一种布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法技术

本发明专利技术公开了一种布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法，光产生单元产生的连续光通过第一调制放大单元得到相位调制信号，然后该相位调制信号通过第二调制放大单元产生泵浦光脉冲信号，泵浦光脉冲信号经过环行器注入传感光纤的始端；另一边路的连续光通过第三调制放大单元得到抑制载波的双边带信号，光信号通过滤波器滤出斯托克斯光或反斯托克斯光后由光电探测器转化为电信号。本发明专利技术能够在不恶化系统空间分辨率的前提下实现更窄的布里渊增益谱和更高的温度分辨率以及更长的传感距离。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分布式光纤传感器领域，尤其是一种减小分布式受激布里渊温度或应变传感器增益谱线宽的方法。
技术介绍
长距离、分布式的温度或应力检测，在智能电网线路的温度或荷载监控，森林、公路、铁路、隧道等的防火预警，建筑结构健康监控等，重要防护区域、通信或输油管线、交通线路以及重要国境线入侵预警、油气管线渗漏等领域具有重大应用需求，从而得到学术界、产业界长期、深入的研究。目前可实现长距离分布式检测的技术主要分为“点”式准分布式传感器和基于光纤的分布式传感器。传统的基于电子器件的“点”式应变片式温度应变传感器难以满足上述应用要求。其提取的是电信号，很容易受到周围电磁场的干扰。电力电缆、石油管线短则几十公里，长则数百、上千公里，或者经过气候恶劣的无人区、潮湿的环境，周围环境湿度、温度的无常变化都对采集的电信号产生极大的干扰，甚至提供错误的信息。另一方面，“点”式传感器只能探测极其狭窄一段的区域参量变化，相对于数百、上千公里的电力电缆、石油管线，需要安装成千上万个传感器，成本太高且工程技术上很难实施。光纤分布式温度应力传感器的传感部分即光纤本身，具有成本低廉，不受电磁干扰，能进入狭小空间等诸多优势，被业界普遍认为是测量温度和应力的最理想的分布式传感器。光纤分布式温度应力传感器主要利用脉冲在光纤中的瑞利散射光、布里渊散射光或拉曼散射光来携带空间分布式信息，进而达到分布式传感的目的。基于上述三种散射类型的光纤分布式传感器，包括瑞利光时域反射计（OpticalTimeDomainReflectometry,OTDR），拉曼光时域反射计（RamanOpticalTimeDomainReflectometry,RODTR）以及布里渊光时域反射计（BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry,BOTDR），由于脉冲本身经历0.2dB/km的光纤衰减，其散射光再次经历同样的衰减回到光纤前端被接收机接收，最终被探测信号总共经历了较大的0.4dB/km的衰减，从而限制了系统的传感距离。1989年Horiguchi等人首次提出了布里渊光时域分析技术（BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis,BOTDA），引入反向传输的连续探测光与正向传输的脉冲进行受激布里渊作用来携带分布式信息，最终被探测信号总共只经历0.2dB/km的衰减。因此，BOTDA相比于其他分布式传感技术，具有传感距离更长的显著优势，自提出以来就得到广泛的关注和研究。欧洲POLYTECH（抗自然灾害技术）计划将其列为重点研究课题；加拿大自然科学基金（NSERC）最近几年至少10次立项来研究相关技术；日本高校、研究所和工业界都纷纷开展了该领域的研究和开发。而最初基于单脉冲的BOTDA方案由于受到声子弛豫的限制，脉冲宽度不可能小于声子弛豫时间，否则会导致声子达不到稳态，造成信噪比下降，布里渊增益谱展宽，频率分辨率降低，这样极大地限制了空间分辨率的进一步提高。近年来，一种基于差分脉冲对法的BOTDA传感器（DPP-BOTDA）应运而生，该方法使用具有微小脉冲宽度差的两对泵浦脉冲对传统的BOTDA方案测量两次，两次测量信号的差即为该微小差分脉冲所对应的布里渊增益。该方案在理论上可以得到极致的空间分辨率，并且避免了由于短脉冲导致的布里渊增益谱展宽问题以及声子弛豫的限制，这些优异的特性都使得DPP-BOTDA系统一度成为理想的分布式传感器。尽管传统DPP-BOTDA系统的布里渊增益能够保持极限的布里渊线宽（～30MHz）以及极致的空间分辨率，但是其布里渊增益谱线宽无法进一步被压缩，并且由于差分脉冲的信号比较弱导致在非热点区域信噪比也比较弱，使得非热点区域的布里渊频移测量误差加大。这使得基于受激布里渊效应的分布式传感器性能停滞不前，系统指标无法进一步大幅提升，也是该技术无法大规模商用化的根结所在。