專利名稱：一種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種全分布式光纖傳感系統(tǒng)，具體涉及ー種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于瑞利散射機理的相位敏感光時域反射(Φ-OTDR)系統(tǒng)，是目前最重要的ー種全分布式振動測量技木。通過在光纖一端注入相干窄脈沖，檢測后向瑞利散射光干涉條紋變化，判斷外界擾動引入的相位變化及其沿光纖的空間分布位置。Φ-OTDR系統(tǒng)基于相敏檢測機理靈敏度極高，同時在長距離探測、多點檢測定位等方面優(yōu)于其他光纖分布式振動測量系統(tǒng)，因此在油氣輸送管道、長距離周界、大型土木結(jié)構(gòu)等安全監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 傳感距離是Φ-OTDR系統(tǒng)相對于其他振動測量系統(tǒng)的最大優(yōu)勢，與其他分布式光纖傳感系統(tǒng)類似，傳感距離也是衡量該系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵指標(biāo)。為延長傳感距離而提高激光器功率，容易產(chǎn)生近端信號飽和。目前主要放大技術(shù)有基于摻鉺光纖放大器(EDFA)集中放大方法和拉曼分布式放大方法?；趽姐s光纖放大器(EDFA)和一階拉曼混合放大方法，可以實現(xiàn)單段探測光纖長度達(dá)到62km的Φ-OTDR系統(tǒng)(見Yun-Jiang Rao, and etal. Long-distance fiber-optic Φ-OTDR intrusion sensing system, Proc. of SPIEj2009，7503.);上海華魏楊斌等人提出利用集成光中繼傳感光模塊進(jìn)行分段中繼放大方法(見楊斌，等.定位型超遠(yuǎn)程全光纖周界安防系統(tǒng)，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48:050603.)，實現(xiàn)單段探測光纖25km，總長為IOOkm的長距離Φ-OTDR系統(tǒng)。但針對超長距離傳輸?shù)膶嶋H應(yīng)用，采用集成光中繼傳感光模塊進(jìn)行分段中繼放大方法，仍會產(chǎn)生前端信號強、后端信號弱的全程傳感信號増益分布不均勻的情況，而且每段探測光纖距離較短，雖能實現(xiàn)超長距離傳感但系統(tǒng)整體成本較高；采用EDFA與一階拉曼混合放大盡管能避免上述問題，實現(xiàn)單段傳感距離的延長，但全程光路信號的增益不平坦，其分布式放大的效果仍不理想。因此如何進(jìn)ー步延長Φ-OTDR系統(tǒng)單段探測光纖的傳感距離，進(jìn)一歩改善整段光纖傳感信號増益分布的均勻性，實現(xiàn)低成本高性能的超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，仍然是需要解決的ー個重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決Φ-OTDR系統(tǒng)長距離探測中信噪比低的問題，進(jìn)ー步延長Φ-OTDR系統(tǒng)單段探測光纖的傳感距離，同時提高整段光纖傳感信號増益分布的均勻性，實現(xiàn)低成本高性能的超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種基于雙向ニ階或多階拉曼分布式放大的Φ-OTDR系統(tǒng)單段光路長距離光放大方案，并通過雙向拉曼放大多段級聯(lián)提高整個系統(tǒng)的傳感距離。
具體技術(shù)方案如下
一種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，包括Φ-OTDR解調(diào)系統(tǒng)及探測光纖，所述探測光纖前端和后端分別具有前向放大單元和后向放大單元。進(jìn)一步地，所述前向放大單元和后向放大單元均由拉曼泵浦、光隔離器、波分復(fù)用器依次連接構(gòu)成。
