布里渊散射光功率(或光强)和频移受光纤所处环境的温度和应力影响，通过测量背向布里渊散射信号的强度和频移可以得到光纤的温度和应变的分布情况，实现分布式温度和应变传感。为了实现长距离的传感，BOTDR—般工作在通信波段的低损耗窗。相对于其他分布式光纤传感器，BOTDR 具有单端接入和能同时进行温度和应变传感的优点。单光子探测器具有高灵敏度和无带宽限制的优点，对微弱信号具有超强的探测能力。目前单光子探测器主要有半导体硅单光子雪崩二极管(Si-SPAD)，半导体铟镓砷或磷化铟单光子雪崩二极管(InGaAs/InP-SPAD)和超导纳米线单光子探测器(SNSTO)。Si-SPAD 虽然在时间抖动等方面优于InGaAs/InP-SPAD，但是Si-SPAD在通信波段无响应，常常需要进行频率上转换才能应用于通信波段，系统稳定性要求较高。SNSPD虽然具有超低的暗计数率和小的抖动时间，但是需要在4k左右的超低温下工作，实用性较差。虽然InGaAs/InP SPAD有后脉冲的问题，但是采用正弦门控或自差分技术可以很好的抑制其后脉冲效应，达到GHz量级的计数速率，InGaAs/InP SPAD可工作在-50° C左右，其暗计数率为次kHz量级，典型的时间抖动为50-100ps，探测效率可以达到40-50%，有很强的实用性。InGaAs/InP SPAD已广泛应用于量子密钥分发，量子密码，空间光通信，单光子三维雷达成像等领域。BOTDR虽然具有便捷的单端接入的优点，但由于自发布里渊散射光强微弱，检测困难。传统BOTDR采用的是模拟探测器(即普通光电探测器)，模拟探测器由于受到等效噪声功率(NEP)和带宽的限制，对微弱的背向布里渊散射信号的探测能力有限，因此基于模拟探测器的BOTDR难以同时实现大动态范围，高测量精度和空间分辨率的测量。自发布里渊散射信号微弱，单光子探测器具有很高的探测灵敏度，因此采用单光子探测器作为探测单元将有助于提高BOTDR系统的性能，但是目前尚未发现单光子探测器被应用于BOTDR的相关文献和专利。 此外，虽然单光子探测器应用于BOTDR系统中可以突破传统探测器灵敏度和带宽的限制，但是单光子探测器一般只能探测到布里渊散射光强，难以获得布里渊频移信息，难以实现温度和应变的同时传感。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，采用InGaAs/InP SPAD作为探测单元，提供一种基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，可以突破传统探测器灵敏度和带宽的限制，同时提高反射仪的空间分辨率和测量精度，可以同时实现温度和应变的同时传感。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，包括窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤、光滤波模块、3dB耦合器、线性边沿滤波器、InGaAs/InP SPAD探测器组、信号发生器、数据处理模块和脉冲信号发生器；所述InGaAs/InP SPAD探测器组包含两个InGaAs/InP-SAPD探测器，其中
所述脉冲信号发生器产生电脉冲信号用于同步控制脉冲调制器、信号发生器和数据处理模块；
所述窄线宽激光器发出连续光，该连续光经脉冲信号发生器控制的脉冲调制器被调制成光脉冲；光脉冲通过环形器耦合进传感光纤，由传感光纤散射回的背向散射光经光滤波模块滤除背向瑞利散射信号后得到背向布里渊散射信号；
背向布里渊散射信号经3dB耦合器分成两路，第I路直接由InGaAs/InP SPAD探测器组中的第一探测器探测布里渊散射光信号;第2路经线性边沿滤波器之后由InGaAs/InP SPAD探测器组中的第二探测器探测该路的布里渊散射光信号；所述信号发生器产生正弦信号作为InGaAs/InP SPAD探测器组的门控信号；
数据处理模块进行如下处理
首先，采用时间相关单光子计数技术将InGaAs/InP SPAD探测器组输出的电信号进行采集和处理，得到两路布里渊散射光的功率沿传感光纤的分布；
然后，分别通过所述两路布里渊散射光功率得到第I路布里渊散射光的光强I1和第
2路布里渊散射光的光强I2 ;根据边沿滤波法，由光强I2/ I1的变化量计算得到布里渊频移变化量；同时，求得第I路布里渊散射光的光强I1与背向瑞利散射光的光强I3的比值
;
最后，由布里渊频移变化量与温度、应变变化量的关系，以及所述比值与温度、应变
变化量的关系，求得温度、应变的变化量，实现分布式温度和应变的同时传感。进一步的，本发明的基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，所述光滤波模块是能将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离的反射式光纤光栅、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪、或其他带宽小于瑞利散射和布里渊散射中心波长间隔的3dB 窄带宽光滤波器中的一种。进一步的，本发明的基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，所述线性边沿滤波器是具有一定单值边沿的光滤波器，布里渊散射光频移变化量与经此光滤波器后的光强变化量的关系由线性边沿滤波器的单值边沿斜率决定。