基于双波长偏振正交光的布里渊光时域分析装置及方法

文档序号:9862813阅读:422来源:国知局
基于双波长偏振正交光的布里渊光时域分析装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感技术领域,特别涉及一种基于双波长偏振正交光的布里渊光时域分析装置及方法。
【背景技术】
[0002]分布式光纤传感技术以其可连续感知光纤沿线上任一点的温度、应变等参量变化、光纤集信号传感与传输于一体、便于长距离传感和大规模组网等优点,已广泛应用于国民经济与人们日常生活的方方面面,包括建筑物、桥梁、大坝、隧道、河堤、飞机、船舶、工厂设备等的结构安全监测,输油管道和高压线路等危险场合的泄漏检测,边界入侵行为的实时监测以及通信光缆的故障点检测等。
[0003]布里渊光时域分析技术是一种发展得较为成熟的分布式光纤传感技术,该技术凭借传感距离长、测量精度高以及空间分辨率高等优势,在通信光缆、油气管道及大型建筑物等的结构监测中有着广阔的应用前景。
[0004]为了进一步增加布里渊光时域分析系统的传感距离,需要提高栗浦脉冲的入纤峰值功率以保证在传感光纤末端具有足够高的光信噪比,但由于调制不稳定性等光纤非线性效应的存在,所允许的栗浦脉冲最大注入功率受到制约,从而限制了传感距离的提升。为解决布里渊光时域分析系统传感距离受限的问题,人们提出了包括脉冲编码技术(公开号:CN102564481A)、Raman远程分布式放大技术(公开号:CN 102506915A)、随机激光法(公开号:CN 103376124A)等多种方法,但这些技术需要对栗浦脉冲进行编码或者在传感光纤引入光纤拉曼放大器,从而增加了系统的复杂性和成本。
[0005]传统的布里渊光时域分析系统采用单波长结构,为进一步提高系统信噪比并增加传感距离,中国发明《多波长布里渊光时域分析仪》(公开号:CN 103115632A)中提出通过增加探测光及栗浦光的波长数量,在不引起受激布里渊散射的前提下增加进入光纤的总光功率,从而有效提高信噪比,对一定的测量时间,提高了传感距离。但该方法在应用上存在不足,即多波长的栗浦光之间会产生严重的四波混频现象,导致大量栗浦光的消耗,从而降低信噪比。例如,若采用双波长结构,栗浦光的部分能量转移至由四波混频产生的两个边带上,引起噪声光功率的增加和探测光功率的下降,故实际信噪比非但不会按理想情况提高3dB还有可能降低,从而导致系统性能的下降。论文《Bri I louin distributed fibresensing using phase modulated probe》(使用相位调制探测光的布里渊分布式光纤传感)中结合双波长结构和外差探测实现布里渊光时域分析系统,但系统需要使用价格较为昂贵的宽带探测器,而且其解调过程也较为耗时。

