專利名稱：多波長布里淵光時域分析儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于多波長光源的布里淵光時域分析儀，用于光纖傳感、光纜健康監(jiān)測領域的布里淵光時域分析儀。
背景技術：
全分布式光纖傳感技術以整條光纖為傳感元件，利用光纖中的散射現(xiàn)象，可實現(xiàn)對傳感光纖上待測物理量(應變、溫度等)隨時間和空間變化的連續(xù)分布測量。BOTDA(Brillouin optical time-domain analysis,布里淵光時域分析儀)是一種基于受激布里淵放大效應的分布式光纖傳感系統(tǒng)，由于布里淵光時域分析儀具有傳感距離長、靈敏度高、測量精度高等優(yōu)點，已經(jīng)在很多結構監(jiān)測中得到了應用。傳統(tǒng)的基于直接探測的BOTDA都使用單波長窄線寬光源，其探測光和泵浦光都只是單波長的光信號。在損耗型BOTDA中，連續(xù)泵浦光的頻率比探測脈沖光的頻率高，兩者的頻率差約為被測光纖的布里淵頻移(約11GHz)。探測脈沖光與連續(xù)泵浦光分別從光纖的兩端注入，由于受激布里淵放大作用，連續(xù)泵浦光的一部分能量通過振動的聲場轉(zhuǎn)移給探測脈沖光。利用 OTDR技術(Optical fiber time-domain reflectometer,光時域反射)，通過檢測連續(xù)泵浦光功率的變化，可得到光纖沿線能量轉(zhuǎn)移的大小。由于能量轉(zhuǎn)移的大小與兩個光波之間的頻率差有關，并且當兩者的頻率差為光纖的布里淵頻移時，能量轉(zhuǎn)移最大。通過主動改變兩個光波的頻率差，并記錄每個頻率差下的能量轉(zhuǎn)移大小，便可得到光纖沿線的布里淵增益譜，通過洛倫茲擬合得到布里淵譜的峰值頻率，其對應布里淵頻移。通過對比光纖中不同位置的布里淵頻移，依據(jù)布里淵頻移與應變或溫度的線性關系，可獲得光纖上連續(xù)分布的應變與溫度狀況，實現(xiàn)分布式光纖傳感和健康監(jiān)測。信噪比(SNR)是BOTDA的重要參數(shù)，它決定了系統(tǒng)的動態(tài)范圍和測量精度。信噪比的提升主要通過提升探測脈沖光和連續(xù)泵浦光功率，以及增加累加平均的測量次數(shù)來實現(xiàn)。但由于光纖中非線性效應的限制，入射到被測光纖中的光功率應低于受激布里淵閾值；另外增加平均次數(shù)不僅會帶來測量時間的增加，而且平均次數(shù)超過一定數(shù)量后，即使再增加也不會對信噪比的提升有明顯的幫助。故系統(tǒng)信噪比的提升在上述兩個方面都會受到制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對背景技術中存在的缺陷，提出一種基于多波長光源的布里淵光時域分析儀，該布里淵光時域分析儀使用具有相等微小波長間隔的多個波長的探測脈沖光與多個波長的連續(xù)泵浦光，每個波長的探測光與相應的泵浦光一一對應，相互間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使得探測到的光功率提高，進而使得系統(tǒng)采集到的探測光信號的信噪比高于單波長系統(tǒng)的信噪比。本發(fā)明為解決以上技術問題，采用的技術方案如下所述:—種多波長布里淵光時域分析儀，包括多波長激光器、耦合器、探測脈沖光路、連續(xù)泵浦光路、探測器和信號采集處理器；其中，所述探測脈沖光路包括探測脈沖光調(diào)制單元、第一摻鉺光纖放大器、第一環(huán)形器，所述連續(xù)泵浦光路包括連續(xù)泵浦光調(diào)制單兀、第二摻鉺光纖放大器、第二環(huán)形器、布拉格光柵、擾偏器；多波長激光器發(fā)出頻率為U !, U J+Δ U ,..., U !+(N-1) Δ υ的連續(xù)光，Δ υ為頻率間隔，N為波長數(shù)，N為自然數(shù)；該連續(xù)光經(jīng)耦合器分別輸入探測脈沖光路、連續(xù)泵浦光路；其中:在探測脈沖光路上，所述連續(xù)光經(jīng)探測脈沖光調(diào)制單元被調(diào)制成多波長探測脈沖光，該多波長探測脈沖光經(jīng)過第一摻鉺光纖放大器放大后，經(jīng)第一環(huán)形器注入被測傳感光纖的一端；在連續(xù)泵浦光路上，所述連續(xù)光經(jīng)連續(xù)泵浦光調(diào)制單元進行雙邊帶調(diào)制獲得頻率上移與下移Us的連續(xù)光，即該調(diào)制后的連續(xù)光頻率為u JAuius，…，υ !+(N-1) Δ u ± Us ; Us的初始值設定為室溫和松弛狀態(tài)下光纖對應的布里淵頻移，可通過改變泵浦光調(diào)制單元的調(diào)制頻率改變Us的值；調(diào)制后的連續(xù)泵浦光經(jīng)過第二環(huán)形器和布拉格光柵組成的濾波單元來濾除頻率比探測脈沖光頻率低的波長成分，得到頻率為U !