一种实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置及其方法与流程

本发明涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置及其方法。

背景技术：

分布式传感被视为光纤传感器最大的优势之一，因为它不仅能实现沿传感光纤分布的物理量测量，而且能够给出物理量变化的位置，从而获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。利用该特性研制的分布式光纤传感器拥有很高的军事和民用价值，可广泛应用于安防系统、油气管道监测、通信线路安全监测和智能楼宇健康监测等领域。

分布式光纤传感器一般采用传感光纤中强激励光产生的微弱散射光信号光(自发非线性散射、瑞利散射等)，或与弱探测光的相互作用(受激非线性散射、偏振改变等)，来得到传感信息。然而随着传感距离的增加，受光纤损耗及非线性等因素的影响，强激励光和相应的弱传感光信号能量急剧下降，从而限制了整个系统的传感距离和性能。增大激励光的功率是提高传感距离最直接的方法，目前主要放大技术有集中式放大方法和分布式放大方法。例如传统的光时域反射计(optical time-domain reflectometer,OTDR)系统一般采用集中式光放大技术，即激励光进入光纤前应用掺铒光纤放大器(Er-Doped Fiber Amplifier,EDFA)将脉冲激励光功率进行放大。但是过高的激励光功率容易出现受激散射等非线性效应，导致激励光功率和传感光(散射光或探测光)携带的信息急剧下降，使得传输距离不能得到有效增加。基于掺铒光纤放大器EDFA和一阶拉曼混合放大的方法，可以实现单段探测光纤长度达到175km的Φ-OTDR系统(见Wang Z N,Zeng J J,Li J,et al.Ultra-long phase-sensitive OTDR with hybrid distributed amplification[J].Optics letters,2014,39(20):5866-5869)。系统实现了单向信号的放大和单段传感距离的延长，但全程光路信号的增益不平坦，其分布式放大的效果仍不理想。

申请公布号为104596632A的专利申请文件公开了一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器及方法。其特征在于提出一种远端光纤中继，实现分布式振动传感器的长距离传感。但是该中继采用的是集中式光放大技术，没有对弱传感光信号进行补偿，并且主要适用于分布式振动传感器。

显然在分布式光纤传感系统中难以使用光-电-光再生中继方式，而且激励光和传感光的功率差别非常大，难以使用光通信系统常用的双向对称光放大进行信号中继，需要对强激励光和弱传感光分别进行合适的光放大中继。

技术实现要素：

为了解决长距离光纤传感过程中强激励光和弱传感光能量急剧下降的问题，本发明提供了一种实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置，该中继放大装置结构简单，能够对激励光和传感光分别放大，增加分布式光纤传感距离，能多次中继，可广泛应用于多种分布式光纤传感系统。

一种实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置，由强激励光放大模块、弱传感光放大模块组成；经前段传感光纤衰减的强激励光信号输入至强激励光放大模块，经强激励光放大模块放大后再输出至后段传感光纤；后段传感光纤的衰弱传感光信号输入至所述的弱传感光放大模块，经弱传感光放大模块放大后再输出至前段传感光纤，完成强激励光与弱传感光信号的分别中继放大。

当第二光环形器承受功率较大或工作波长宽度足够时，所述的强激励光放大模块由在光路上依次设置的第一光环形器、第一滤波器、光功率放大器、第二滤波器、分布式光放大器、以及第二光环形器组成，首先，经前段传感光纤衰减的强激励光信号经第一光环形器输入至强激励光放大模块，然后，强激励光信号经第一滤波器滤波后输入至光功率放大器进行信号放大，接下来，放大的强激励光信号经过第二滤波器滤除光纤中其他频率的光信号后再输入至分布式光放大器，与分布式光放大器的泵浦光汇合后再经第二光环形器输出至后段传感光纤，完成强激励光信号的放大。

当第二光环形器承受功率较小或工作波长宽度不够，且分布式光放大器的泵浦功率较大时，所述的强激励光放大模块由在光路上依次设置的第一光环形器、第一滤波器、光功率放大器、第二滤波器、第二光环形器、以及分布式光放大器组成，首先，经前段传感光纤衰减的强激励光信号经第一光环形器输入至强激励光放大模块，然后，强激励光信号经第一滤波器滤波后输入至光功率放大器进行信号放大，接下来，放大的强激励光信号经过第二滤波器滤除光纤中其他频率的光信号后再经第二光环形器输入至分布式光放大器，与分布式光放大器的泵浦光汇合后输出至后段传感光纤，完成强激励光信号的放大。