【发明内容】

[0006]针对现有技术存在的不足,本发明提出一种基于双波长偏振正交光的布里渊光时域分析装置及方法,旨在实现信噪比高、传感距离长的布里渊光时域分析。本发明利用两束不同波长的偏振正交光作为栗浦光,完全抑制了两束栗浦光之间的四波混频现象,故传感光纤末端的光信噪比可在真正意义上提高3dB。换句话说,对于特定的光信噪比,采用双波长偏振正交光结构比采用单波长结构的布里渊光时域分析系统在传感距离上将增加7.5km(传感光纤损耗为0.2dB/km,且栗浦光脉冲为往返传输)。此外,本发明提出的基于双波长偏振正交光的布里渊光时域分析装置及方法在探测端采用直接探测的方式,与采用外差探测方式的布里渊光时域分析装置及方法相比,省去了较为昂贵的探测器件和耗时的解调过程,有利于布里渊光时域分析系统向动态测量方向发展。
[0007]本发明采用的技术方案为:
[0008]一种基于双波长偏振正交光的布里渊光时域分析装置,由窄线宽激光器、第一偏振控制器、马赫-曾德尔强度调制器、第一任意波形发生器、第一直流电源、光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、声光调制器、声光调制器驱动器、第二任意波形发生器、第二偏振控制器、差分群时延模块、第二掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器、可调光衰减器、三端口环行器、第三偏振控制器、双平行马赫-曾德尔强度调制器、微波信号源、第二直流电源、扰偏器、光隔离器、传感光纤、光电探测器和高速示波器组成,所述窄线宽激光器通过第一偏振控制器连接至马赫-曾德尔强度调制器的光纤输入端口,所述马赫-曾德尔强度调制器的射频端口通过连接电缆与第一任意波形发生器连接,所述马赫-曾德尔强度调制器的直流端口通过连接电缆与第一直流电源连接,所述马赫-曾德尔强度调制器的光纤输出端口与光纤耦合器的第一端口连接,所述光纤耦合器的第二端口通过第一掺铒光纤放大器连接至声光调制器的光纤输入端口,所述声光调制器的射频端口通过连接电缆与声光调制器驱动器的输出端口连接,所述声光调制器驱动器的输入端口通过连接电缆与第二任意波形发生器连接,所述声光调制器的光纤输出端口通过第二偏振控制器连接至差分群时延模块的输入端口,所述差分群时延模块的输出端口通过第二掺铒光纤放大器连接至窄带光纤滤波器的输入端口,所述窄带光纤滤波器的输出端口通过可调光衰减器连接至三端口环行器的第一端口,所述光纤耦合器的第三端口通过第三偏振控制器连接至双平行马赫-曾德尔强度调制器的光纤输入端口,所述双平行马赫-曾德尔强度调制器的射频端口通过连接电缆与微波信号源连接,所述双平行马赫-曾德尔强度调制器的直流端口通过连接电缆与第二直流电源连接,所述双平行马赫-曾德尔强度调制器的光纤输出端口通过扰偏器连接至光隔离器的输入端,所述光隔离器的输出端通过传感光纤连接至三端口环行器的第二端口,所述三端口环行器的第三端口与光电探测器的输入端口连接,所述光电探测器的输出端口通过连接电缆连接至高速示波器。
[0009]本发明还提供一种采用如上所述装置的布里渊光时域分析方法,该方法的步骤如下:
[0010]第一步,按如上所述连接好装置,并依次打开所述窄线宽激光器、第一任意波形发生器、第一直流电源、第一掺铒光纤放大器、声光调制器驱动器、第二任意波形发生器、第二掺铒光纤放大器、微波信号源、第二直流电源、扰偏器、光电探测器和高速示波器;
[0011 ]第二步,所述第一任意波形发生器输出频率为△ f的单频正弦或余弦信号,调节所述第一直流电源输出电压,使得经所述马赫-曾德尔强度调制器输出光信号的一阶边带比载波及二阶边带高30dB以上,并调节所述第一偏振控制器,使所述马赫-曾德尔强度调制器输出光信号功率达到最大;
[0012]第三步,所述第二任意波形发生器输出矩形脉冲信号,设置矩形脉冲信号的脉宽在50ns以上且越窄越好,并保证脉冲信号重复频率f与所述传感光纤长度L之间的关系在满足f〈108/L的前提下尽可能增大f;
[0013]第四步,调节所述第二偏振控制器,使进入所述差分群时延模块的光偏振态与差分群时延模块所用晶体材料的主轴之间保持45度角,并保证所述差分群时延模块的差分群时延A t与所述第一任意波形发生器产生的单频正弦或余弦信号的频率△ f之间满足Δ f Δt = l/4;
[0014]第五步,利用所述微波信号源输出频率在所述传感光纤布里渊频移附近的微波信号,调节所述第二直流电源输出电压,使得经所述双平行马赫-曾德尔强度调制器输出光信号的一阶低频边带比载波及一阶高频边带高30dB以上,并调节所述第三偏振控制器,使所述双平行马赫-曾德尔强度调制器输出光信号功率达到最大;
[0015]第六步,调节所述可调光衰减器,同时观察所述高速示波器,在不发生调制不稳定性的前提下尽可能增大栗浦光功率,在所述高速示波器上得到一条曲线,这条曲线就对应第五步中所用微波信号频率下的布里渊增益沿传感光纤的分布曲线;
[0016]第七步,以IMHz为步长改变所述微波信号源输出微波信号的频率,每个频率在所述高速示波器上都对应一条曲线,保证选择的微波信号源频率覆盖所述传感光纤对应的整个布里渊增益谱的频率范围,从而得到布里渊增益谱沿传感光纤的分布曲线,并通过洛仑兹线型拟合得到布里渊频移沿传感光纤的分布曲线,进而根据布里渊频移与温度或应变的关系得到传感光纤沿线温度或应变的变化。
[0017]优选地,所述窄线宽激光器的波长位于C波段,线宽小于1kHz,光功率大于lmW。
[0018]优选地,所述光纤親合器的親合方式为IX2,分束比为1:1。
[0019]优选地,所述声光调制器应满足经声光调制器后光脉冲的消光比在30dB以上。
[0020]优选地,所述窄带光纤滤波器的中心波长与窄线宽激光器的波长一致,带宽越窄越好。
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