基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统的制作方法
【专利摘要】基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，属于光纤传感器【技术领域】，它包括激光器、隔离器、耦合器、第一掺铒光纤放大器、布里渊激光器、信号发生器、相位调制器、传感光纤、环形器、第二掺铒光纤放大器、脉冲发生器、扰偏器、光电转换模块、数字信号处理模块；本发明的特征在于以布里渊激光器对入射激光实现宽带频移，相位调制器对频率下移后的激光调制产生双边带信号，该信号与经脉冲发生器产生的脉冲泵浦光在传感光纤中发生受激布里渊散射作用，作用后的光信号由光电转换模块进行自外差检测。本发明减弱了系统的相位噪声，提高了检测信号信噪比，保障了整段传感光纤的温度/应变测量精度，使系统更紧凑。
【专利说明】基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤布里渊时域分析系统，属于光纤传感器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术是近年来研究的热点传感技术，它可以感知整条光纤传感链路上温度、应变的空间分布和随时间变化的信息，在油井管道、桥梁大坝等重大结构的健康安全监测中有重要应用前景。布里渊分布光纤传感器中，布里渊时域分析仪利用的是受激布里渊散射效应，增强了探测信号，传感距离较远。
[0003]目前，提高布里渊时域分析系统检测信号信噪比是难点技术，检测方法可采取直接检测法和传统相干检测法。直接检测法中，连续探测光与脉冲泵浦光布里渊作用后经环形器直接注入光电探测器转换成电信号；该方法的检测信号信噪比与探测光功率成正比，然而探测光功率受到光纤调制不稳定性和泵浦消耗效应的限制，因此限制了系统信号信噪比的提高。传统相干检测法中，一种方法是将布里渊作用后的连续探测光与入射光直接相干拍频后用宽带光电探测器转换成频率为IlGHz左右的电信号，为方便数据采集分析还需将该电信号与频率相近的微波信号拍频，使信号降至数百兆赫兹量级；另外一种方法是对入射光进行微波电光调制，使之产生频率下移并作为相干本振光，连续探测光与本振光的相干差频信号可以直接采集分析和信息解调。然而上述两种相干检测方法中，存在着以下问题:宽带探测器相对信噪比低；连续探测光与本振光传输路径不同，引入了附加相位噪声，降低检测信号信噪比；高频微波源体积大，导致系统不紧凑等。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，以减弱系统的相位噪声，提高系统信噪比，保障整段传感光纤的温度/应变测量精度，同时使系统更紧凑。
[0005]本发明所采用的技术方案是:提供一种基于布里渊激光器和自外差检测技术的布里渊时域分析测量方法和系统。布里渊时域分析系统结构上包括激光器(I)、隔离器(2)、耦合器(3)、第一掺铒光纤放大器(4)、布里渊激光器(5)、信号发生器(6)、相位调制器(7)、传感光纤(8)、环形器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、脉冲发生器(11)、扰偏器(12)、光电转换模块(13)、数字信号处理模块(14)。
[0006]所述激光器(I)通过隔离器(2)连接耦合器(3)，所述耦合器(3)将激光器(I)产生的光束分成两路:第一路激光用于产生布里渊探测信号光，与第一掺铒光纤放大器(4)的输入端连接，所述第一掺铒光纤放大器(4)的输出端与布里渊激光器(5)输入端连接,所述的布里渊激光器(5)输出端与相位调制器(7)的第一输入端连接，所述的相位调制器(7)的第二输入端与信号发生器(6)连接，所述的相位调制器(7)的输出端与传感光纤(8)连接，所述的传感光纤(8)的输出端与环形器(9)的第二端口(92)连接；
[0007]第二路激光用于产生布里渊脉冲泵浦光，经第二掺铒光纤放大器(10)放大后与脉冲发生器(11)的输入端连接，所述的脉冲发生器(11)输出端经扰偏器(12)与环形器
(9)的第一端口 (91)连接；
[0008]所述环形器(9)的第三端口(93)依次连接光电转换模块(13)和数字信号处理模块(14)，将与布里渊脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用后的探测信号光分别进行自外差接收和数字信号处理解调，得到在传感光纤沿线的温度/应变分布。