所述的第一滤波器用于滤掉除强激励光以外的噪声光。

所述的光功率放大器能够实现对衰减的强激励光信号进行功率放大，作为优先，光功率放大器为掺铒光纤功率放大器或半导体光放大器。

经过光功率放大器放大的强激励光信号掺杂着其他频率的光信号，此时采用第二滤波器进行滤波，除去其他频率的信号，保证强激励光信号的稳定性。

为了达到最佳的放大效果，采用分布式光放大器对经过光功率放大器放大的强激励光信号再一次放大，更大地延长传感距离，保证经中继放大装置后的后段传感光纤中的光功率保持与前段传感光纤的光功率一致，从而实现强激励光中继。由于拉曼放大器，具有噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好以及分布式放大等特点。作为优选，所述的分布式光放大器为拉曼放大器、光纤参量放大器以及布里渊光纤放大器。

所述的弱传感光放大模块由在光路上依次设置的第二光环形器、第三滤波器、前置光放大器、第四滤波器以及第一光环形器组成，首先，后段传感光纤的衰弱传感光信号经第二光环形器输入至弱传感光放大模块，然后，衰弱传感光信号经第三滤波器滤波后输入至前置光功率放大器进行放大，放大的衰弱传感光信号经过第四滤波器滤除噪声后再经第一光环形器输出至前段传感光纤，完成弱传感光信号的放大。

根据传感光纤长度和传感系统特征，还可以选择在弱传感光放大模块中加入分布式光放大器，分布式光放大器可在前段传感光纤中对弱传感光提供分布式放大，进一步增强信号功率；当第一光环形器的承受功率较大时，分布式光放大器置于第一光环形器与第四滤波器之间；当分布式光放大器的泵浦功率较大，且第一光环形器的承受功率较小或工作波长范围不够时，分布式光放大器在光路上置于第一光环形器之后。

作为优选，所述的前置光放大器为掺铒光纤前置放大器或半导体前置光放大器。

根据传感光纤长度和传感系统特征，还可以选择在前置光放大器后加入分布式光放大器，分布式光放大器可在前段传感光纤中为弱传感光提供分布式放大，进一步增强信号功率。

作为优选，弱传感光放大模块中，所述的分布式光放大器为拉曼光放大器、光纤参量放大器以及布里渊光纤放大器。所述的第三滤波器用于滤除除散射信号以外的散射光和其他噪声。

经放大器放大的弱传感光信号往往掺杂着噪声，此时，选择第四滤波器除去噪声信号，得到信噪比较高的传感光信号。

所述的第一光环形器与第二光环形器为三端口光环形器。

所述的第一光环形器用于将需要放大的前段传感光纤的激励光输入至中继放大装置，将被放大的弱传感光信号传输出至前段传感光纤。

所述的第二光环形器用于将被放大的激励信号输出至后段传感光纤，将需要被放大的弱传感光信号输入至中继放大装置。

强激励光放大模块采用光功率放大器和分布式光放大器混合放大的结构，以在传感中途重新获得较大的激励光信号功率，并有效防止入射功率过大而引起非线性效应，利用分布式光放大器分布式放大的特点极大地延长了传感距离，可实现中继模块输出到后段传感光纤的光功率保持与前段传感光纤的激励光功率相似，从而实现强激励光中继。

弱传感光放大模块由前置光放大器和分布式光放大器组成，弥补传感光信号在传输过程中的损耗，传感光信号可通过分布式放大获得更高的信号功率，以达到抑制噪声、保持良好信噪比的效果，使得通过中继放大模块放大后的传感信号达到与前段传感光纤相似的传感光功率。

本发明还提出了一种利用上述中继放大装置进行长距离分布式光纤传感的方法，包括以下步骤：

(1)在分布式光纤传感系统的传感光纤中途设置一个或多个中继放大装置，该中继放大装置的输入输出接口分别与前后两段传感光纤相连接；

(2)中继放大装置的前段传感光纤的正向传输强激励光信号经过光纤传输后，输入到中继放大装置，强激励光信号经过中继放大装置进行信号放大，然后输入到后段传感光纤，完成强激励光信号的放大过程；

(3)中继放大装置的后段传感光纤的反向传输弱传感光信号经过中继放大装置的输出端输入到中继放大装置，弱传感光信号经中继放大装置进行信号放大，被放大的弱传感光信号从中继放大装置的输入端输出到前段传感光纤，完成弱传感光信号的放大过程。