进一步的，本发明的基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，所述数据处理模块由具有时间相关的光子计数能力硬件构成。可以是高速数字示波器，或采集卡与计算机组合，或时间间隔分析仪，或多道分析仪。本发明还提供一种基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，包括窄线宽激光器，脉冲调制器，环形器，传感光纤，光滤波模块，3dB耦合器，线性边沿滤波器， InGaAs/InP SPAD探测器组，信号发生器，数据处理模块和脉冲信号发生器；所述InGaAs/ InP SPAD探测器组包含三个InGaAs/InP-SAPD探测器，其中
所述脉冲信号发生器产生电脉冲信号用于同步控制脉冲调制器、信号发生器和数据处理模块；
所述窄线宽激光器发出连续光，该连续光经脉冲信号发生器控制的脉冲调制器被调制成光脉冲；光脉冲通过环形器耦合进传感光纤，由传感光纤散射回的背向散射光经光滤波模块将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离；
其中所述背向布里渊散射信号经3dB耦合器分成两路，第I路直接由InGaAs/InP SPAD探测器组中的第一探测器探测布里渊散射光信号;第2路经线性边沿滤波器之后由 InGaAs/InP SPAD探测器组中的第二探测器探测该路的布里渊散射光信号；所述背向瑞利散射光由InGaAs/InP SPAD探测器组中的第三探测器探测背向瑞利散射光信号；所述信号发生器产生正弦信号作为InGaAs/InP SPAD探测器组的门控信号；
数据处理模块进行如下处理
首先，采用时间相关单光子计数技术将InGaAs/InP SPAD探测器组中第一、第二探测器输出的电信号进行采集和处理，得到两路布里渊散射光的功率沿传感光纤的分布；同时将第三探测器输出的电信号进行采集和处理，得到背向瑞利散射光的光强I3 ;
然后，分别通过所述两路布里渊散射光功率得到第I路布里渊散射光的光强I1和第2 路布里渊散射光的光强I2 ;根据边沿滤波法，由光强I2/ I1的变化量计算得到布里渊频移变化量；
最后，由布里渊频移变化量与温度、应变变化量的关系，以及布里渊散射光的光强I1与背向瑞利散射光的光强I3的比值As与温度、应变变化量的关系，求得温度、应变的变化量， 实现分布式温度和应变的同时传感。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
I、本发明所述基于InGaAs/InP SPAD的BOTDR采用了结构简单体积小的InGaAs/InP SPAD作为探测单元，该探测器工作在-50° C左右，无需超低温冷却系统，更适合现场的便携式应用。2、InGaAs/InP SPAD具GHz量级的计数速率，可接受的暗计数率和小的后脉冲效应，采用时间相关单光子计数技术，InGaAs/InP SPAD有助于同时提高BOTDR的空间分辨率和测量精度，解决空间分辨率和测量精度难以同时提高的问题。3、InGaAs/InP SPAD具有高探测灵敏度，有助于提高BOTDR的传感距离。4、本发明采用边沿滤波法测量布里渊频移信息，可实现温度和应变的同时传感。
图I是本发明实施例一的结构示意图。图2是边沿滤波法示意图。图3是本发明实施例二的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
温度和应变的解调原理如下
①温度、应变与布里渊散射光功率的关系为
P怒=+CpjAT +C^ A(I)
其中Pm是无应变的参考温度下光纤的布里渊散射光功率，Ca分别是布里渊散
射功率的温度系数、应变系数,AT和Af分别是温度和应变的变化量。②温度、应变与布里渊散射光强、瑞利散射光强的关系为
权利要求
1.一种基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，其特征在于包括窄线宽激光器(I)、脉冲调制器(2)、环形器(3)、传感光纤(4)、光滤波模块(5)、3dB耦合器(6)、 线性边沿滤波器(7)、InGaAs/InP SPAD探测器组(8)、信号发生器(9)、数据处理模块(10) 和脉冲信号发生器(11);所述InGaAs/InP SPAD探测器组(8)包含两个InGaAs/InP-SAPD 探测器，其中所述脉冲信号发生器(11)产生电脉冲信号用于同步控制脉冲调制器(2)、信号发生器 (9)和数据处理模块(10)；所述窄线宽激光器(I)发出连续光，该连续光经脉冲信号发生器(11)控制的脉冲调制器(2)被调制成光脉冲；光脉冲通过环形器(3)耦合进传感光纤(4)，由传感光纤(4)散射回的背向散射光经光滤波模块(5)滤除背向瑞利散射信号后得到背向布里渊散射信号；背向布里渊散射信号经3dB耦合器(6)分成两路，第I路直接由InGaAs/InP SPAD探测器组(8)中的第一探测器探测布里渊散射光信号；第2路经线性边沿滤波器(7)之后由 InGaAs/InP SPAD探测器组⑶中的第二探测器探测该路的布里渊散射光信号；所述信号发生器(9)产生正弦信号作为InGaAs/InP SPAD探测器组(8)的门控信号；数据处理模块(10)进行如下处理首先，采用时间相关单光子计数技术将InGaAs/InP SPAD探测器组⑶输出的电信号进行采集和处理，得到两路布里渊散射光的功率沿传感光纤的分布；然后，分别通过所述两路布里渊散射光功率得到第I路布里渊散射光的光强I1和和第 2路布里渊散射光的光强I2 ;根据边沿滤波法，由光强I2/ I1的变化量计算得到布里渊频移变化量；最后，由布里渊频移变化量与温度、应变变化量的关系，以及第I路测得的布里渊散射光功率与温度、应变变化量的关系，求得温度、应变的变化量，实现分布式温度和应变的同时传感。