[0009]按照本发明所提供的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于激光器(I)是光谱宽度小于1MHz，输出功率大于20mW，中心波长为1550nm的高稳定光纤激光器。
[0010]按照本发明所提供的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的布里渊激光器(5)用于完成对激光器(I)注入的激光信号产生宽带频移，为环形腔结构光纤激光器:由环形器、隔离器、输出耦合器和高非线性光纤组成；所述的高非线性光纤布里渊频移比所述的传感光纤(8)布里渊频移低360MHz。
[0011]按照本发明所提供的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的信号发生器(6)频率范围为250kHz~IGHz。
[0012]按照本发明所提供的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的相位调制器(7)用于产生双边带信号，为电光相位调制器，工作波段为1550nm，带宽≤ IGHz。
[0013]按照本发明所提供的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的光电转换模块(13)的频率响应带宽为IGHz。
[0014]有益效果:由于本发明利用布里渊激光器对入射激光实现宽带频移，并对频移后的激光进行相位调制产生边带信号，以激光载波为本振光波，以相位调制产生的下边带信号为探测光波并与脉冲泵浦光在传感光纤中发生受激布里渊散射作用，两者经光电转换模块实现自外差拍频检测，因本振光和信号光具有相同传输路径减弱了系统引入的电子学噪声和光波相位噪声，提高了系统信噪比，保障了整段传感光纤的温度/应变测量精度，也使系统更紧凑。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明所提供的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统的结构示意图。
[0016]图2为激光器频率、布里渊泵浦波频率和探测波频率示意图。图中Vtl为激光器(I)的频率；Vl为激光器(I)经布里渊激光器(5)宽带频移后的光波频率，作为本发明自外差检测的本振光波；(VtTV2)，g(v)分别表示传感光纤(8)的布里渊频移和增益谱；vm表示信号发生器出)的调制频率，相位调制器(7)产生的下边带光信号(频率为V1-Vm)作为本发明自外差检测的布里渊探测光波。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明进一步描述。
[0018]如图1所示:本发明的布里渊时域分析系统，包括激光器(I)、隔离器(2)、耦合器
(3)、第一掺铒光纤放大器(4)、布里渊激光器(5)、信号发生器(6)、相位调制器(7)、传感光纤(8)、环形器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、脉冲发生器(11)、扰偏器(12)、光电转换模块(13)、数字信号处理模块(14)。其中，所述激光器(I)用于产生布里渊泵浦波和探测波，其特征在于:光谱宽度小于1MHz，输出功率大于20mW，中心波长为1550nm，隔离器(2)与激光器(1)连接，用于避免反射光对激光器造成的损伤，耦合器(3)与所述隔离器(2)连接，用于将激光器(1)产生的光束分为两束，掺铒光纤放大器(4和10)与耦合器(3)连接，分别用于对两束光的放大:第一路光束经所述第一掺铒光纤放大器(4)放大，用于产生布里渊探测光波和本振光波；第二路光束经所述第二掺铒光纤放大器(10)放大，用于产生布里渊脉冲泵浦光。第一光路中，布里渊激光器(5)与所述第一掺铒光纤放大器(4)输出端连接，使第一束光产生频率下移，其频移大小比传感光纤(8)布里渊频移低360MHz，所述布里渊激光器(5)的特征在于为环形腔结构光纤激光器:由环形器、隔离器、输出耦合器和高非线性光纤组成，所述传感光纤(8)为标准单模通信光纤，布里渊频移为IlGHz ;由信号发生器
