基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法
【专利摘要】一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，包括光脉冲信号产生单元（100），产生的光脉冲信号经扰偏器（106）后进入环形器（107）的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤（108），脉冲信号光在传感光纤108中的背向散射光经环形器的第三个端口进入到滤波器单元（109），滤波器单元（109）输出的信号光与本振光单元（110）输出的光经耦合器（117）耦合后进探测与信号处理单元（118）中，由探测和信号处理单元(118)对信号进行采集和处理；该布里渊光时域反射仪传感光纤采用的是单模传感光纤，该传感光纤是由多组不同布里渊频移组成的传感光纤。
【专利说明】基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置，以及一 种增加光纤布里渊散射阈值的方法，主要应用于长距离连续分布式布里渊光纤传感等技术 领域。
【背景技术】
[0002] 在连续分布式光纤传感中，以自发布里渊散射为基础的布里渊光时域反射仪 (B0TDR)在各种结构安全的诊断和监测上有着非常重要的应用，B0TDR主要是利用光纤中 自发布里渊散射光谱频移量与光纤温度和所受应力的线性关系来获取光纤沿线温度与应 力的分布情况。因为布里渊光时域反射仪利用的是自发布里渊散射，这就要求入射光不能 超过一定的阈值功率，如果注入光功率超过一定阈值的时候，布里渊散射迅速增强，散射 就变成受激布里渊散射，受激布里渊散射将把绝大部分输入光转换为后向斯托克斯光，降 低了入射光的前向传输距离，限制了传感的距离。传感距离的增加，一方面需要高的注入 光功率，另一方面降低了布里渊阈值，而布里渊阈值的降低，又限制了传感的距离。人们 对提高光纤布里渊阈值做了一些研究，但设计的抑制布里渊光纤主要是在短距离的布里渊 光纤激光器上。同时，对B0TDR而言，由于利用的自发布里渊散射光比较弱，且在普通单模 光纤中对于1550nm的入射光，布里渊频移约为11GHz，所以利用直接探测的方法很难获得 准确的布里渊散射信号，这就带来了较大的测量误差。随着探测器带宽的增加，等效噪声 功率值越大，即可探测到的最小功率越大，影响了 B0TDR系统的温度和应变的分辨率。此 夕卜，B0TDR系统的空间分辨率受探测脉冲宽度和探测器的带宽限制，要提高空间分辨率必 须减小探测脉冲宽度，且需要增加探测器的带宽，而探测器带宽越宽，因此系统的空间分辨 率和温度、应变的分辨率难以同时提高。由于普通单模光纤自身结构的限制，使得在普通 单模光纤的受激布里渊阈值较低，当发生受激布里渊散射时，绝大部分入射光转换成背向 散射光，这就影响了传感的距离。为了增加传感距离，必须提高探测信号的功率；而随着 传感距离的增加，受激布里渊散射的阈值在降低，越容易产生受激布里渊散射，这就限制 了 B0TDR中的传感距离。路元刚等提出的发明专利，授权号：CN100504309C采用微波源和 电光调制器的方法降低了探测器的带宽，但是，在微波段11GHz电子学检测难度较大，而且 价格很昂贵。有的学者提出了取代相干检测系统中的微波信号源的方案，2007年美国的 J. Geng(J. Geng, S. Staines, M. Blake, and S. Jiang, "Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering, "App. Opt. 46, 5928-5932, 2007)报道了一种不需要微波信号源的布里渊时域 反射仪，其核心是利用一个布里渊激光器作为本振光，这种方法可以降低探测器的带宽， 但是该本振光的系统比较复杂，而且必须采用另外一个高精度的微波源和电光调制器，微 波源和调制器的精度限制了系统的性能，也增加了系统的成本。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, ，'App. Opt. 48, 4302-4309, 2009)报道了另外一种不需要微波源的布里渊光时域反射仪，利用的是 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，通常在光纤中布里渊散射光 (约30MHz)的线宽比一般的DFB激光器的线宽（l-5MHz)宽好几倍，由于本振光的线宽较宽 影响了测量的精度。张旭苹等提出的发明专利，授权号：CN102393182A，三层结构传感光纤 结合布里渊激光器单元的布里渊光时域反射仪，降低了探测器的带宽，但是该发明在实施 过程中没有指明扫频的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是：为了克服现有技术的缺点，提高布里渊光时域反射仪的测量精度 和传感长度，以及降低探测器的电子带宽等问题，本发明提供一种基于低布里渊散射阈值 传感光纤的光时域反射仪的装置与方法及其基于多段不同布里渊频移光纤结构的传感光 纤，提出的传感光纤不仅能够提高布里渊阈值增加传感距离，而且能够降低布里渊频移减 小探测器的带宽；同时，通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，大 大降低了探测器的带宽，本振光单元利用设计的基于TEC温度控制单元进行扫频控制，提 高布里渊光时域反射仪的测量精度。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射 仪的设置方法，包括光脉冲信号产生单元100,产生的光脉冲信号经扰偏器106后进入环形 器107的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤108,脉冲信号光在传感光纤 108中的背向散射光经环形器107的第三个端口进入到滤波器单元109,滤波器单元109 输出的信号光与本振光单兀110输出的光经f禹合器117 f禹合后进探测与信号处理单兀118 中，由探测和信号处理单元（118)对信号进行采集和处理。所述光脉冲信号产生单元100 是由激光器101发出的连续光，经耦合器102分光后，一路连续光进入到偏振控制器103,经 调制器105调制成具有一定脉宽的光脉冲信号，该调制器由脉冲发生器104驱动与控制，为 了控制光脉冲信号的偏振态，光脉冲信号经过扰偏器106后，通过环形器107进入到传感光 纤108。该布里渊光时域反射仪传感光纤108采用的是单模传感光纤，该传感光纤108是由 多组不同布里渊频移组成的传感光纤。
