一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器的製作方法

2023-04-27 05:45:26

專利名稱：一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，屬於分布式光纖傳感器技術領域。
背景技術：
在光纖布裡淵光時域分析器領域，為了提高傳感器的空間解析度，採用窄脈衝光源，但由於光纖的非線性效應，限制了光纖的入射功率，因此，要實現長距離，高空間解析度的光纖布裡淵光時域分析器很困難，傳統的壓縮雷射器脈寬的方法，雙脈衝對的方法，難以實現長距離空間解析度小於1米的效果，而且空間解析度與測量長度有關，系統的信噪比也低。且現有技術對於鎖定窄帶探測雷射器和窄帶泵浦雷射器仍然存在困難。因此目前亟需一種布裡淵光時域分析器技術，可有效地提高傳感器系統的空間解析度和測量距離，滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監測，對超遠程全分布式光纖應變和溫度傳感網的需求。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器。它可有效地提高傳感器系統的空間解析度達釐米級，測量距離達50km。本發明的技術方案一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，特點是它是利用混沌雷射相關原理，相干放大的布裡淵散射光的應變、溫度效應和光時域反射原理製成的光纖布裡淵光時域分析器，它利用同一的混沌雷射器作為布裡淵光時域分析器的本地參考光源和泵浦信號光源。採用混沌雷射相關原理在時域上隨機起伏的光脈衝序列，通過傳感光纖的背向光與本地參考光的相關處理，可提高傳感器系統的空間解析度達釐米級；採用同一的混沌雷射源克服了光纖布裡淵光時域分析器要求嚴格地鎖定探測雷射器和泵浦雷射器頻率的困難，提高了傳感器系統的信噪比10dB，相應地提高了傳感器的測量長度達 50kmo上述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，它包括混沌雷射器、第二光纖分路器、光調製器、第一摻餌光纖放大器、第二可調光衰減器、偏振擾模器、單向器、傳感光纖、第二摻餌光纖放大器、第二光纖環行器、第三光纖環行器、光纖光柵反射濾光器、光電接收器模塊、數位訊號處理器和計算機；混沌雷射器的輸出端與第二光纖分路器的輸入端相連， 第二光纖分路器的一個輸出端與光調製器相連，並依次經由第一摻餌光纖放大器、第二可調光衰減器、偏振擾模器、偏振擾模器、單向器與傳感光纖的一端相連；第二光纖分路器的另一個輸出端與第二摻餌光纖放大器相連，並經由第二光纖環行器與傳感光纖的另一端相連，第二光纖環行器還與第三光纖環行器相連，第三光纖環行器的上還連有光纖光柵反射濾光器，第三光纖環行器的輸出端與光電接收器模塊相連，光電接收器模塊的輸出端與數位訊號處理器和計算機相連。通過光電接收器模塊、數位訊號處理器和計算機將傳感光纖的混沌雷射信號與本地參考光外差，並進行相關處理和快速傅立葉變換解調，獲得50km傳感光纖所在現場的高空間解析度達釐米量級的應變、溫度信息並通過無線網或網際網路傳送給遠程監控網。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述混沌雷射器包括半導體LD雷射器、第一偏振控制器、第一光纖環行器、第一光纖分路器、第一可調光衰減器和第二偏振控制器；半導體LD雷射器經第一偏振控制器與第一光纖環行器的一個輸入埠相接，第一光纖環行器的輸出端與第一光纖分路器輸入端相連，第一光纖分路器的一個輸出端與第一可調光衰減器的輸出端相連，並通過第二偏振控制器與第一光纖環行器的另一個輸入端相連，再經第一偏振控制器反饋給半導體LD雷射器；第一光纖分路器的另一個輸出端與第二光纖分路器的輸入端相連。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述半導體LD雷射器是DFB雷射器，工作波長為1550. Onm，輸出功率為IOdBm;第一光纖分路器的分支比為20 80 ；第二光纖分路器的分支比為30 70。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述光調製器是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調製器(Mach-Zehnder modulator (MZM))。經計算機控制將雷射器的頻率降低11GHz。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述傳感光纖為50km單模通訊 G652光纖或50km LEAF光纖。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述光纖光柵反射濾光器的中心波長為1550. 08nm，光譜帶寬為0. lnm。可濾除其它光，允許傳感光纖的斯託克斯受激布裡淵散射信號光通過第三光纖環行器與本地參考光外差接收並進行相關處理。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述光電接收器模塊是由頻率響應為2(ihz以上的光電探測器、前置放大器和主放大器組成。前述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器中，所述的數位訊號處理器為有相關處理和快速傅立葉變換軟體的高速5G採樣率和500MHz頻寬的數位訊號處理器。混沌雷射相關原理半導體雷射器在受到光反饋時持續地產生隨機起伏的超寬帶混沌雷射，其相關曲線具有S函數形狀，半導體雷射器的非線性混沌振蕩的帶寬可大於15GHz，實現與測量長度無關的高解析度、高精度的測量。設參考光為f (t)，探測光為g (t) = Kf (t" τ )互相關函數 {τ) = Kfj{t - r)f{t -r0)dt當τ = τ 0時，互相關函數存在峰值，互相關峰值與探測光的強度相關。通過數位訊號處理器和計算機對探測光與參考光進行採集、累加，相關處理和高速傅立葉變換處理， 獲得傳感光纖上應變和溫度的信息。由非線性混沌振蕩的帶寬，光電接收器模塊和數字處理系統的帶寬決定布裡淵光時域分析器的空間解析度，由系統的信噪比決定了布裡淵光時域分析器測量長度。布裡淵時域分析器的工作原理在光纖中，入射光纖的探測雷射，泵浦雷射與光纖產生非線性相互作用，在光纖中光波通過電致伸縮產生聲波，引起光纖折射率的周期性調製(折射率光柵)，產生頻率下移的受激布裡淵散射光，在光纖中產生的背向布裡淵散射的頻移vB為vB = 2ην/ λ(2)其中η為入射光波長λ處的折射率，ν為光纖中聲速，對石英光纖，在λ = 1550nm 附近，vB約為11GHz。在光纖中的布裡淵散射光頻移vB具有應變和溫度效應
