基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置的製作方法

2023-04-26 01:17:41 1

專利名稱：基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及布裡淵光時域反射計的裝置。
背景技術：
布裡淵散射是一種非彈性散射效應，當一束泵浦光正向入射到光纖中時，光纖中的背向自發布裡淵散射包含上頻移的反斯託克斯成分和下頻移的斯託克斯成分，它們對稱分布在泵浦光頻率的兩側，它們與泵浦光之間的頻率差稱之為布裡淵頻移。研究發現布裡淵頻移是溫度和應變的函數，也就是說光纖所處的環境溫度和所受應變發生變化會導致布裡淵頻移變化，因此通過測量布裡淵光譜可以實現溫度和應變的測量。
布裡淵光時域反射計(BOTDR)可以實現光纖上任意位置的布裡淵光譜的測量，從而實現分布式光纖溫度/應變傳感，它可以應用於土木工程行業中大型建築物的結構健康監測、電力行業中電纜溫度和受力監測、油氣工業中油氣管線和存儲罐的溫度和變形監測以及各種火災監測等。布裡淵光時域反射計的工作原理是把一個泵浦脈衝光注入到傳感光纖中，通過測量背向的自發布裡淵散射來獲得傳感光纖每個位置上的布裡淵光譜，定位原理是根據泵浦脈衝光和背向散射光的飛行時間來確定的。因為自發布裡淵散射強度非常微弱，所以如何檢測如此微弱的信號是實現布裡淵光時域反射計的難點。為了提高檢測靈敏度，一般採用相干檢測技術，為此需要引入一束本地振蕩光與布裡淵散射信號進行混頻。如果採用分出一部分泵浦光作為本地振蕩光的話，那麼混頻後的信號頻率大約為十幾GHz，為了對這個信號進行處理需要價格昂貴且結構複雜的頻率為十幾GHz左右的微波信號發生器。中國專利201010505382. 5提出採用布裡淵光纖環形雷射器輸出的雷射作為本地振蕩光，由於布裡淵雷射的頻率比泵浦光低一個布裡淵頻移，因此混頻後的信號頻率可以從十幾GHz左右降到幾百MHz，降低了信號處理難度，然而布裡淵光纖環形雷射器的輸出不穩定，而且輸出頻率不能調諧，導致測量精度低和針對不同的傳感光纖適應性差的問題。中國專利201010604834. 5提出採用微波計數器鎖定兩臺分布反饋式半導體雷射器，其中一臺作為泵浦光，另一臺雷射器的頻率鎖定到布裡淵散光頻率附近，這樣就可以把信號從十幾GHz左右降到幾百MHz來處理，雖然微波計數器可以實現兩臺雷射器穩定的頻率鎖定，然而微波頻率計數器的價格仍然較高、結構複雜、體積較大。此外，以上兩個專利中本地振蕩光的頻率都是固定的，因此在電信號處理的時候需要中心頻率可調的電濾波器來實現布裡淵光譜的掃描和測量，存在電信號處理複雜的問題。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有布裡淵光纖環形雷射器的輸出不穩定且輸出頻率不能調諧，導致測量精度低；本地振蕩光的頻率固定，在電信號處理的時候需要中心頻率可調的電濾波器來實現布裡淵光譜的掃描和測量，存在電信號處理複雜的問題，提供一種基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置。
基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，它由一號雷射器、二號雷射器、一號光纖耦合器、二號光纖耦合器、三號光纖耦合器、四號光纖耦合器、鎖相環模塊、電光調製器、擾偏器、環形器、光學衰減器、一號摻鉺光纖放大器、二號摻鉺光纖放大器、光學濾波器、雙平衡探測器、帶通電濾波器、數據採集模塊、探測放大模塊和脈衝發生器組成，一號雷射器的輸出端與一號光纖I禹合器的光信號輸入端連通，一號光纖I禹合器的光信號輸出端同時與電光調