+ Us, U1+Λ υ + υ5,..., υ !+(N-1) Δ u + u s的連續(xù)泵浦光，該泵浦光經(jīng)過擾偏器后，注入被測傳感光纖的另一端；在被測傳感光纖中，N對探測脈沖光與連續(xù)泵浦光分別發(fā)生相互作用，相互作用后連續(xù)光的信號經(jīng)第一環(huán)形器輸出到探測器上，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換后，送入信號采集處理器，得到光纖上布里淵散射譜中某一頻率對應的時域蹤跡；通過等間隔的改變Us，獲得整個被測傳感光纖上的布里淵散射譜，進而獲得光纖上的溫度和應變分布。作為本發(fā)明的一種多波長布里淵光時域分析儀的進一步優(yōu)化，所述探測脈沖光調(diào)制單元包括脈沖發(fā)生器和光調(diào)制器，其中，所述脈沖發(fā)生器與光調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端相連，光調(diào)制器為電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器。作為本發(fā)明的一種多波長布里淵光時域分析儀的進一步優(yōu)化，所述連續(xù)泵浦光調(diào)制單元包括微波源和電光調(diào)制器，其中所述微波源與電光調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端連接，用于控制連續(xù)泵浦光調(diào)制單 元所需的頻移Us的大小。作為本發(fā)明的一種多波長布里淵光時域分析儀的進一步優(yōu)化，所述探測器是帶寬約為幾百兆赫茲的常規(guī)中頻探測器。作為本發(fā)明的一種多波長布里淵光時域分析儀的進一步優(yōu)化，所述信號采集處理器是示波器或頻譜儀，或者是由采集卡與計算機組成的裝置。作為本發(fā)明的一種多波長布里淵光時域分析儀的進一步優(yōu)化，所述多波長激光器發(fā)出的連續(xù)光的頻率間隔Λ υ所對應的波長的范圍是
。作為本發(fā)明的一種多波長布里淵光時域分析儀的進一步優(yōu)化，所述Us的取值范圍和被測量溫度與應變范圍有關；若室溫Ttl和松弛狀態(tài)^下光纖的布里淵頻移為UB(|，被測溫度為Ttl+AT，則Us的取值范圍為:[ υΒ0+ΛΤ.1MHz/。C-lOOMHz, u Β0+Λ T.1MHz/。C+1OOMHz];被測應變?yōu)棣?0+Δ ε，則us的取值范圍為:[ υ Β(ι+ Δ ε.5 X 104ΜΗζ_100ΜΗζ, υΒ0+Δ ε.5 X 104ΜΗζ+100ΜΗζ]。本發(fā)明采用以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比的有益效果是:本發(fā)明提出一種新型的基于多波長光源的布里淵光時域分析儀，通過增加探測脈沖光和連續(xù)泵浦光的波長數(shù)量，可在不引起受激布里淵散射的前提下增加進入光纖的總光功率，可有效提高系統(tǒng)信噪比。同時可使測量效率得到提高，即在一次傳統(tǒng)單波長方法的測量時間內(nèi)，可獲得多次測量的累加效果。對一定的傳感距離，縮短了測量時間；對一定的測量時間，提高了傳感范圍。


圖1是本發(fā)明的基于多波長光源的布里淵光時域分析儀的方法示意圖。圖2是本發(fā)明的基于多波長光源的布里淵光時域分析儀的裝置原理圖。圖3是本發(fā)明具體實施例的工作原理圖。圖4是本發(fā)明具體實施例的單波長、三波長布里淵光功率測量結果對比圖。

圖5是本發(fā)明具體實施例的單波長、三波長布里淵頻移的測量結果對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步詳細的說明。首先，如圖1所示，為本發(fā)明的基于多波長光源的布里淵光時域分析儀的方法示意圖，多波長激光光源發(fā)出頻率為U1, υ1+Δ υ,..., υ1+(N-1) Δ υ的激光光源，該激光光源被分為兩路:—路經(jīng)過脈沖調(diào)制成為多波長探測脈沖光,其頻率為U1, υ j+Δ υ ,..., υ !+(N-1)Δ u，從被測光纖的一端注入。另一路被調(diào)制成多波長連續(xù)泵浦光，每個波長的光都得到Us的頻率上移，所以多波長連續(xù)泵浦光的頻率為U1+!^, υ J+Δ υ + υ5,..., υ !+(N-1) Δ u + u s，從被測光纖的另