在步骤(2)中，强激励光信号经过中继放大装置进行信号放大的方法为：

(a)利用第一滤波器对强激励光信号进行滤波，得到滤波后的强激励光信号；

(b)利用光功率放大器对滤波后的强激励光信号进行放大，得到初步放大的强激励光信号；

(c)利用第二滤波器滤除初步放大的强激励光信号中掺杂的噪声信号，得到纯净的强激励光信号；

(d)利用分布式光放大器对纯净的强激励光信号进行分布式放大，在后段传感光纤中得到最终放大的强激励光信号。

在步骤(3)中，弱传感光信号经中继放大装置进行信号放大的方法为：

(a)利用第三滤波器滤除弱传感信号中掺杂的由分布式光放大器泵浦光产生的散射光及其他非信号光，得到滤波后的弱传感光信号；

(b)利用前置光放大器对滤波后的弱传感光信号进行放大，得到初步放大的弱传感光信号；

(c)利用第四滤波器滤除初步放大的弱传感光信号中掺杂噪声信号，得到最终放大的弱传感信号，用来补偿光纤的传输损耗。

在步骤(3)中，弱传感光信号经中继放大装置进行信号放大的方法为：

(a’)利用第三滤波器滤除弱传感信号中掺杂的由分布式光放大器泵浦光产生的散射光及其他非信号光，得到滤波后的弱传感信号；

(b’)利用前置光放大器对滤波后的弱传感光信号进行放大，得到初步放大的弱传感光信号；

(c’)利用第四滤波器滤除初步放大的弱传感光信号中掺杂的噪声信号，得到纯净的弱传感信号；

(d’)利用分布式光放大器对纯净的弱传感光信号进行放大，得到最终放大的弱传感光信号，用来补偿光纤的传输损耗。

本发明在分布式光纤传感系统的多段传感光纤间引入多个远端光纤中继放大装置进行级联，放大经前段传感光纤损耗的激励光，注入后段传感光纤中，同时放大后段传感光纤的弱传感光信号，注入到前段传感光纤，实现脉激励光和传感光信号的分别放大，使得中继放大装置后的传感光纤中的光信号得到中继放大，提高了分布式光纤传感器的信噪比，增大了分布式光纤传感器的测量距离和性能。与现有技术相比具有以下优点：

(1)与采用集中式放大技术的长距离分布式光纤传感系统相比，采用该中继放大装置可避免过大的入射光功率所引起的非线性现象，在实现长距离的同时得到较好的信噪比。

(2)该中继放大装置结构简单，具有良好的可实现性和复用性，可实现较宽频率范围的光信号放大，可在多种不同的分布式传感系统中得到应用。

(3)所采用的强弱信号分别放大模块，根据信号的特点进行区别放大，在放大强信号时采用光功率放大器和分布式光放大器混合放大的结构，有效增强信号功率；在放大弱传感信号时采用低噪声前置光放大器和分布式光放大器，提高检测信号功率并抑制噪声，达到良好的检测信噪比。

附图说明

图1是本发明实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置的第一种结构框图；

图2是本发明实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置的第二种结构框图；

图3是本发明实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置的第三种结构框图；

图4是本发明实现长距离分布式光纤传感的中继放大装置的第四种结构框图；

图5是基于中继放大装置放大的长距离布里渊光时域反射计传感系统结构框图；

图6是基于中继放大装置放大的长距离相位敏感光时域反射计传感系统结构框图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1～4所示，本发明中继放大装置12由光环形器2、滤波器3、光功率放大器4、滤波器5、分布式光放大器6、光环形器7、滤波器8、前置光放大器9、滤波器10以及分布式光放大器11组成，环形器2、滤波器3、光功率放大器4、滤波器5、分布式光放大器6以及环形器7形成强激励光放大模块，实现对强激励光信号的放大；光环形器7、滤波器8、前置光放大器9、滤波器10、分布式光放大器11以及光环形器2形成弱传感光放大模块，实现对弱传感光信号的放大。

当光环形器2和光环形器7的承受功率较大且工作波长宽度足够时，如图1所示，在结构上，分布式光放大器6置于滤波器5与光环形器7之间，分布式光放大器11置于光环形器2与滤波器10之间，在应用时，根据传感光纤长度和传感系统特征，还可以选择是否将分布式光放大器11加入到中继放大装置12中。

当光环形器2的承受功率较小或工作波长宽度不够，光环形器7的承受功率较大且工作波长宽度足够、分布式光放大器11的泵浦功率较大时，如图2所示，在结构上，分布式光放大器6置于滤波器5与光环形器7之间，分布式光放大器11置于光环形器2之前。

当光环形器7的承受功率较小或工作波长宽度不够、分布式光放大器6的泵浦功率较大、光环形器2的承受功率较大且工作波长宽度足够时，如图3所示，在结构上，分布式光放大器6置于光环形器7之后，分布式光放大器11置于光环形器2与滤波器10之间，在应用时，根据传感光纤长度和传感系统特征，还可以选择是否将分布式光放大器11加入到中继放大装置12中。

