专利名称：用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高稳定可调谐光源系统，特别是一种用于布里渊分布式光纤传感器光源频率跟踪的高稳定可调谐光源系统。
背景技术：
分布式光纤传感器是目前国内传感领域研究的热点，具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强，电绝缘性能好，化学稳定性好，长距离分布式探测等优点，能够用于各种大型建筑、 工业领域温度、应变的监测，具有广泛的应用前景。基于布里渊分布式光纤传感器具有重量轻，结构紧凑，可以在各种危险环境中应用，可以分布式传感，可以免疫电磁干扰，并且抗化学腐蚀，在大多数情况下具有低生产成本的潜力并且可以连续的分布式监控沿着传感光纤监控传感光纤的温度和应力等优势，被用于石油管道，电力电缆等的压力和温度监测，在最近十年引起了人们的广泛兴趣。布里渊散射信号的探测分为直接探测和相干探测。与直接探测相比，相干探测具有更高的灵敏度和动态范围。但布里渊散射信号的频率降低了 11GHz，如果将相干探测中的探测光作为本地振荡器，布里渊散射信号和本地振荡器的拍频信号的频率约为11GHz，位于最常用的传统外差接收器的带宽之外。这种相干探测需要一个带宽为IlGHz的微波探测器，价格昂贵而且会带来很高的噪声。若将本地光频移布里渊频率量级(9-12GHZ)，就可以使用低射频带宽的探测器来探测。与传统方法相比，这种方法有更高的灵敏度，更低的噪声，并节省了相当大的成本。为了解决这个问题，Jihong Geng, Mike Blake等人提出将探测光一部分通过电光调制后进入传感光纤来产生布里渊散射信号，另一部分用来泵浦一个光纤布里渊环形激光器用来作为本地光，本地光的频率相对于探测光频移非常接近布里渊频率，因此用本地光来跟布里渊散射信号进行相干探测，拍频信号从微波范围(IlGHz) 变为射频范围(< 500MHz)(参见在先技术[1] ^Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering”，App 1. Opt. 46,5928 5932,2007)。由于本地光和探测光之间的频率差不可调，Vladimir Kupershmidt，Frank Adams等人提出了用光学锁相的方法使用OPLL将本地光频移布里渊频率量级(9-12GHZ)，就可以使用低的射频带宽的探测器来探测(参见在先技术[2] “Optical Phase lock loop with tunable frequency offset for distributed optical sensing Applications，，，SPIE. 7677，767700-1 767700-5，2010)。由于这种技术要用到两个比较昂贵的窄线宽单频激光器，Chris D. Rouse, Anthony W. Brown等人提出了采用两个便宜的商用半导体DFB激光器进行光学锁相的方法，但是这种方法的稳定性和精度不如前者(参见在先技术[3] :“Phase-locking of commercial DFB lasers for distributed optical fiber sensing applications，，，SPIE. 7753, 77532L-1 77532L-4, 2011)
发明内容
本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，该光源系统在相位锁定时，本地激光器的相位和频率会跟随探测激光器的变化，且探测激光器是高性能窄线宽的光纤激光器，因此本地激光器光学性能会接近探测激光器，实现了线宽压窄，在不损失精度和稳定性的情况下，大大降低了成本；且在不需改变硬件的环境下，通过可编程计数器实现了对跟踪频率的调节。本发明的技术解决方案如下一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，特点在于其构成包括探测激光器、本地激光器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第二光电探测器、放大器、参考晶振第一可编程计数器、第二可编程计数器、相频检测器、电荷泵、低通滤波器和PID控制器，上述元部件的位置关系如下由探测激光器发出的探测光束经过第三光纤耦合器分束，其中一束探测由本系统的第一输出端口输出，由本地激光器发出的本地光束经过第四光纤耦合器分束，其中一束本地光由本系统的第二输出端口输出，由第三光纤耦合器分束后的另一束探测光和由第四光纤耦合器分束后的另一束本地光一起进入第五光纤耦合器进行拍频，并由第二光电探测器探测并转换为拍频电信号，第二光电探测器的输出端经放大器和第一可编程计数器与相频检测器第一输入端相连，参考晶振经第二可编程计数器与所述的相频检测器的第二输入端相连，该相频检测器的两个输出端经电荷泵、低通滤波器和PID控制器与所述的本地激光器的输入端相连；所述的第二光电探测器将接收到的频率为fb的拍频信号转换成拍频电信号&，该拍频电信号&经过放大器放大后进入第一可编程计数器分频后产生频率为fb/N的拍频分频信号Ub，由参考晶振产生的频率为f；的参考信号民经过第二可编程计数器分频后产生频率为f;/R的参考分频信号扎，所述的拍频分频信号Ub和参考分频信号Ur通过相频检测器和电荷泵后产生误差信号，该误差信号经过低通滤波器、PID控制器产生反馈控制信号输入本地激光器，用以控制本地激光器的光频。所述的探测激光器为窄线宽光纤激光器，所述的本地激光器为宽线宽半导体DFB 激光器。所述的第一可编程计数器的分频数为N和第二可编程计数器分频数为R，应满足下列关系式