進(jìn)一步地，所述探測光纖的前端和后端均設(shè)置有布拉格光纖光柵，構(gòu)成布拉格光纖光柵對，形成激光調(diào)諧腔。進(jìn)一步地，所述布拉格光纖光柵對具有一組或多組。 進(jìn)一步地，具有多段探測光纖形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，相鄰兩段探測光纖的相鄰端通過一個50/50耦合器共用拉曼泵浦和光隔離器。進(jìn)一步地，所述Φ-OTDR解調(diào)系統(tǒng)由超窄線寬激光器、強度調(diào)制器、波形發(fā)生卡、摻鉺光纖放大器；環(huán)形器、光學(xué)濾波器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機構(gòu)成。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是，利用雙向二階或多階拉曼放大方法對Φ-OTDR系統(tǒng)后向瑞利散射信號光進(jìn)行分布式放大，能夠進(jìn)一步提高全程光纖上瑞利散射信號強度及分布的均勻性，有效克服已有Φ-OTDR系統(tǒng)放大方法存在的問題，進(jìn)一步延長其單段探測光纖的傳感距離，同時利用雙向拉曼泵浦級聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本高性能的超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)。該發(fā)明方法有助于提高相敏光時域反射系統(tǒng)在油氣輸送管道、大范圍周界、大型土木結(jié)構(gòu)等長距離安全監(jiān)測應(yīng)用時的整體性能及性價比。


圖I為本發(fā)明實施例一單段光路采用雙向二階拉曼放大的Φ-OTDR系統(tǒng) I.超窄線寬激光器；2.強度調(diào)制器；3.波形發(fā)生卡；4.摻鉺光纖放大器(EDFA) ;5.環(huán)形器；6.探測光纖；7.拉曼放大系統(tǒng)；8. 1550nm光學(xué)濾波器；9光電探測器；10.數(shù)據(jù)采集卡；11.上位機；其中拉曼放大系統(tǒng)7具體包括①1366nm拉曼泵浦、②布拉格光纖光柵(FBG)對、③1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)、④光隔離器；
圖2為本發(fā)明實施例二基于雙向二階拉曼放大多段級聯(lián)的低成本高性能超長距離Φ-OTDR系統(tǒng) I.超窄線寬激光器；2.強度調(diào)制器；3.波形發(fā)生卡；4.摻鉺光纖放大器(EDFA) ；5.環(huán)形器；6.探測光纖；7.拉曼放大系統(tǒng)；8. 1550nm光學(xué)濾波器；9光電探測器；10.數(shù)據(jù)采集卡；11.上位機；其中拉曼放大系統(tǒng)7具體包括①1366nm拉曼泵浦、②布拉格光纖光柵(FBG)對、③1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)、④光隔離器、⑤50/50稱合器；
圖3為本發(fā)明實施例三基于雙向三階拉曼放大多段級聯(lián)的低成本高性能超長距離Φ-OTDR系統(tǒng) I.超窄線寬激光器；2.強度調(diào)制器；3.波形發(fā)生卡；4.摻鉺光纖放大器(EDFA) ；5.環(huán)形器；6.探測光纖；7.拉曼放大系統(tǒng)；8. 1550nm光學(xué)濾波器；9光電探測器；10.數(shù)據(jù)采集卡；11.上位機；其中拉曼放大系統(tǒng)7具體包括①1288nm拉曼泵浦；②、③兩對布拉格光纖光柵(FBG)對，④1288nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM);⑤光隔離器；⑥50/50
耦合器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)ー步描述