製器和三號光纖耦合器的光信號輸入端連通，二號雷射器的輸出端與二號光纖耦合器的光信號輸入端連通，二號光纖耦合器的光信號輸出端同時與光學衰減器和三號光纖耦合器的光信號輸入端連通，三號光纖耦合器的光信號輸出端與探測放大模塊的光信號輸入端連通，探測放大模塊的電信號輸出端與鎖相環模塊的電信號輸入端連通，鎖相環模塊的控制信號輸出端與二號雷射器的注入電流控制端連通，脈衝發生器的脈衝信號輸出端與電光調製器的脈衝信號輸入端連通，電光調製器的光信號輸出端與擾偏器的光信號輸入端連通，擾偏器的光信號輸出端與一號摻鉺光纖放大器的光信號輸入端連通，環形器包括一號光信號埠、二號光信號埠和三號光信號埠，一號摻鉺光纖放大器的光信號輸出端與環形器的一號光信號埠連通，環形器的三號光信號埠與二號摻鉺光纖放大器的光信號輸入端連通，環形器的二號光信號輸出\輸入埠與待測光纖的輸入\輸出端連通；二號摻鉺光纖放大器的光信號輸出端與光學濾波器的光信號輸入端連通，光學濾波器的光信號輸出端與四號光纖耦合器的一個光信號輸入端連通，光學衰減器的光信號輸出端與四號光 纖耦合器的另一個光信號輸入端連通，四號光纖耦合器的二個輸出端分別與雙平衡探測器的二個光信號輸入端連通，雙平衡探測器的信號輸出端與帶通電濾波器的信號的輸入端連通，帶通電濾波器的信號輸出端與數據採集模塊的採集信號輸入端連通。本發明提出的光學鎖相環提供兩臺雷射器之間精確地、快速的、大範圍的頻率差鎖定，為布裡淵光時域反射計提供一個穩定的本地振蕩光；光學鎖相環中使用分頻技術把混頻後的信號從十幾GHz降到幾十到幾百MHz，從而可以使用較低頻的器件和參考信號源，極大地降低成本，簡化系統；通過掃描本地振蕩光頻率的方法測量布裡淵光譜，因而在電信號處理的時候不需要中心頻率可調的電濾波器，解決了電信號處理複雜的問題。


圖I為本發明的組成結構示意圖，圖2為實施方式二的鎖相環模塊的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖I說明本實施方式，本實施方式所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，它由一號雷射器1-1、二號雷射器1-2、一號光纖耦合器2-1、二號光纖稱合器2-2、三號光纖稱合器2-3、四號光纖稱合器2-4、鎖相環模塊3、電光調製器
4、擾偏器5、環形器6、光學衰減器7、一號摻鉺光纖放大器8-1、二號摻鉺光纖放大器8-2、光學濾波器9、雙平衡探測器10、帶通電濾波器11、數據採集模塊12、探測放大模塊13和脈衝發生器14組成,一號雷射器1-1的輸出端與一號光纖稱合器2-1的光信號輸入端連通，一號光纖稱合器2-1的光信號輸出端同時與電光調製器4和三號光纖稱合器2-3的光信號輸入端連通，二號雷射器1-2的輸出端與二號光纖稱合器2-2的光信號輸入端連通,二號光纖率禹合器2-2的光信號輸出端同時與光學衰減器7和三號光纖稱合器2-3的光信號輸入端連通，三號光纖耦合器2-3的光信號輸出端與探測放大模塊13的光信號輸入端連通，探測放大模塊13的電信號輸出端與鎖相環模塊3的電信號輸入端連通，鎖相環模塊3的控制信號輸出端與二號雷射器1-2的注入電流控制端連通,脈衝發生器14的脈衝信號輸出端與電光調製器4的脈衝信號輸入端連通，電光調製器4的光信號輸出端與擾偏器5的光信號輸入端連通，擾偏器5的光信號輸出端與一號摻鉺光纖放大器8-1的光信號輸入端連通,環形器6包括一號光信號埠 6-1、二號光信號埠 6-2和三號光信號埠 6-3,—號摻鉺光纖放大器8-1的光信號輸出端與環形器6的一號光信號埠 6-1連通,環形器6的三號光信號埠 6-3與二號摻鉺光纖放大器8-2的光信號輸入端連通,環形器6的二號光信號輸出\輸入埠 6-2與待測光纖的輸入\輸出端連通；二號摻鉺光纖放大器8-2的光信號輸出端與光學濾波器9的光信號輸入端連通,光學濾波器9的光信號輸出端與四號光纖I禹合器