2.根据权利要求I所述基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，其特征在于所述光滤波模块(5)是能将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离的反射式光纤光栅、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪、或其他带宽小于瑞利散射和布里渊散射中心波长间隔的3dB窄带宽光滤波器中的一种。
3.根据权利要求I所述基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，其特征在于所述线性边沿滤波器(7)是具有一定单值边沿的光滤波器，布里渊散射光频移变化量与经此光滤波器后的光强变化量的关系由线性边沿滤波器(7)的单值边沿斜率决定。
4.根据权利要求I所述基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，其特征在于所述数据处理模块(10)由具有时间相关的光子计数能力硬件构成。
5.根据权利要求4所述基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，其特征在于所述数据处理模块(10)为高速数字示波器，或采集卡与计算机组合，或时间间隔分析仪，或多道分析仪。
6.一种基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，其特征在于包括窄线宽激光器(I)，脉冲调制器(2)，环形器(3)，传感光纤(4)，光滤波模块(5)，3dB耦合器(6)，线性边沿滤波器(7)，InGaAs/InP SPAD探测器组(8)，信号发生器(9)，数据处理模块(10) 和脉冲信号发生器(11);所述InGaAs/InP SPAD探测器组(8)包含三个InGaAs/InP-SAPD探测器，其中所述脉冲信号发生器(11)产生电脉冲信号用于同步控制脉冲调制器(2)、信号发生器(9)和数据处理模块(10)；所述窄线宽激光器(I)发出连续光，该连续光经脉冲信号发生器(11)控制的脉冲调制器(2)被调制成光脉冲；光脉冲通过环形器(3)耦合进传感光纤(4)，由传感光纤(4)散射回的背向散射光经光滤波模块(5)将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离；其中所述背向布里渊散射信号经3dB耦合器(6)分成两路，第I路直接由InGaAs/InP SPAD探测器组(8)中的第一探测器探测布里渊散射光信号；第2路经线性边沿滤波器(7) 之后由InGaAs/InP SPAD探测器组(8)中的第二探测器探测该路的布里渊散射光信号；所述背向瑞利散射光由InGaAs/InP SPAD探测器组(8)中的第三探测器探测背向瑞利散射光信号；所述信号发生器(9)产生正弦信号作为InGaAs/InP SPAD探测器组(8)的门控信号；数据处理模块(10)进行如下处理首先，采用时间相关单光子计数技术将InGaAs/InP SPAD探测器组(8)中第一、第二探测器输出的电信号进行采集和处理，得到两路布里渊散射光的功率沿传感光纤的分布；同时将第三探测器输出的电信号进行采集和处理，得到背向瑞利散射光的光强I3 ;然后，分别通过所述两路布里渊散射光功率得到第I路布里渊散射光的光强I1和第 2路布里渊散射光的光强I2 ;根据边沿滤波法，由光强I2/ I1的变化量计算得到布里渊频移变化量；同时，求得第I路布里渊散射光的光强I1与背向瑞利散射光的光强I3的比值;最后，由布里渊频移变化量与温度、应变变化量的关系，以及所述比值与温度、应变变化量的关系，求得温度、应变的变化量，实现分布式温度和应变的同时传感。
全文摘要
本发明公开了一种基于边沿滤波法的单光子探测布里渊光时域反射仪，包括窄线宽激光器(1)，脉冲调制器(2)，环形器(3)，传感光纤(4)，光滤波模块(5)，3dB耦合器(6)，线性边沿滤波器(7)，InGaAs/InPSPAD探测器组(8)，信号发生器(9),数据处理模块(10)和脉冲信号发生器(11)；InGaAs/InPSPAD探测器组(8)包含两个或者三个InGaAs/InP-SAPD探测器，本发明采用了具有高计数率和高灵敏度的InGaAs/InPSPAD作为探测单元，同时采用了边沿滤波法获取布里渊频移信息，数据处理模块(10)采用了时间相关单光子计数技术，突破传统探测器带宽和灵敏度的限制，能同时提高反射仪的空间分辨率和测量精度，实现温度和应变的同时传感。
文档编号G01K11/32GK102620857SQ20121008319
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者张旭苹, 张益昕, 李存磊, 胡君辉 申请人:南京大学