作為本發(fā)明的實施例一，首先搭建單段光路基于雙向ニ階拉曼放大的長距離Φ-OTDR傳感系統(tǒng)，如圖I所示，系統(tǒng)包括超窄線寬激光器I、強度調(diào)制器2、波形發(fā)生卡3、摻鉺光纖放大器(EDFA) 4 ;環(huán)形器5、探測光纖6、拉曼放大系統(tǒng)7、1550nm光學(xué)濾波器8、光電探測器9、數(shù)據(jù)采集卡10、上位機11等主要部分。所述超窄線寬激光器I用于輸出具有強相干性的連續(xù)光，工作波長1550nm ;所述上位機11控制波形發(fā)生卡2產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，驅(qū)動強度調(diào)制器3對強相干的連續(xù)光進(jìn)行脈沖調(diào)制，輸出光脈沖；波形發(fā)生卡2輸出的脈沖信號同時作為數(shù)據(jù)采集卡10的采集觸發(fā)信號；脈沖光經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA) 4放大，由環(huán)形器5端ロ 1-2耦合進(jìn)入探測光纖6作為探測信號源；1550nm探測信號在探測光纖6中傳輸時被拉曼放大系統(tǒng)7進(jìn)行雙向拉曼分布式放大，被全程均勻增強后的后向瑞利散射光經(jīng)環(huán)形器5端ロ 2-3返回至接收端，在接收 端經(jīng)過1550nm光學(xué)濾波器8濾波，在光電探測器9處進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，得到不同時刻返回的脈沖干涉結(jié)果相疊加形成的最終脈沖探測軌跡；經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡10采集，最后傳輸給上位機11進(jìn)行處理，根據(jù)脈沖探測軌跡隨時間的變化，對外界擾動進(jìn)行檢測與定位。所述的拉曼放大系統(tǒng)7,以雙向ニ階拉曼放大系統(tǒng)包括1366nm拉曼泵浦①、布拉格光纖光柵(FBG)對②、1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)③、光隔離器④等主要器件。1366nm拉曼泵浦①用于產(chǎn)生拉曼泵浦源，當(dāng)泵浦功率大于一定閾值，會產(chǎn)生ー階斯托克斯光，波長在1455nm附近；布拉格光纖光柵(FBG)對②，中心反射波長為1455nm,反射率>80%，熔接在探測光纖6兩端構(gòu)成ー個長距離激光諧振腔，用于激射1455nm ニ階拉曼泵浦光；1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)③用于將探測光纖6中的1550nm探測信號光和1366nm拉曼泵浦①的信號分開或匯合；光隔離器④用于隔離光路中由于器件反射、光纖散射等因素返回到1366nm拉曼泵浦①的泵浦光，避免對1366nm拉曼泵浦①的損壞。所述的拉曼放大系統(tǒng)7，以ニ階拉曼放大系統(tǒng)對探測信號光的放大過程為大于一定閾值的泵浦光進(jìn)入由布拉格光纖光柵(FBG)對②構(gòu)成的諧振腔后,輸出1366nm拉曼泵浦①的ー階斯托克斯光波長Γ 455ηπι)附近的光，作為ニ階拉曼泵浦光；1550nm的探測信號脈沖光在探測光纖6中傳輸時,被布拉格光纖光柵(FBG)對②之間的ニ階拉曼泵浦光近似均勻地放大，其后向瑞利散射信號也相應(yīng)被均勻增強，經(jīng)長距離傳輸，在接收端仍能得到高質(zhì)量探測信號。所述的超窄線寬激光器I線寬2-5KHZ，頻率穩(wěn)定性彡4MHz/min ;所述的強度調(diào)制器2可以用聲光調(diào)制器(AOM)或電光調(diào)制器(Ε0Μ)，調(diào)制器消光比彡35dB ;所述的摻鉺光纖放大器(EDFA) 4為脈沖放大型；所述的環(huán)形器5為能承受 200w脈沖峰值功率的三端ロ大功率環(huán)形器；所述的探測光纖6為普通單模光纖；所述的拉曼放大系統(tǒng)7中使用的布拉格光纖光柵對②參數(shù)一致，中心反射波長均為1455nm，反射率>80% ;所述的數(shù)據(jù)采集卡10單通道采樣率彡50MHz ο作為本發(fā)明的實施例ニ，采用雙向ニ階拉曼放大多段級聯(lián)結(jié)構(gòu)，對整個系統(tǒng)探測光路進(jìn)行分段放大，實現(xiàn)低成本高性能的超長距離Φ-OTDR系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示第I段探測光路前向放大用摻鉺光纖放大器(EDFA)4，后向放大用1366nm拉曼泵浦①，由于后向ニ階拉曼放大長距離范圍內(nèi)增益不平坦，因此，這里第I段探測光纖長度一般比其他段要短，為20-30km比較合適；其他各段探測光路均通過拉曼泵浦進(jìn)行前向和后向雙向放大，每段光纖距離均> 70km ;每段探測光纖連接處，使用一個1366nm拉曼泵浦通過一個50/50耦合器和一對波分復(fù)用器分別構(gòu)成前段光路后向放大與后段光路前向放大的泵浦源；這樣用N個拉曼泵浦源即可實現(xiàn)N段探測光路的雙向二階拉曼放大和級聯(lián)。