当光环形器7和光环形器2的承受功率较小或工作波长宽度不够、分布式光放大器6和分布式光放大器11的泵浦功率较大时，如图4所示，在结构上，分布式光放大器6置于光环形器7之后，分布式光放大器11置于光环形器2之前。

实施例1

选择如图1所示的中继放大装置应用于布里渊光时域反射计(BOTDR)中，搭建加入中继放大装置12的140km长距离BOTDR传感系统。如图5所示，该系统包括：BOTDR系统14、70km传感光纤1、70km传感光纤13以及中继放大装置12等主要部分；中继放大装置12中的光功率放大器4采用掺铒光纤功率放大器，分布式光放大器6和11采用拉曼光放大器，前置光放大器9采用掺铒光纤前置放大器。

BOTDR系统14输出调制后的脉冲激励光，脉冲激励光进入探测光纤作为探测信号源，记录入射激励光的功率P₀；探测信号经过一段70km光纤1后注入中继放大装置12放大，利用中继放大装置将激励光放大到功率P₀后注入到后段70km光纤13中，70km光纤13产生的布里渊散射信号经过中继放大装置12放大后返回至BOTDR系统14；传感信号经数据采集卡采集，传输给上位机进行处理，根据布里渊频移量和散射光幅度来计算温度/应变信息，并由接收散射信号的时间以及光传播的速度来判断具体传感位置。

由于本实施例中采用了较长的传感光纤，选择在弱传感光放大模块中加入分布式光放大器11(拉曼放大器)对70km光纤1中的传感信号和激励光提供进一步的分布式放大以达到更好的实验效果。处于140km长距离BOTDR传感系统的中继放大装置的工作过程为：

经过70km光纤1衰减的脉冲激励光经过光环形器2的2-3端口输入到滤波器3，经滤波后再输入到光功率放大器4(掺铒光纤功率放大器)进行脉冲放大，光功率放大器4输出经过滤波器5滤除放大器自发辐射噪声后再输入到分布式光放大器6(拉曼放大器)，脉冲激励光伴随拉曼泵浦光经过光环形器7的1-2端口输入至后段70km光纤13，进行分布式地放大；后段70km光纤13产生的后向布里渊散射信号经过光环形器7的2-3端口输入到滤波器8中，将滤除噪声后的散射信号输入到低噪声的前置光放大器9(前置掺铒光纤放大器)进行放大，其输出经滤波器10滤除自发增益噪声后进入分布式光放大器11(拉曼放大器)，散射信号与拉曼泵浦光通过光环形器2的1-2端口返回前段70km光纤1之中，完成传感光信号的放大。

实施例2

将选择如图1所示的中继放大装置应用于相位敏感光时域反射计传感系统(Φ-OTDR)中，搭建加入中继放大装置12的150km长距离Φ-OTDR传感系统。如图6所示，该系统包括：Φ-OTDR系统18、50km光纤15、两个中继放大装置12、50km光纤16以及50km光纤17等主要部分；中继放大装置12中的光功率放大器4采用掺铒光纤功率放大器，分布式光放大器6采用拉曼光放大器，前置光放大器9采用掺铒光纤前置放大器。

Φ-OTDR系统18输出具有强相干性的脉冲激励光；激励光经放大后，耦合进入探测光纤作为探测信号源，记录入射激励光的功率P₀；脉冲激励光经过50km光纤15后注入中继放大装置12(1)放大，利用中继放大装置12(1)将激励光放大到光功率P₀，再将其注入到50km光纤16中，激励光经过中继放大装置12(2)放大达到光功率P₀注入到50km光纤17中；50km光纤17产生的瑞利散射信号经过中继放大装置放大后返回至接收端，得到不同时刻返回的散射信号干涉结果相叠加形成的最终曲线，对外界扰动进行检测与定位。

由于本实施例中光纤长度适中且瑞利散射光相对较强，所以不需要加入分布式光放大器11提供额外放大补偿弱传感信号。处于150km长距离Φ-OTDR传感系统的中继放大装置的工作过程为：

在中继放大装置12(1)部分，经过50km光纤15衰减的脉冲激励光经过光环形器2的2-3端口输入至中继放大装置12(1)，强激励光放大过程与实施例一相同，被放大的激励光伴随拉曼泵浦光经过光环形器7的1-2端口输入到50km传感光纤16进行分布式的放大；50km光纤16产生的后向瑞利散射信号经过光环形器7的2-3端口输入到滤波器8中，然后，弱后向瑞利散射光在低噪声的前置光放大器9(前置掺铒光纤放大器)进行放大，其输出通过光环形器2的1-2端口返回50km光纤15之中，完成传感信号的放大；中继放大装置12(2)部分的放大过程与中继模块12(1)类似。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。