专利名称：一种基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种布里渊光时域分析系统。
技术背景
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，因此这种技术在建筑物、石油管道、电力设施健康检测、火灾预警等方面有广泛的应用前景。一般分为布里渊光时域反射计(BOTDR)及布里渊光时域分析仪(BOTDA)两种。前者是利用自发布里渊散射现象，可进行单端测量，但探测信号较弱，探测距离受限；后者是利用受激布里渊散射现象，探测信号较强，传感距离较远。
传统的BOTDA —般采用集中式放大技术，即布里渊泵浦波进入光纤前应用掺铒光纤光放大器(EDFA)将脉冲功率放大到一定程度，由于布里渊泵浦光功率仅在光纤前端较强，而在光纤后端，受光纤损耗及布里渊探测光的消耗，强度急剧下降，严重影响光纤后端的测量分辨率。受此影响，基于集总式放大技术的布里渊光时域分析系统传感距离<30km。
另一方面，随着对空间分辨率及测量距离要求的进一步提高，所用脉冲宽度将会越来越窄(传感空间分辨率与脉冲宽度成正比)，信号的占空比也越来越小，从而导致信噪比的急剧下降。也就是说，在发送一个脉冲的周期内，没有脉冲的时间间隙中的总能量比相对脉冲本身的能量很大，其结果就是严重影响系统的信噪比(特别是光纤末端)，使传感性能得到严重限制。
为了克服集总式放大引起的非线性、噪音累积及传感光纤后端分辨率低的问题， 一般采用集中式与一阶分布式拉曼放大相结合的方式，即在前端先利用EDFA对脉冲信号进行初步放大，再利用一阶分布式拉曼放大技术对脉冲光进行放大。2005年，Alahbabi M. N.等人报道了利用一阶拉曼放大技术的B0TDR，达到了 150km传感距离。不足之处是空间分辨率仅为50m。2010年，我们首次将一阶双向分布式拉曼放大推广到BOTDA传感系统，并在75km传感光纤上获得0. 6 0C温度测量精度及IOm空间分辨率。
一阶拉曼放大技术一定程度上削弱了信号功率前后端分布不均。但是在更长距离 (>75km)布里渊光传感系统中，由于拉曼增益系数也沿光纤呈指数衰减，使该方法不能彻底消除功率分布不均现象，且传感距离愈长，波动愈严重。其结果是在传感信号分布上出现了一个大范围、低信噪比区域。应用二阶拉曼放大技术，可进一步改善光信号分布的平坦度。 J. D. Ania-Castafuto等人报道了一种利用FBG和二阶拉曼放大实现的长距离B0TDA。
但是，对于>100km的传输距离，信号光分布也出现明显波动，重新出现大范围低信噪比区域，严重影响传感质量的全程一致性。发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可实现长距离高质量传感，缩小传输中低信噪比范围的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析仪。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、扰偏器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、光环形器、可调谐滤波器、探测器、数据采集处理系统；所述激光器经第一隔离器连接耦合器，耦合器将激光器产生的光束分为两束，第一光束经偏振控制器和第一电光调制器产生布里渊泵浦光再经扰偏器和第一掺饵光纤放大器进入光环形器，所述光环形器连接可调谐滤波器，可调谐滤波器通过探测器连接数据采集处理系统，第一电光调制器经波形发生器连接数据采集处理系统；第二光束经第二偏振控制器和第二电光调制器产生布里渊探测光再经第二掺饵光纤放大器连接第二隔离器，所述第二电光调制器通过微波发生器连接所述数据采集处理系统；还包括三阶拉曼放大系统，所述三阶拉曼放大系统包括两个WDM、两个三阶拉曼泵浦源、峰值反射率>80%，中心波长一致的第一光纤光栅对和第二光纤光栅对，其中，一个WDM与光环形器连接用于将布里渊泵浦光及其中一个三阶拉曼泵浦源相耦合并经第二光纤光栅对的一个光纤光栅和第一光纤光栅对一个光纤光栅连接传感光纤，另一个WDM与第二光隔离器连接用于将布里渊探测光及另一个三阶拉曼泵浦源相耦合并经第二光纤光栅对的另一个光纤光栅和第一光纤光栅对的另一个光纤光栅连接传感光纤，所述第一光纤光栅对及第二光纤光栅对分别用来构成长距离激光谐振腔，其产生的激光分别作为二阶拉曼泵浦光及一阶拉曼泵浦光，所述三阶拉曼泵浦源用来对二阶泵浦光产生放大。
进一步地，三阶拉曼泵浦源泵浦波波长为12XXnm。
进一步地，所述第一光纤光栅对的中心波长为13XXnm，第二光纤光栅对(21)的中心波长为14XXnm，且相邻阶次的泵浦波长间距位于7(TllOnm之间。
进一步地，所述激光器的光源线宽<1ΜΗζ，功率大于lOcffim。
进一步地，所述布里渊泵浦光的带宽为2. 5GHz，布里渊探测光的频移为10— 1 IGHz，带宽为 IOGHz。