所述雙向二階拉曼放大級聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)包括1366nm拉曼泵浦①、布拉格光纖光柵(FBG)對②、1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)③、光隔離器④、50/50耦合器⑤等主要器件。1366nm拉曼泵浦①用于產(chǎn)生拉曼泵浦源，當(dāng)泵浦功率大于一定閾值，會產(chǎn)生一階斯托克斯光，波長在1455nm附近；布拉格光纖光柵(FBG)對②，中心反射波長為1455nm,反射率>80%，熔接在探測光纖6兩端構(gòu)成一個長距離激光諧振腔，用于激射1455nm的二階拉曼泵浦光，直接放大1550nm探測信號光；1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)③用于將探測光纖6中的1550nm探測信號光和1366nm拉曼泵浦①的信號分開或匯合；光隔離器④用于隔離光路中由于器件反射、光纖散射等因素返回到1366nm拉曼泵浦①的泵浦光，避免對1366nm拉曼泵浦①的損壞；50/50耦合器⑤用于將1366nm拉曼泵浦①輸出的光分成等功率的兩束 泵浦光，分別作為探測光纖6的前向和后向放大的泵浦源。采用多段級聯(lián)實現(xiàn)相敏光時域反射系統(tǒng)超長距離傳感，每一段光路如L1, L2,…，1^等雙向二階拉曼放大所采用的1366nm拉曼泵浦、隔離器、耦合器、波分復(fù)用器(WDM)、布拉格光纖光柵(FBG)對、探測光纖等都具有相同的參數(shù)。該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)不變，僅通過增加布拉格光纖光柵(FBG)對，改變拉曼泵浦源的工作波長即可實現(xiàn)雙向三階或高階拉曼分布式放大方法，實現(xiàn)更長距離、全程瑞利散射信號增益分布更均勻的高性能相敏光時域反射系統(tǒng)。作為本發(fā)明的實施例三，在雙向二階拉曼放大多段級聯(lián)基礎(chǔ)上，構(gòu)建雙向三階拉曼放大多段級聯(lián)的系統(tǒng)。每段探測光纖中1455nm的布拉格光纖光柵(FBG)外側(cè)再熔接一對1365nm的布拉格光纖光柵(FBG)對,分別熔接在探測光纖兩端作為二階拉曼泵浦的諧振腔，原來1455nm布拉格光纖光柵(FBG)對之間則構(gòu)成三階拉曼泵浦的諧振腔；此外拉曼泵浦源的工作波長也由1366nm改為1288nm或1288nm附近，波分復(fù)用器的工作波長相應(yīng)改為1550nm/1288nm，波分復(fù)用器的一路工作波長始終與使用的拉曼泵浦源工作波長一致。所述的雙向三階拉曼放大系統(tǒng)包括1288nm拉曼泵浦①、中心波長為1365nm的布拉格光纖光柵(FBG)對②、中心波長為1455nm的布拉格光纖光柵(FBG)對③、1366nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)④、光隔離器⑤、50/50耦合器⑥等主要器件。1288nm拉曼泵浦①用于產(chǎn)生拉曼泵浦源，當(dāng)泵浦功率大于一定閾值，會產(chǎn)生一階斯托克斯光，波長在1365nm附近；中心反射波長為1365nm，反射率>80%的布拉格光纖光柵(FBG)對②，熔接在探測光纖兩端構(gòu)成第一個長距離激光諧振腔，用于激射1365nm的二階拉曼泵浦光，作為三階拉曼放大的泵浦源；在1365nm的布拉格光纖光柵(FBG)對內(nèi)側(cè)熔接分別熔接1455nm的布拉格光纖光柵(FBG)對③，構(gòu)成第二個長距離激光諧振腔，用于激射1455nm三階拉曼泵浦光，直接放大1550nm的探測信號光；1288nm/1550nm波分復(fù)用器(WDM)④用于將探測光纖中的1550nm探測信號光和1288nm拉曼泵浦①的信號分開或匯合；光隔離器⑤用于隔離光路中由于器件反射、光纖散射等因素返回到1288nm拉曼泵浦①的泵浦光，避免對1288nm拉曼泵浦①的損壞；50/50耦合器⑥用于將1288nm拉曼泵浦①輸出的光分成等功率的兩束泵浦光，分別作為探測光纖的前向和后向放大的泵浦源。