基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置與方法
2023-05-21 23:00:16
基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置與方法
【專利摘要】一種基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方法，包括光脈衝信號產生單元（100），產生的光脈衝信號經擾偏器（106）後進入環形器（107）的第一個埠，從環形器的第二個埠進入到傳感光纖（108），脈衝信號光在傳感光纖108中的背向散射光經環形器的第三個埠進入到濾波器單元（109），濾波器單元（109）輸出的信號光與本振光單元（110）輸出的光經耦合器（117）耦合後進探測與信號處理單元（118）中，由探測和信號處理單元(118)對信號進行採集和處理；該布裡淵光時域反射儀傳感光纖採用的是單模傳感光纖，該傳感光纖是由多組不同布裡淵頻移組成的傳感光纖。
【專利說明】基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置與 方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置，以及一 種增加光纖布裡淵散射閾值的方法，主要應用於長距離連續分布式布裡淵光纖傳感等技術 領域。
【背景技術】
[0002] 在連續分布式光纖傳感中，以自發布裡淵散射為基礎的布裡淵光時域反射儀 (B0TDR)在各種結構安全的診斷和監測上有著非常重要的應用，B0TDR主要是利用光纖中 自發布裡淵散射光譜頻移量與光纖溫度和所受應力的線性關係來獲取光纖沿線溫度與應 力的分布情況。因為布裡淵光時域反射儀利用的是自發布裡淵散射，這就要求入射光不能 超過一定的閾值功率，如果注入光功率超過一定閾值的時候，布裡淵散射迅速增強，散射 就變成受激布裡淵散射，受激布裡淵散射將把絕大部分輸入光轉換為後向斯託克斯光，降 低了入射光的前向傳輸距離，限制了傳感的距離。傳感距離的增加，一方面需要高的注入 光功率，另一方面降低了布裡淵閾值，而布裡淵閾值的降低，又限制了傳感的距離。人們 對提高光纖布裡淵閾值做了一些研究，但設計的抑制布裡淵光纖主要是在短距離的布裡淵 光纖雷射器上。同時，對B0TDR而言，由於利用的自發布裡淵散射光比較弱，且在普通單模 光纖中對於1550nm的入射光，布裡淵頻移約為11GHz，所以利用直接探測的方法很難獲得 準確的布裡淵散射信號，這就帶來了較大的測量誤差。隨著探測器帶寬的增加，等效噪聲 功率值越大，即可探測到的最小功率越大，影響了 B0TDR系統的溫度和應變的解析度。此 夕卜，B0TDR系統的空間解析度受探測脈衝寬度和探測器的帶寬限制，要提高空間解析度必 須減小探測脈衝寬度，且需要增加探測器的帶寬，而探測器帶寬越寬，因此系統的空間分辨 率和溫度、應變的解析度難以同時提高。由於普通單模光纖自身結構的限制，使得在普通 單模光纖的受激布裡淵閾值較低，當發生受激布裡淵散射時，絕大部分入射光轉換成背向 散射光，這就影響了傳感的距離。為了增加傳感距離，必須提高探測信號的功率；而隨著 傳感距離的增加，受激布裡淵散射的閾值在降低，越容易產生受激布裡淵散射，這就限制 了 B0TDR中的傳感距離。路元剛等提出的發明專利，授權號：CN100504309C採用微波源和 電光調製器的方法降低了探測器的帶寬，但是，在微波段11GHz電子學檢測難度較大，而且 價格很昂貴。有的學者提出了取代相干檢測系統中的微波信號源的方案，2007年美國的 J. Geng(J. Geng, S. Staines, M. Blake, and S. Jiang, "Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering, "App. Opt. 46, 5928-5932, 2007)報導了一種不需要微波信號源的布裡淵時域 反射儀，其核心是利用一個布裡淵雷射器作為本振光，這種方法可以降低探測器的帶寬， 但是該本振光的系統比較複雜，而且必須採用另外一個高精度的微波源和電光調製器，微 波源和調製器的精度限制了系統的性能，也增加了系統的成本。2009年日本NTT公司的 D.Iida(D. Iida and F. Ito, "Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin optical time domain reflectometry using a reference Brillouin scattering beam, ，'App. Opt. 48, 4302-4309, 2009)報導了另外一種不需要微波源的布裡淵光時域反射儀，利用的是 一根與傳感光纖不同的光纖產生的布裡淵散射光作為本振光，通常在光纖中布裡淵散射光 (約30MHz)的線寬比一般的DFB雷射器的線寬（l-5MHz)寬好幾倍，由於本振光的線寬較寬 影響了測量的精度。張旭蘋等提出的發明專利，授權號：CN102393182A，三層結構傳感光纖 結合布裡淵雷射器單元的布裡淵光時域反射儀，降低了探測器的帶寬，但是該發明在實施 過程中沒有指明掃頻的方法。