2-4的一個光信號輸入端連通，光學衰減器7的光信號輸出端與四號光纖耦合器2-4的另一個光信號輸入端連通，四號光纖耦合器2-4的二個輸出端分別與雙平衡探測器10的二個光信號輸入端連通，雙平衡探測器10的信號輸出端與帶通電濾波器11的信號的輸入端連通，帶通電濾波器11的信號輸出端與數據採集模塊12的採集信號輸入端連通。 本發明提出的光學鎖相環提供兩臺雷射器之間精確地、快速的、大範圍的頻率差鎖定，為布裡淵光時域反射計提供一個穩定的本地振蕩光；光學鎖相環中使用分頻技術把混頻後的信號從十幾GHz降到幾十到幾百MHz，從而可以使用較低頻的器件和參考信號源，極大地降低成本，簡化系統；通過掃描本地振蕩光頻率的方法測量布裡淵光譜，因而在電信號處理的時候不需要中心頻率可調的電濾波器，解決了電信號處理複雜的問題。
具體實施方式
二 結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，鎖相環模塊3由定向耦合器
3-1、分頻器3-2、相位/頻率鑑別器3-3、參考信號源3-4、環路濾波器3_5和頻率計數單元3-6組成,定向f禹合器3-1的電信號輸入端為鎖相環模塊3的電信號輸入端,定向I禹合器3-1的一個信號的輸出端與分頻器3-2的信號的輸入端連通，定向耦合器3-1的另一個信號的輸出端與頻率計數單元3-6的輸入端連通；分頻器3-2的信號的輸出端與相位/頻率鑑別器3-3的一個信號輸入端連通，參考信號源3-4的信號輸出端與相位/頻率鑑別器3-3的另一個信號輸入端連通，相位/頻率鑑別器3-3的信號輸出端與環路濾波器3-5的信號輸入端連通，環路濾波器3-5的信號輸出端為鎖相環模塊3的控制信號輸出端。定向耦合器3-1把拍頻信號一部分功率耦合出來用於實時監測兩臺雷射器的頻率差，另一部分信號接分頻器，分頻器的功能是對拍頻信號進行降頻，其輸出頻率等於拍頻信號的頻率除以分頻器的分頻比N。相位/頻率鑑別器通過比較分頻器輸出的信號和參考信號後給出一個誤差信號，誤差信號通過一個環路濾波器後加載到其中一臺雷射器的注入電流控制埠，當環路鎖定以後分頻器輸出信號的頻率就等於參考信號的頻率f；，兩臺雷射器之間的頻率差等於NXf；。由於拍頻信號的頻率大約為十幾GHz，對其直接處理難度較大，通過分頻器後可以把信號頻率降到幾百MHz，這樣就可以使用較低的低頻的器件來處理，而且，參考信號源的頻率也大為降低，從十幾GHz降到幾十到幾百MHz使成本降低、結構簡化。相位/頻率鑑別器具有較快的響應和較寬的帶寬，因此可以實現兩臺雷射器之間頻率差的快速鎖定和大範圍掃描，一般掃描範圍是8 12GHz。在頻率鎖定的兩臺雷射器中，其中一臺雷射器提供泵浦光，通過脈衝發生器和電光調製器獲得泵浦脈衝光，通過擾偏器隨機改變泵浦脈衝的偏振態，通過摻鉺光纖放大器把泵浦脈衝放大到所需的功率，再通過環形器與傳感光纖相連，後向散射的布裡淵信號通過環形器後被另一臺摻鉺光纖放大器放大，再通過一個窄帶光學濾波器濾除ASE噪聲和瑞利散射噪聲。另一臺雷射器提供連續的本地振蕩光，通過光學衰減器來獲得所需的功率，本地振蕩光和布裡淵散射信號輸入到50:50的四號光纖耦合器2-4進行混頻，並由雙平衡探測器探測，輸出的信號經過一個帶通電濾波器後由數據採集卡收集。把兩臺雷射器的頻率差鎖定到布裡淵頻移附近，通過掃描頻率差，就可以獲得傳感光纖上的布裡淵光譜。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號雷射器1-1和二號雷射器1-2均採用單頻窄線寬光纖雷射器、分布反饋式半導體雷射器或外腔式半導體雷射器。