进一步地，所述扰偏器用于抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率> ΙΚΗζ，输出偏振度< 5%。
进一步地，所述数据采集处理系统包括数据采集卡及信号处理系统，用于完成数据采集、处理及对所述波形发生器、微波发生器的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果本发明中，12XXnm三阶泵浦对激光谐振腔产生的一、二阶泵浦进行逐级放大，且泵浦光平坦度逐级提高。与基于一、二阶拉曼放大的布里渊传感系统相比，传感信号沿光纤的分布更加平坦，显著改进了传感质量的全程一致性；用于长距离温度/应变传感，可大幅提高监测系统的空间分辨率、测量精度及灵敏度；以很小的成本(无需增加额外的一、二阶泵浦光源)获得传感性能的明显改善及传感距离的大幅延伸，具备一定的实用性。
图1为本发明的结构框图；图2为一、二、三阶拉曼泵浦条件下，探测光功率平坦度随传感距离变化的对比图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的描述。
参见图1，基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，包括激光器1、第一隔离器2、耦合器3、第一偏振控制器4、第二偏振控制器16、第一电光调制器6、第二电光调制器17、扰偏器8、第一掺铒光纤放大器9、第二掺铒光纤放大器18、光环形器12、探测器 10、可调谐滤波器11、数据采集处理系统7、波形发生器5、微波发生器13、三阶拉曼放大系统，其中，所述激光器1用于产生布里渊泵浦波及探测波，光源线宽<1ΜΗζ，功率大于IOdBm, 隔离器2与激光器1相连，用于避免反射光对激光器造成的损伤，耦合器3与所隔离器2相连，用于将所述激光器产生的光束分为两束，第一偏振控制器4和第二偏振控制器16与耦合器3相连，用于克服所述电光调制器的偏振相关性，所述电光调制器共二只，第一电光调制器6用来产生布里渊泵浦光，带宽为2. 5GHz，第二电光调制器17用来产生频移约10— 1 IGHz的布里渊探测光，其带宽为10GHz，扰偏器8与第一电光调制器6相连，用来抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率>1ΚΗζ，输出偏振度<5%，所述掺铒光纤放大器共二只，第一掺铒光纤放大器9与扰偏器8相连，用来放大布里渊泵浦光，第二掺铒光纤放大器18与IOGHz的第二电光调制器17相连，用来放大布里渊探测光，光环形器12用来将布里渊泵浦光耦合进传感光纤，同时将经放大的布里渊探测光耦合进所述可调谐滤波器11，可调谐滤波器11与光环形器12相连，用来滤除放大的自发辐射噪音，提高信噪比， 3dB带宽<0. Inm,所述数据采集处理系统7与可调谐滤波器11相连，它包括数据采集卡及信号处理系统，用来完成数据采集、处理及对所述波形发生器、微波发生器的控制，可调谐滤波器11通过探测器10连接数据采集处理系统7，第一电光调制器6经波形发生器5连接数据采集处理系统7。
所述微波发生器13与第二电光调制器17相连，用来产生IO-IlGHz微波信号以驱动第二电光调制器17，载波频率10-1 IGHz。
三阶拉曼放大系统包括WDM15、12XXnm三阶拉曼泵浦源14、13XXnm的第一光纤光栅对20，以及14XXnm的第二光纤光栅对21，其中，所述WDM15用来将布里渊探测光、布里渊泵浦光及所述12XXnm三阶拉曼泵浦源14耦合进传感光纤，12XXnm三阶拉曼泵浦源用来对 13XXnm 二阶泵浦光产生放大，波长为13XXnm的第一光纤光栅对20及14XXnm的第二光纤光栅对21分别用来构成长距离激光谐振腔，其产生的激光作为二阶拉曼泵浦光及一阶拉曼泵浦光，改进传感信号平坦度及长距离传感的空间分辨率和精度。
本发明提供的基于三阶拉曼放大技术改进长距离布里渊光时域分析仪传感性能的方法，该方法包括以下步骤a搭建一个布里渊光时域分析传感系统； b制作两对峰值反射率>8096，中心波长一致的光纤光栅； c将光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，其激射光构成一、二阶拉曼泵浦源； d将三阶拉曼泵浦激光器通过一对波分复用器(WDM)耦合进传感光纤； e向光纤注入探测光及布里渊泵浦光，对微波发生器扫频，得出功率一布里渊频移一距离三维图，经洛伦兹曲线拟合，得出传感光纤的温度/应变分布。
图2是一、二、三阶拉曼泵浦条件下，探测光功率平坦度随传感距离变化的对比图，该图中，三阶拉曼泵浦波长为1288nm，产生一、二阶拉曼泵浦激光的光纤光栅中心波长5分别为1455nm及1365nm。中心波长分别位于三阶拉曼泵浦波长的一级及二阶级斯托克斯波长附近，相邻阶次的泵浦波长间距位于7(TllOnm之间。