(6)对频移后注入相位调制器(7)的激光进行相位调制，用于产生边带信号，如图2所示，其中频率为1-\的下边带信号作为布里渊探测光波，经布里渊激光器(5)频移后注入相位调制器(7)、频率为V1的激光信号作为自外差检测的本振光波；布里渊探测光波与本振光波同时注入传感光纤(8)，布里渊探测光波将与第二光路产生的脉冲泵浦光在光纤中发生受激布里渊散射作用。在第二光路中，脉冲发生器(11)与所述第二掺铒光纤放大器(10)输出端连接，将输入的频率为％的激光调制成布里渊脉冲泵浦光，其脉冲重复频率小于1kHz，脉宽小于1μ s ;扰偏器(12)与脉冲发生器(11)输出端连接，用于抑制布里渊增益的偏振相关性，扰偏速率大于1kHz，输出偏振度小于5%，扰偏后的布里渊脉冲泵浦光经环形器(9)耦合进传感光纤(8)，与第一光路产生的布里渊探测光波作用。本振光波与获得受激布里渊增益放大的布里渊探测光波再经所述环形器(9)第三端口传输至光电转换模块(13)进行自外差检测，转换成电信号后输入数字信号处理模块(14)。为获得传感光纤(8)的布里渊频移，布里渊脉冲泵浦光与布里渊探测光波之间的扫频通过调节第一光路所述的信号发生器(6)调制频率Vm完成。 最后，由数字信号处理模块(14)完成数据采集、处理并解调出传感光纤(8)沿线的温度/应变分布。
[0019]本发明中，信号发生器(6)频率范围为250kHz~IGHz。
[0020]本发明中，相位调制器(7)用于产生双边带信号，为电光相位调制器，工作波段为1550nm，带宽≤ 1GHz。
[0021]本发明中，光电转换模块(13)的频率响应带宽为IGHz。
【权利要求】
1.一种基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征是包括激光器(I)、隔离器(2)、耦合器(3)、第一掺铒光纤放大器(4)、布里渊激光器(5)、信号发生器(6)、相位调制器(7)、传感光纤(8)、环形器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、脉冲发生器(11)、扰偏器(12)、光电转换模块(13)、数字信号处理模块(14)； 所述激光器(I)通过隔离器(2)连接耦合器(3)，所述耦合器(3)将激光器(I)产生的光束分成两路:第一路激光用于产生布里渊探测信号光，与第一掺铒光纤放大器(4)的输入端连接，所述第一掺铒光纤放大器(4)的输出端与布里渊激光器(5)输入端连接，所述的布里渊激光器(5)输出端与相位调制器(7)的第一输入端连接，所述的相位调制器(7)的第二输入端与信号发生器(6)连接，所述的相位调制器(7)的输出端与传感光纤(8)连接，所述的传感光纤(8)的输出端与环形器(9)的第二端口(92)连接； 第二路激光用于产生布里渊脉冲泵浦光，经第二掺铒光纤放大器(10)放大后与脉冲发生器(11)的输入端连接，所述的脉冲发生器(11)输出端经扰偏器(12)与环形器(9)的第一端口 (91)连接； 所述环形器(9)的第三端口(93)依次连接光电转换模块(13)和数字信号处理模块(14)，将与布里渊脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用后的探测信号光分别进行自外差接收和数字信号处理解调，得到在传感光纤沿线的温度/应变分布。
2.根据权利要求1所述的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于激光器(I)是光谱宽度小于1MHz，输出功率大于20mW，中心波长为1550nm的高稳定光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的布里渊激光器(5)用于完成对激光器(I)注入的激光信号产生宽带频移，为环形腔结构光纤激光器:由环形器、隔离器、输出耦合器和高非线性光纤组成；所述的高非线性光纤布里渊频移比所述的传感光纤(8)布里渊频移低360MHz。
4.根据权利要求1所述的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的信号发生器(6)的频率范围为250kHz~1GHz。
5.根据权利要求1所述的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的相位调制器(7)用于产生双边带信号，为电光相位调制器，工作波段为1550nm，带宽≤ IGHz。
6.根据权利要求1所述的基于布里渊激光器和自外差检测的布里渊时域分析系统，其特征在于所述的光电转换模块(13)的频率响应带宽为IGHz。
【文档编号】G01D3/036GK103837165SQ201210526238
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】秦祖军, 熊显名 申请人:桂林电子科技大学