【發明內容】
[0003] 本發明目的是：為了克服現有技術的缺點，提高布裡淵光時域反射儀的測量精度 和傳感長度，以及降低探測器的電子帶寬等問題，本發明提供一種基於低布裡淵散射閾值 傳感光纖的光時域反射儀的裝置與方法及其基於多段不同布裡淵頻移光纖結構的傳感光 纖，提出的傳感光纖不僅能夠提高布裡淵閾值增加傳感距離，而且能夠降低布裡淵頻移減 小探測器的帶寬；同時，通過設計出簡單的布裡淵環形腔雷射器作為相干探測的本振光，大 大降低了探測器的帶寬，本振光單元利用設計的基於TEC溫度控制單元進行掃頻控制，提 高布裡淵光時域反射儀的測量精度。
[0004] 本發明的目的是這樣實現的：一種基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射 儀的設置方法，包括光脈衝信號產生單元100,產生的光脈衝信號經擾偏器106後進入環形 器107的第一個埠，從環形器的第二個埠進入到傳感光纖108,脈衝信號光在傳感光纖 108中的背向散射光經環形器107的第三個埠進入到濾波器單元109,濾波器單元109 輸出的信號光與本振光單兀110輸出的光經f禹合器117 f禹合後進探測與信號處理單兀118 中，由探測和信號處理單元（118)對信號進行採集和處理。所述光脈衝信號產生單元100 是由雷射器101發出的連續光，經耦合器102分光後，一路連續光進入到偏振控制器103,經 調製器105調製成具有一定脈寬的光脈衝信號，該調製器由脈衝發生器104驅動與控制，為 了控制光脈衝信號的偏振態，光脈衝信號經過擾偏器106後，通過環形器107進入到傳感光 纖108。該布裡淵光時域反射儀傳感光纖108採用的是單模傳感光纖，該傳感光纖108是由 多組不同布裡淵頻移組成的傳感光纖。
[0005] 所述多組不同布裡淵頻移組成的傳感光纖：每組不同布裡淵頻移組成的傳感光纖 是指從低布裡淵頻移光纖到高布裡淵頻移光纖組合的傳感光纖；或從高布裡淵頻移光纖到 低布裡淵頻移光纖組合的傳感光纖；上述從低布裡淵頻移光纖到高布裡淵頻移光纖指從入 射光埠開始分布的頻移光纖，設低布裡淵頻移光纖到高布裡淵頻移光纖之間的布裡淵頻 移差為S fB，第一段(和第二光纖長度可以相同或相異）光纖(低或高布裡淵頻移光纖，其長 度可以相同或不相同）的長度為X ;例如每段光纖長度為l±〇. 5km，組數為1-20組。
[0006] 多組與二段傳感光纖的組合不同布裡淵頻移組成的傳感光纖通過拉制或通過熔 接獲得所需的傳感光纖。
[0007] 另設有本振光單元（110)、信號探測與處理單元（118)。
[0008] 所述光脈衝產生單元100也可以是能產生一定脈衝寬度的窄線寬脈衝雷射器。脈 衝發生器用於驅動調製器產生脈衝和時鐘控制。
[0009] 所述光脈衝信號產生單元100中的調製器105可以是電光調製器、聲光調製器， 也可以是其它的調製器，所述調製器105可以是單個調製器也可以是多個調製器組成的調 制器陣列。所述本振光單元110為單頻布裡淵雷射器，它是由摻鉺光纖放大器111，環形器 112,單模光纖113,隔離器114,耦合器115和基於TEC溫度控制器單元116構成的布裡淵 雷射器。
[0010] 所述基於溫度控制器單元116為基於TEC的溫度控制器，也可以是其它高靈敏溫 度、應力控制器等。
[0011] 所述濾波器單元109可以是能達到將背向瑞利散射光和背向布裡淵散射光分離 的反射式光纖光柵，法布裡-珀羅幹涉儀，或者多個光纖光柵及隔離器組成的光纖光柵濾 波器，其他光濾波器等中的一種。
[0012] 所述探測和信號處理單元117是由探測器118和信號處理器119組成；所述探測 器118可以是高靈敏度的探測器，也可以是其他的平衡探測器等。
[0013] 所述信號處理器119可以由頻譜分析儀或採集卡與計算機或者高速數字示波器 組合等。
[0014] 在光纖中影響布裡淵閾值功率的因素有很多，除了光纖長度、有效纖芯面積、光纖 損耗等外，還與光纖長度上布裡淵頻移分布所引起的布裡淵增益有關。通常，在光纖長度上 布裡淵頻移相同的光纖，布裡淵增益可以視為常數來處理，而在不同布裡淵頻移分布的光 纖中，布裡淵增益就受到布裡淵頻移分布的影響。