权利要求
1.一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，特征在于其构成包括探测激光器(101)、本地激光器(10 、第三光纤耦合器(10 、第四光纤耦合器(104)、第五光纤耦合器(105)、第二光电探测器(106)、放大器(107)、参考晶振(108)第一可编程计数器(109)、第二可编程计数器(110)、相频检测器(111)、电荷泵(112)、低通滤波器(113)和 PID控制器(114)，上述元部件的位置关系如下由探测激光器(101)发出的探测光束经过第三光纤耦合器(10 分束，其中一束探测由本系统的第一输出端口(Ia)输出，由本地激光器(10 发出的本地光束经过第四光纤耦合器(104)分束，其中一束本地光由本系统的第二输出端口(Ib)输出，由第三光纤耦合器(10 分束后的另一束探测光和由第四光纤耦合器(104)分束后的另一束本地光一起进入第五光纤耦合器(10 进行拍频，并由第二光电探测器(106)探测，第二光电探测器 (106)的输出端经放大器(107)和第一可编程计数器(109)与相频检测器(111)第一输入端(Illa)相连，参考晶振(108)经第二可编程计数器(110)与所述的相频检测器(111)的第二输入端(Illb)相连，该相频检测器(111)的两个输出端经电荷泵(112)、低通滤波器 (113)和PID控制器(114)与所述的本地激光器(102)的输入端相连；所述的第二光电探测器(106)将接收到的频率为fb的拍频信号转换成电信号Steat，经过放大器(107)放大后进入第一可编程计数器(109)分频后产生频率为fb/N的拍频分频信号Ub,由参考晶振(108)产生的频率为f；的参考信号民经过第二可编程计数器(110)分频后产生频率为f;/R的参考分频信号扎，所述的拍频分频信号Ub和参考分频信号扎通过相频检测器(111)和电荷泵(11 后产生误差信号，该误差信号经过低通滤波器(113)、PID控制器(114)产生反馈控制信号输入本地激光器(102)，用以控制本地激光器(10 的光频。
2.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的探测激光器 (101)为窄线宽光纤激光器，所述的本地激光器(102)为宽线宽半导体DFB激光器。
3.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的第一可编程计数器(109)的分频数为R和第二可编程计数器(110)分频数为N，应满足下列关系式
4.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的相频检测器 (111)由第一 D触发器(1111)、第二 D触发器(1112)、与门(1113)和延迟器(1114)组成， 所述的相频检测器(111)的第一输入端口(Illa)与第一可编程计数器(109)相连，用于接收所述的拍频分频信号Ub ；第二输入端口(Illb)与第二可编程计数器(1010)相连，用于接收所述的参考分频信号^；所述的参考分频信号Ur和所述的拍频分频信号Ub分别加在第一 D触发器(1111)和第二 D触发器(1112)的时钟端，第一 D触发器(1111)的输出端(Illc) 和第二D触发器(1112)的输出端(Illd)和电荷泵(112)相连，所述的第一D触发器(1111) 的输出端(Illc)和第二D触发器(1112)的输出端(Illd)接所述的与门(1113)的输入端， 该与门(1113)的输出端经所述的延迟器(1114)分别与所述的第一 D触发器(1111)的第二输入端和第二 D触发器(111 的第二输入端相连。
5.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的电荷泵(112)在第一 D触发器(1111)打开时，会向低通滤波器(113)提供泵电流IP，第二 D触发器(1112)打开时，会从低通滤波器吸收泵电流IP，从而产生正比于两者频率差的误差信号。
全文摘要
一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，其结构包括探测激光器、本地激光器、光纤耦合器、光电探测器、放大器、可编程计数器、参考晶体振荡器、相频检测器、电荷泵、低通滤波器和PID控制器。本发明在相位锁定时，本地激光器的相位和频率会跟随探测激光器的变化且探测激光器是高性能窄线宽的光纤激光器，实现了线宽压窄，在不损失精度和稳定性的情况下，大大降低了成本；且在不需改变硬件的环境下，通过可编程计数器实现了对跟踪频率的调节。
文档编号H01S3/10GK102544998SQ201210004119
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者卞正兰, 彭交波, 蔡海文, 陈迪俊 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所