具體實施方式
四本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號光纖耦合器2-1、二號光纖耦合器2-2和三號光纖耦合器2-3均採用保偏光纖型的光纖耦合器。
具體實施方式
五本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，四號光纖耦合器2-4採用單模光纖型的光纖耦合器。
具體實施方式
六本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號光纖耦合器2-1與二號光纖耦合器2-2的耦合比的值相同，所述耦合比的值範圍是95 :5和80 :20之間。
具體實施方式
七本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，分頻器3-2的分頻比N為8彡N彡200，IOGHz信號對應分頻比N的混頻後的信號範圍是1. 25GHz至100MHz。
具體實施方式
八本實施方式是對具體實施方式
一所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號雷射器1-1與二號雷射器1-2之間頻率差的鎖定範圍是8 12GHz。
權利要求
1.基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵是，它由一號雷射器(1-1)、二號雷射器(1-2)、一號光纖I禹合器(2-1)、二號光纖I禹合器(2-2)、三號光纖I禹合器(2-3)、四號光纖耦合器(2-4)、鎖相環模塊(3)、電光調製器(4)、擾偏器(5)、環形器(6)、光學衰減器(7)、一號摻鉺光纖放大器(8-1)、二號摻鉺光纖放大器(8-2)、光學濾波器(9)、雙平衡探測器(10)、帶通電濾波器(11)、數據採集模塊(12)、探測放大模塊(13)和脈衝發生器(14)組成，一號雷射器(1-1)的輸出端與一號光纖稱合器(2-1)的光信號輸入端連通，一號光纖率禹合器(2-1)的光信號輸出端同時與電光調製器(4)和三號光纖I禹合器(2-3)的光信號輸入端連通，二號雷射器(1-2)的輸出端與二號光纖耦合器(2-2)的光信號輸入端連通，二號光纖I禹合器(2-2)的光信號輸出端同時與光學衰減器(7)和三號光纖I禹合器(2-3)的光信號輸入端連通，三號光纖耦合器(2-3)的光信號輸出端與探測放大模塊(13)的光信號輸入端連通，探測放大模塊(13)的電信號輸出端與鎖相環模塊(3)的電信號輸入端連通，鎖相環模塊(3)的控制信號輸出端與二號雷射器(1-2)的注入電流控制端連通，脈衝發生器(14)的脈衝信號輸出端與電光調製器⑷的脈衝信號輸入端連通，電光調製器⑷的光信號輸出端與擾偏器(5)的光信號輸入端連通，擾偏器(5)的光信號輸出端與一號摻鉺光纖放大器(8-1)的光信號輸入端連通，環形器(6)包括一號光信號埠(6-1)、二號光信號埠(6-2)和三號光信號埠(6-3),—號摻鉺光纖放大器(8-1)的光信號輸出端與環形器(6)的一號光信號埠(6-1)連通,環形器(6)的三號光信號埠(6-3)與二號摻鉺光纖放大器(8-2)的光信號輸入端連通,環形器(6)的二號光信號輸出\輸入埠(6-2)與待測光纖的輸入\輸出端連通；二號摻鉺光纖放大器(8-2)的光信號輸出端與光學濾波器(9)的光信號輸入端連通，光學濾波器(9)的光信號輸出端與四號光纖耦合器(2-4)的一個光信號輸入端連通，光學衰減器(7)的光信號輸出端與四號光纖耦合器(2-4)的另一個光信號輸入端連通，四號光纖耦合器(2-4)的二個輸出端分別與雙平衡探測器(10)的二個光信號輸入端連通，雙平衡探測器(10)的信號輸出端與帶通電濾波器(11)的信號的輸入端連通，帶通電濾波器(11)的信號輸出端與數據採集模塊(12)的採集信號輸入端連通。