[0015] 當入射光注入到光纖時，泵浦光功率IP(Z)與斯託克斯光功率Is(f，z)以及頻率f 的關係，可以表不為：
[0016]
【權利要求】
1. 一種基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方法，其特徵在於：包 括光脈衝信號產生單元（100)，產生的光脈衝信號經擾偏器（106)後進入環形器（107)的 第一個埠，從環形器的第二個埠進入到傳感光纖（108)，脈衝信號光在傳感光纖108中 的背向散射光經環形器的第三個埠進入到濾波器單元（109)，濾波器單元（109)輸出的 信號光與本振光單元（110)輸出的光經耦合器（117)耦合後進探測與信號處理單元（118) 中，由探測和信號處理單元（118)對信號進行採集和處理；所述光脈衝信號產生單元（100) 是由雷射器（101)發出的連續光，經耦合器（102)分光後，一路連續光進入到偏振控制器 (103)，經調製器（105)調製成具有一定脈寬的光脈衝信號，該調製器由脈衝發生器（104) 驅動與控制，為了控制光脈衝信號的偏振態，光脈衝信號經過擾偏器106後，通過環形器 (107)進入到傳感光纖（108);該布裡淵光時域反射儀傳感光纖採用的是單模傳感光纖，該 傳感光纖是由多組不同布裡淵頻移組成的傳感光纖。
2. 根據權利要求1所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方 法，其特徵在於：所述多組不同布裡淵頻移組成的傳感光纖：每組不同布裡淵頻移組成的 傳感光纖是指從低布裡淵頻移光纖到高布裡淵頻移光纖組合的二段光纖的組合，或從高布 裡淵頻移光纖到低布裡淵頻移光纖組合的二段光纖的組合的傳感光纖；多組與二段傳感光 纖的組合不同布裡淵頻移組成的傳感光纖通過拉制或通過熔接獲得所需的傳感光纖。
3. 根據權利要求1所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方 法，其特徵在於：每段光纖長度為l±〇. 5km，組數為1-20組。
4. 根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述光脈衝產生單元100是能產生一定脈衝寬度的窄線寬脈衝激 光器；脈衝發生器用於驅動調製器產生脈衝和時鐘控制。
5. 根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述光脈衝信號產生單元（100)中的調製器（105)是電光調製器、 聲光調製器或是其它的調製器，所述調製器是單個調製器或是多個調製器組成的調製器陣 列。
6. 根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述本振光單元（110)為單頻布裡淵雷射器，它是由摻鉺光纖放大 器（111)，環形器（112)，單模光纖（113)，隔離器（114)，耦合器（115)和基於TEC溫度控制 器單元（116 )構成的布裡淵雷射器。
7. 根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述基於溫度控制器單元（116)為基於TEC的溫度控制器，或是其 它高靈敏溫度、應力控制器。
8. 根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述濾波器單元（109)是能達到將背向瑞利散射光和背向布裡淵 散射光分離的反射式光纖光柵，法布裡-珀羅幹涉儀，或者多個光纖光柵及隔離器組成的 光纖光柵濾波器，其他光濾波器中的一種。
9. 根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述探測和信號處理單元（117)是由探測器（118)和信號處理器 (119)組成；所述探測器是高靈敏度的探測器或平衡探測器。
10.根據權利要求1-3之一所述的基於低布裡淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特徵在於：所述信號處理器（119)由頻譜分析儀或採集卡與計算機或者高速 數字示波器組合。
【文檔編號】G01D5/36GK104111086SQ201410159155
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】王如剛, 張旭蘋, 周鋒, 紀正飈 申請人:鹽城工學院