[0005] 所述多组不同布里渊频移组成的传感光纤：每组不同布里渊频移组成的传感光纤 是指从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤组合的传感光纤；或从高布里渊频移光纤到 低布里渊频移光纤组合的传感光纤；上述从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤指从入 射光端口开始分布的频移光纤，设低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤之间的布里渊频 移差为S fB，第一段(和第二光纤长度可以相同或相异）光纤(低或高布里渊频移光纤，其长 度可以相同或不相同）的长度为X ;例如每段光纤长度为l±〇. 5km，组数为1-20组。
[0006] 多组与二段传感光纤的组合不同布里渊频移组成的传感光纤通过拉制或通过熔 接获得所需的传感光纤。
[0007] 另设有本振光单元（110)、信号探测与处理单元（118)。
[0008] 所述光脉冲产生单元100也可以是能产生一定脉冲宽度的窄线宽脉冲激光器。脉 冲发生器用于驱动调制器产生脉冲和时钟控制。
[0009] 所述光脉冲信号产生单元100中的调制器105可以是电光调制器、声光调制器， 也可以是其它的调制器，所述调制器105可以是单个调制器也可以是多个调制器组成的调 制器阵列。所述本振光单元110为单频布里渊激光器，它是由掺铒光纤放大器111，环形器 112,单模光纤113,隔离器114,耦合器115和基于TEC温度控制器单元116构成的布里渊 激光器。
[0010] 所述基于温度控制器单元116为基于TEC的温度控制器，也可以是其它高灵敏温 度、应力控制器等。
[0011] 所述滤波器单元109可以是能达到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，或者多个光纤光栅及隔离器组成的光纤光栅滤 波器，其他光滤波器等中的一种。
[0012] 所述探测和信号处理单元117是由探测器118和信号处理器119组成；所述探测 器118可以是高灵敏度的探测器，也可以是其他的平衡探测器等。
[0013] 所述信号处理器119可以由频谱分析仪或采集卡与计算机或者高速数字示波器 组合等。
[0014] 在光纤中影响布里渊阈值功率的因素有很多，除了光纤长度、有效纤芯面积、光纤 损耗等外，还与光纤长度上布里渊频移分布所引起的布里渊增益有关。通常，在光纤长度上 布里渊频移相同的光纤，布里渊增益可以视为常数来处理，而在不同布里渊频移分布的光 纤中，布里渊增益就受到布里渊频移分布的影响。
[0015] 当入射光注入到光纤时，泵浦光功率IP(Z)与斯托克斯光功率Is(f，z)以及频率f 的关系，可以表不为：
[0016]
【权利要求】
1. 一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：包 括光脉冲信号产生单元（100)，产生的光脉冲信号经扰偏器（106)后进入环形器（107)的 第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤（108)，脉冲信号光在传感光纤108中 的背向散射光经环形器的第三个端口进入到滤波器单元（109)，滤波器单元（109)输出的 信号光与本振光单元（110)输出的光经耦合器（117)耦合后进探测与信号处理单元（118) 中，由探测和信号处理单元（118)对信号进行采集和处理；所述光脉冲信号产生单元（100) 是由激光器（101)发出的连续光，经耦合器（102)分光后，一路连续光进入到偏振控制器 (103)，经调制器（105)调制成具有一定脉宽的光脉冲信号，该调制器由脉冲发生器（104) 驱动与控制，为了控制光脉冲信号的偏振态，光脉冲信号经过扰偏器106后，通过环形器 (107)进入到传感光纤（108);该布里渊光时域反射仪传感光纤采用的是单模传感光纤，该 传感光纤是由多组不同布里渊频移组成的传感光纤。
2. 根据权利要求1所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方 法，其特征在于：所述多组不同布里渊频移组成的传感光纤：每组不同布里渊频移组成的 传感光纤是指从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤组合的二段光纤的组合，或从高布 里渊频移光纤到低布里渊频移光纤组合的二段光纤的组合的传感光纤；多组与二段传感光 纤的组合不同布里渊频移组成的传感光纤通过拉制或通过熔接获得所需的传感光纤。
3. 根据权利要求1所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方 法，其特征在于：每段光纤长度为l±〇. 5km，组数为1-20组。
4. 根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述光脉冲产生单元100是能产生一定脉冲宽度的窄线宽脉冲激 光器；脉冲发生器用于驱动调制器产生脉冲和时钟控制。
5. 根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述光脉冲信号产生单元（100)中的调制器（105)是电光调制器、 声光调制器或是其它的调制器，所述调制器是单个调制器或是多个调制器组成的调制器阵 列。
6. 根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述本振光单元（110)为单频布里渊激光器，它是由掺铒光纤放大 器（111)，环形器（112)，单模光纤（113)，隔离器（114)，耦合器（115)和基于TEC温度控制 器单元（116 )构成的布里渊激光器。
7. 根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述基于温度控制器单元（116)为基于TEC的温度控制器，或是其 它高灵敏温度、应力控制器。
8. 根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述滤波器单元（109)是能达到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，或者多个光纤光栅及隔离器组成的 光纤光栅滤波器，其他光滤波器中的一种。
9. 根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述探测和信号处理单元（117)是由探测器（118)和信号处理器 (119)组成；所述探测器是高灵敏度的探测器或平衡探测器。
10.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的 设置方法，其特征在于：所述信号处理器（119)由频谱分析仪或采集卡与计算机或者高速 数字示波器组合。
【文档编号】G01D5/36GK104111086SQ201410159155
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】王如刚, 张旭苹, 周锋, 纪正飚 申请人:盐城工学院