由图可知，光纤长度一定时，利用三阶拉曼放大使信号分布平坦度得到明显改善； 功率波动均为4dB时，对应一、二、三阶拉曼放大的传输距离分别为82km，IlOkm及140km。 可见，应用三阶拉曼放大，大幅缩小了低信噪比范围(约30km)，可实现更长距离的高质量传感。
权利要求
1.一种基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，包括激光器(1)、耦合器 (3)、第一电光调制器(6)、第二电光调制器(17)、扰偏器(8)、第一掺饵光纤放大器(9)、第二掺饵光纤放大器(18)、光环形器(12)、可调谐滤波器(11)、探测器(10)、数据采集处理系统(7)；所述激光器(1)经第一隔离器(2)连接耦合器(3)，耦合器(3)将激光器(1)产生的光束分为两束，第一光束经偏振控制器(4)和第一电光调制器(6)产生布里渊泵浦光再经扰偏器(8 )和第一掺饵光纤放大器(9 )进入光环形器(12)，所述光环形器(12)连接可调谐滤波器(11)，可调谐滤波器(11)通过探测器(10)连接数据采集处理系统(7)，第一电光调制器 (6)经波形发生器(5)连接数据采集处理系统(7);第二光束经第二偏振控制器(16)和第二电光调制器(17)产生布里渊探测光再经第二掺饵光纤放大器(18)连接第二隔离器(19)， 所述第二电光调制器(17)通过微波发生器(13)连接所述数据采集处理系统(7)，其特征在于还包括三阶拉曼放大系统，所述三阶拉曼放大系统包括两个WDM (15)、两个三阶拉曼泵浦源(14)、峰值反射率 >80%，中心波长一致的第一光纤光栅对(20)和第二光纤光栅对(21)，其中，一个WDM (15) 与光环形器(12)连接用于将布里渊泵浦光及其中一个三阶拉曼泵浦源(14)相耦合并经第二光纤光栅对(21)的一个光纤光栅和第一光纤光栅对(20) —个光纤光栅连接传感光纤， 另一个WDM (15)与第二光隔离器(19)连接用于将布里渊探测光及另一个三阶拉曼泵浦源 (14)相耦合并经第二光纤光栅对(21)的另一个光纤光栅和第一光纤光栅对(20)的另一个光纤光栅连接传感光纤，所述第一光纤光栅对(20)及第二光纤光栅对(21)分别用来构成长距离激光谐振腔，其产生的激光分别作为二阶拉曼泵浦光及一阶拉曼泵浦光，所述三阶拉曼泵浦源(14)用来对二阶泵浦光产生放大。
2.根据权利要求1所述的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，其特征在于三阶拉曼泵浦源(14)泵浦波波长为12XXnm。
3.根据权利要求1或2所述的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，其特征在于所述第一光纤光栅对(20)的中心波长为13XXnm，第二光纤光栅对(21)的中心波长为14XXnm，且相邻阶次的泵浦波长间距位于7(TllOnm之间。
4.根据权利要求3所述的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，其特征在于所述激光器的光源线宽<1ΜΗζ，功率大于lOcffim。
5.根据权利要求3所述的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，其特征在于所述布里渊泵浦光的带宽为2. 5GHz，布里渊探测光的频移为10 — 11GHz，带宽为10GHz。
6.根据权利要求3所述的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，其特征在于所述扰偏器(8)用于抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率> ΙΚΗζ，输出偏振度< 5%。
7.根据权利要求3所述的基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，其特征在于所述数据采集处理系统(7)包括数据采集卡及信号处理系统，用于完成数据采集、处理及对所述波形发生器、微波发生器的控制。
全文摘要
本发明公开了一种基于三阶拉曼放大技术的布里渊光时域分析系统，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、扰偏器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、光环形器、可调谐滤波器、探测器、数据采集处理系统，三阶拉曼放大系统；本发明应用三阶拉曼放大，大幅缩小了低信噪比范围(约30km)，可实现更长距离的高质量传感。
文档编号G01D5/353GK102506915SQ20111034068
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者张伟利, 王子南, 贾新鸿, 饶云江 申请人:电子科技大学