2.根據權利要求I所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，鎖相環模塊⑶由定向耦合器(3-1)、分頻器(3-2)、相位/頻率鑑別器(3-3)、參考信號源(3-4)、環路濾波器(3-5)和頻率計數單元(3-6)組成，定向耦合器(3-1)的電信號輸入端為鎖相環模塊(3)的電信號輸入端，定向I禹合器(3-1)的一個信號的輸出端與分頻器(3-2)的信號的輸入端連通，定向耦合器(3-1)的另一個信號的輸出端與頻率計數單元(3-6)的輸入端連通；分頻器(3-2)的信號的輸出端與相位/頻率鑑別器(3-3)的一個信號輸入端連通，參考信號源(3-4)的信號輸出端與相位/頻率鑑別器(3-3)的另一個信號輸入端連通，相位/頻率鑑別器(3-3)的信號輸出端與環路濾波器(3-5)的信號輸入端連通，環路濾波器(3-5)的信號輸出端為鎖相環模塊(3)的控制信號輸出端。
3.根據權利要求I所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，一號雷射器(1-1)和二號雷射器(1-2)均採用單頻窄線寬光纖雷射器、分布反饋式半導體雷射器或外腔式半導體雷射器。
4.根據權利要求I所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，一號光纖I禹合器(2-1)、二號光纖I禹合器(2-2)和三號光纖I禹合器(2-3)均米用保偏光纖型的光纖耦合器。
5.根據權利要求I所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，四號光纖耦合器(2-4)採用單模光纖型的光纖耦合器。
6.根據權利要求I所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，一號光纖耦合器(2-1)與二號光纖耦合器(2-2)的耦合比的值相同，所述耦合比的值範圍是95 :5和80 :20之間。
7.根據權利要求2所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，分頻器(3-2)的分頻比N為8彡N彡200，IOGHz信號對應分頻比N的混頻後的信號範圍是1. 25GHz 至 IOOMHz ο
8.根據權利要求2所述基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，其特徵在於，一號雷射器(1-1)與二號雷射器(1-2)之間頻率差的鎖定範圍是8 12GHz。
全文摘要
基於光學鎖相環的布裡淵光時域反射計的裝置，涉及布裡淵光時域反射計的裝置，它為了解決現有布裡淵光纖環形雷射器的輸出不穩定且輸出頻率不能調諧，導致測量精度低；本地振蕩光的頻率固定，在電信號處理的時候需要中心頻率可調的電濾波器來實現布裡淵光譜的掃描和測量，存在電信號處理複雜的問題，它由一號雷射器、二號雷射器、一號光纖耦合器、二號光纖耦合器、三號光纖耦合器、四號光纖耦合器、鎖相環模塊、電光調製器、擾偏器、環形器、光學衰減器、一號摻鉺光纖放大器、二號摻鉺光纖放大器、光學濾波器、雙平衡探測器、帶通電濾波器、數據採集模塊、探測放大模塊和脈衝發生器組成。適用於布裡淵光時域反射計的裝置。
文檔編號G01J3/28GK102809430SQ20121029978
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者董永康, 呂志偉 申請人:哈爾濱工業大學