采用多段級聯(lián)實現(xiàn)相敏光時域反射系統(tǒng)超長距離傳感，每一段光路如L1, L2,…，Ln等，雙向N階拉曼放大所采用的拉曼泵浦、隔離器、耦合器、波分復(fù)用器(WDM)、布拉格光纖光柵(FBG)對、探測光纖等都具有相同的參數(shù)。針對雙向N階拉曼放大，依次類推，繼續(xù)通過增加布拉格光纖光柵(FBG)對來增加N階拉曼泵浦的諧振腔，此外拉曼泵浦源的工作波長也相應(yīng)調(diào)整，但整個系統(tǒng)單段雙向拉曼放大或級聯(lián)結(jié)構(gòu)基本不變。本發(fā)明實施例中列舉的是基于雙向ニ階和三階拉曼放大多段級聯(lián)的相敏光時域反射系統(tǒng)，但基于雙向高階拉曼放大單段和多段級聯(lián)的相敏光時域反射系統(tǒng)，以及基于該結(jié)構(gòu)的各種長距離分布式振動測量應(yīng)用系統(tǒng)也屬于該發(fā)明內(nèi)容的保護(hù)范圍?！?br> 權(quán)利要求
1.一種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，包括Φ-OTDR解調(diào)系統(tǒng)及探測光纖，其特征在于所述探測光纖前端和后端分別具有前向放大單元和后向放大單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，其特征在于所述前向放大單元和后向放大單元均由拉曼泵浦、光隔離器、波分復(fù)用器依次連接構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，其特征在于所述探測光纖的前端和后端均設(shè)置有布拉格光纖光柵，構(gòu)成布拉格光纖光柵對，形成激光調(diào)諧腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，其特征在于所述布拉格光纖光柵對具有ー組或多組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，其特征在于具有多段探測光纖形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，其特征在于相鄰兩段探測光纖的相鄰端通過ー個50/50耦合器共用拉曼泵浦和光隔離器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 6任一項所述的一種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，其特征在于所述Φ-OTDR解調(diào)系統(tǒng)由超窄線寬激光器、強度調(diào)制器、波形發(fā)生卡、摻鉺光纖放大器；環(huán)形器、光學(xué)濾波器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)，包括Φ-OTDR解調(diào)系統(tǒng)及探測光纖，所述探測光纖前端和后端分別具有前向放大單元和后向放大單元。利用雙向二階或雙向多階拉曼放大方法對Φ-OTDR系統(tǒng)探測信號光進(jìn)行分布式放大，進(jìn)一步提高全程光纖上瑞利散射信號強度及分布的均勻性，有效克服目前Φ-OTDR系統(tǒng)放大方法存在的問題，進(jìn)一步延長系統(tǒng)單段探測光纖的傳感距離，同時利用雙向拉曼放大多段級聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本高性能的超長距離相敏光時域反射系統(tǒng)。該發(fā)明方法有助于提高相敏光時域反射系統(tǒng)在油氣輸送管道、大范圍周界、大型土木結(jié)構(gòu)等長距離安全監(jiān)測應(yīng)用時的整體性能及性價比。
文檔編號G01H9/00GK102706437SQ20121019333
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者吳慧娟, 王杰, 賈新鴻, 饒云江 申請人:揚州森斯光電科技有限公司