權利要求
1.一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於它是利用混沌雷射相關原理，相干放大的布裡淵散射光的應變、溫度效應和光時域反射原理製成的光纖布裡淵光時域分析器，它利用同一的混沌雷射器作為布裡淵光時域分析器的本地參考光源和泵浦信號光源。
2.根據權利要求1所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於它包括混沌雷射器、第二光纖分路器(16)、光調製器(17)、第一摻餌光纖放大器(18)、第二可調光衰減器(19)、偏振擾模器(20)、單向器(21)、傳感光纖(22)、第二摻餌光纖放大器(23)、第二光纖環行器04)、第三光纖環行器0 、光纖光柵反射濾光器06)、光電接收器模塊(XT)、 數位訊號處理器08)和計算機09)；混沌雷射器的輸出端與第二光纖分路器(16)的輸入端相連，第二光纖分路器(16)的一個輸出端與光調製器(17)相連，並依次經由第一摻餌光纖放大器(18)、第二可調光衰減器(19)、偏振擾模器(20)、偏振擾模器(20)、單向器與傳感光纖0 的一端相連；第二光纖分路器(16)的另一個輸出端與第二摻餌光纖放大器相連，並經由第二光纖環行器04)與傳感光纖0 的另一端相連，第二光纖環行器04)還與第三光纖環行器0 相連，第三光纖環行器(25上還連接有光纖光柵反射濾光器( )，第三光纖環行器0 的輸出端與光電接收器模塊(XT)相連，光電接收器模塊 (27)的輸出端與數位訊號處理器08)和計算機09)相連。
3.根據權利要求2所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述混沌雷射器包括半導體LD雷射器(10)、第一偏振控制器(11)、第一光纖環行器(12)、第一光纖分路器(13)、第一可調光衰減器(14)和第二偏振控制器(1 ；半導體LD雷射器(10)經第一偏振控制器(11)與第一光纖環行器(1 的一個輸入埠相接，第一光纖環行器(12)的輸出端與第一光纖分路器(1 輸入端相連，第一光纖分路器(1 的一個輸出端與第一可調光衰減器(14)的輸出端相連，並通過第二偏振控制器(1 與第一光纖環行器(1 的另一個輸入端相連，再經第一偏振控制器(11)反饋給半導體LD雷射器(10)；第一光纖分路器(1 的另一個輸出端與第二光纖分路器(16)的輸入端相連。
4.根據權利要求3所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述半導體LD雷射器(10)是DFB雷射器，工作波長為1550. Onm，輸出功率為IOdBm ；第一光纖分路器(13)的分支比為20 80 ；第二光纖分路器(16)的分支比為30 70。
5.根據權利要求1所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述光調製器(17)是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調製器。
6.根據權利要求1所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述傳感光纖0 為50km單模通訊G652光纖或50kmLEAF光纖。
7.根據權利要求1所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述光纖光柵反射濾光器06)的中心波長為1550. 08nm，光譜帶寬為0. lnm。
8.根據權利要求1所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述光電接收器模塊(XT)是由頻率響應為2(ihZ以上的光電探測器、前置放大器和主放大器組成。
9.根據權利要求1所述的混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，其特徵在於所述的數位訊號處理器08)為有相關處理和快速傅立葉變換軟體的高速5G採樣率和500MHz頻寬的數位訊號處理器。
全文摘要
本發明公開了一種混沌雷射相關布裡淵光時域分析器，它是利用混沌雷射相關原理，相干放大的布裡淵散射光的應變、溫度效應和光時域反射原理製成的光纖布裡淵光時域分析器，它利用同一的混沌雷射器作為布裡淵光時域分析器的本地參考光源和泵浦信號光源。本發明採用混沌雷射相關原理，混沌雷射具有超寬的頻寬，通過對信號光與本地光的相關處理獲得高空間解析度，有效地提高了傳感器的可靠性和空間解析度可達釐米級，增加了進入傳感光纖的泵浦光子數，提高了傳感器系統的信噪比10dB，增加了傳感器的測量長度可達50km；採用同一的混沌雷射器作為布裡淵光時域分析器的本地信號光源和泵浦信號光源也解決了鎖定窄帶探測雷射器和窄帶泵浦雷射器的困難，改善了系統的穩定性。
文檔編號G01B11/16GK102322806SQ20111021793
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月1日 優先權日2011年8月1日
發明者孫忠周, 張在宣, 張文生, 王劍鋒 申請人:杭州歐憶光電科技有限公司