一端注入。在被測光纖中，多個探測脈沖光與其對應的連續(xù)泵浦光相互作用，頻率較高的連續(xù)泵浦光將向頻率較低的探測脈沖光發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，當二者的頻率差為布里淵頻移Ub時，能量轉(zhuǎn)移量達到最大。采用探測器直接檢測相互作用后連續(xù)泵浦光的信號，等同于使用單波長進行N次探測的累加信號。本發(fā)明的基于多波長光源的布里淵光時域分析儀包括如下特征:1、多波長探測光與多波長泵浦光的波長間隔相等，且波長間隔小于0.1nm ；2、采用多波長激光光源，被測光纖的一端注入多波長探測脈沖光，其波長與多波長激光光源相同；3、被測光纖的另一端注入多波長連續(xù)泵浦光，其波長為對多波長激光光源的頻率進行調(diào)制得到；4、多波長探測脈沖光的每一個波長的布里淵增益譜內(nèi)只有一個對應波長的連續(xù)泵浦光，使得多波長探測光與多波長泵浦光之間的每一對能量轉(zhuǎn)移的相互作用相互獨立，不發(fā)生額外的耦合或非線性效應；5、探測器的帶寬只需滿足脈寬決定的空間分辨率的要求。多波長探測脈沖光與多波長連續(xù)泵浦光在傳感光纖中相向傳輸，產(chǎn)生受激布里淵放大效應，連續(xù)泵浦光的部分能量轉(zhuǎn)移到探測脈沖光，探測器直接探測連續(xù)光的功率?；谝陨瞎ぷ髟?，本發(fā)明提出一種基于多波長光源的布里淵光時域分析儀，如圖2所示，包括I個多波長激光器、I個耦合器、I個探測脈沖光調(diào)制單元、I個連續(xù)泵浦光調(diào)制單元、2個摻鉺光纖放大器(EDFA)、2個環(huán)形器、I個布拉格光柵(FBG)U個擾偏器、I個探測器和I個信號采集處理器。具體工作時，多波長激光器發(fā)出的連續(xù)光(頻率為^1, υ1+Δ υ,..., υ1+(N-1) Δ υ )經(jīng)耦合器分為兩路:一路為探測脈沖光路，另一路為連續(xù)泵浦光路。其中，在探測脈沖光路上連續(xù)光經(jīng)探測脈沖光調(diào)制單元調(diào)制成脈沖光(頻率為U1, υ1+Δ υ, -, υ1+(N-1) Δ υ )，多波長探測脈沖光經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大，經(jīng)環(huán)形器注入傳感光纖。在連續(xù)泵浦光路上，經(jīng)連續(xù)泵浦光調(diào)制單元雙邊帶調(diào)制獲得頻率上移與下移的連續(xù)光(頻率為Ui±us, υ i+Δ u ± us,…，u ^ (N-1) Δ υ ± u s)。調(diào)制后的連續(xù)光經(jīng)過一個由環(huán)形器和布拉格光柵組成的濾波單元來濾除頻率比探測脈沖光頻率低的波長成分，得到頻率為u ^ us, υ j+Δ u + us,..., υ !+(N-1) Δ u+ us的連續(xù)泵浦光，以構成損耗型的B0TDA，并且可以有效濾除放大器產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲(ASE)。探測光經(jīng)過一個擾偏器，來降低偏振噪聲的影響，然后注入傳感光纖的另一端。在被測光纖中，N對探測脈沖光與連續(xù)泵浦光分別產(chǎn)生受激布里淵散射，連續(xù)泵浦光經(jīng)環(huán)形器輸出到探測器上，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換后，送入信號采集處理器，可得到光纖上布里淵散射譜中某一頻率對應的時域蹤跡。通過等間隔的改變υ S，可獲得整個光纖上的布里淵散射譜，進而獲得光纖上的溫度和應變分布。關于信噪比提升與波長數(shù)N的關系，如下式所示:
權利要求
1.一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:包括多波長激光器、耦合器、探測脈沖光路、連續(xù)泵浦光路、探測器和信號采集處理器；其中，所述探測脈沖光路包括探測脈沖光調(diào)制單元、第一摻鉺光纖放大器、第一環(huán)形器，所述連續(xù)泵浦光路包括連續(xù)泵浦光調(diào)制單元、第二摻鉺光纖放大器、第二環(huán)形器、布拉格光柵、擾偏器；多波長激光器發(fā)出頻率為U !, U J+Δ U ,..., U !+(N-1) Δ U的連續(xù)光，Δ υ為頻率間隔，N為波長數(shù)，N為自然數(shù)；該連續(xù)光經(jīng)耦合器分別輸入探測脈沖光路、連續(xù)泵浦光路；其中: 在探測脈沖光路上，所述連續(xù)光經(jīng)探測脈沖光調(diào)制單元被調(diào)制成多波長探測脈沖光，該多波長探測脈沖光經(jīng)過第一摻鉺光纖放大器放大后，經(jīng)第一環(huán)形器注入被測傳感光纖的一端; 在連續(xù)泵浦光路上，所述連續(xù)光經(jīng)連續(xù)泵浦光調(diào)制單元進行雙邊帶調(diào)制獲得頻率上移與下移Us的連續(xù)光，即該調(diào)制后的連續(xù)光頻率為u i+Δ u ± us,…，υ !+(N-1)Λ u ± Us ; Us的初始值設定為室溫和松弛狀態(tài)下光纖對應的布里淵頻移，可通過改變連續(xù)泵浦光調(diào)制單元的調(diào)制頻率改變Us的值；調(diào)制后的連續(xù)泵浦光經(jīng)過第二環(huán)形器和布拉格光柵組成的濾波單元來濾除頻率比探測脈沖光頻率低的波長成分，得到頻率為U !+ Us, U1+Λ υ + υ5,..., υ !+(N-1) Δ u + u s的連續(xù)泵浦光，該泵浦光經(jīng)過擾偏器后，注入被測傳感光纖的另一端； 在被測傳感光纖中，N對探測脈沖光與連續(xù)泵浦光分別發(fā)生相互作用，相互作用后連續(xù)光的信號經(jīng)第一環(huán)形器輸出到探測器上，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換后，送入信號采集處理器，得到光纖上布里淵散射譜中某一頻率對應的時域蹤跡；通過等間隔的改變Us，獲得整個被測傳感光纖上的布里淵散射譜，進而獲得光纖上的溫度和應變分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:所述探測脈沖光調(diào)制單元包括脈沖發(fā)生器和光調(diào)制器，其中，所述脈沖發(fā)生器與光調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端相連，所述光調(diào)制器為電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器。
3.根據(jù)權利要求1所述 的一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:所述連續(xù)泵浦光調(diào)制單元包括微波源和電光調(diào)制器，其中所述微波源與電光調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端連接，用于控制連續(xù)泵浦光調(diào)制單元所需的頻移Us的大小。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:所述探測器是帶寬約為幾百兆赫茲的常規(guī)中頻探測器。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:所述信號采集處理器是示波器或頻譜儀，或者是由采集卡與計算機組成的裝置。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:所述多波長激光器發(fā)出的連續(xù)光的頻率間隔Λ υ所對應的波長范圍是
。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種多波長布里淵光時域分析儀，其特征在于:所述us的取值范圍和被測量溫度與應變范圍有關，具體如下: 若室溫Ttl和松弛狀態(tài)Stl下光纖的布里淵頻移為Ubci，被測溫度為Ttl+AT，則Us的取值范圍為:[υ Β(ι+ Δ T.1MHz/。C-1OOMHz, υ Β0+ Δ T.1MHz/。C+100MHz]； 被測應變?yōu)棣?,Δ ε，則us的取值范圍為:[υ Β(ι+ Δ ε.5Χ104ΜΗζ-100ΜΗζ, υΒ0+Δ ε.5X 104ΜΗζ+100ΜΗζ]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多波長布里淵光時域分析儀，包括多波長激光器、耦合器、探測脈沖光路、連續(xù)泵浦光路、探測器和信號采集處理器；其中，所述探測脈沖光路包括探測脈沖光調(diào)制單元、第一摻鉺光纖放大器、第一環(huán)形器，所述連續(xù)泵浦光路包括連續(xù)泵浦光調(diào)制單元、第二摻鉺光纖放大器、第二環(huán)形器、布拉格光柵、擾偏器；多波長激光器發(fā)出連續(xù)光，該連續(xù)光經(jīng)耦合器分別輸入探測脈沖光路、連續(xù)泵浦光路；本發(fā)明通過增加探測光及泵浦光的波長數(shù)量，可在不引起受激布里淵散射的前提下增加進入光纖的總光功率，可有效提高系統(tǒng)信噪比。同時可使測量效率得到提高，對一定的傳感距離，縮短了測量時間；對一定的測量時間，提高了傳感范圍。
文檔編號G01D3/036GK103115632SQ20131002747
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權日2013年1月24日
發(fā)明者路元剛, 張旭蘋, 王雪, 李存磊 申請人:南京大學(蘇州)高新技術研究院, 南京大學