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种频率分辨率高、传感距离长的布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述传感器主要包括用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器、滤波器以及光电探测器；光产生单元分别与第一调制放大单元、第三调制放大单元的输入端连接；第一调制放大单元的输出端与第二调制放大单元接收端连接，第二调制放大单元的输出端经环形器与传感光线一端连接；光产生单元产生的泵浦光通过第一调制放大单元得到相位调制光信号，相位调制光信号通过第二调制放大单元被放大，放大的光脉冲信号通过环行器注入传感光纤一端；第三调制放大单元的输出端依次经过扰偏器、隔离器后连接在传感光线的另一端；光产生单元产生的探测光经过第三调制放大单元进行抑制载波的双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，再通过扰偏器与隔离器注入传感光纤另一端；环形器的输出端与滤波器、光电探测器顺次连接；光电探测器的输出端与示波器连接；探测光与泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊作用后通过环形器进入滤波器，滤波器将光信号滤出斯托克斯或反斯托克斯光信号后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号。进一步的，所述光产生单元由激光器和光纤耦合器连接组成；激光器用于发射波长为1550nm、功率为16dBm的激光；光纤耦合器用于将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。进一步的，所述光纤耦合器的分光比为50:50。进一步的，所述第一调制放大单元为相位调制器；相位调制器对泵浦光信号进行相位调制，得到宽度为40ns的相移光信号。进一步的，所述第二调制放大单元由第一光电调制器和光纤放大器连接组成；第一电光调制器对第一调制放大单元输出的相移光信号进行脉冲调制得到脉冲调制信号；该脉冲调制信号包含两个宽度为80ns的脉冲对信号，一个脉冲信号由40ns的相移光信号与40ns的0相移光信号组成，另一个脉冲信号为80ns的0相移光信号；光脉冲对信号经过光纤放大器进行信号放大。进一步的，所述第三调制放大单元为第二电光调制器，用于将探测光调制为抑制载波的双边带信号；所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光。本专利技术所述的减小受激布里渊效应增益谱线宽方法，步骤如下：步骤1，光产生单元发出泵浦光和探测光；步骤2，泵浦光经过第一调制放大单元、第二调制放大单元、环形器到达传感光线一端，泵浦脉冲信号被相位调制成0和两部分，且0和两部分都足够长以便保持激发的声波场能够恢复到稳态；步骤3，探测光作为参考脉冲经过第三调制放大单元、扰偏器、隔离器后到达传感光线另一端，参考脉冲紧随泵浦脉冲进入传感光纤另一端；参考脉冲与泵浦脉冲在传感光纤中相遇激发受激布里渊散射；步骤4，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分仅用于形成稳态的声子，在对探测光接受到的两次布里渊响应做差后，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分对探测光功率的影响相互抵消；步骤5，当探测光遇到泵浦脉冲的相位部分时，此时布里渊散射光与探测光之间由相长干涉突变为相消干涉，探测光经历负的布里渊增益，当把泵浦脉冲和参考脉冲经历的响应做差后，得到的布里渊响应显剧提升，进而导致系统信噪比显剧提高；步骤6，泵浦脉冲激发的相位声子会逐步趋向稳态，使得泵浦脉冲对对连续探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述传感器主要包括用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器、滤波器以及光电探测器；光产生单元分别与第一调制放大单元、第三调制放大单元的输入端连接；第一调制放大单元的输出端与第二调制放大单元接收端连接，第二调制放大单元的输出端经环形器与传感光线一端连接；光产生单元产生的泵浦光通过第一调制放大单元得到相位调制光信号，相位调制光信号通过第二调制放大单元被放大，放大的光脉冲信号通过环行器注入传感光纤一端；第三调制放大单元的输出端依次经过扰偏器、隔离器后连接在传感光线的另一端；光产生单元产生的探测光经过第三调制放大单元进行抑制载波的双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，再通过扰偏器与隔离器注入传感光纤另一端；环形器的输出端与滤波器、光电探测器顺次连接；光电探测器的输出端与示波器连接；探测光与泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊作用后通过环形器进入滤波器，滤波器将光信号滤出斯托克斯或反斯托克斯光信号后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号。

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述传感器主要包括用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器、滤波器以及光电探测器；光产生单元分别与第一调制放大单元、第三调制放大单元的输入端连接；第一调制放大单元的输出端与第二调制放大单元接收端连接，第二调制放大单元的输出端经环形器与传感光线一端连接；光产生单元产生的泵浦光通过第一调制放大单元得到相位调制光信号，相位调制光信号通过第二调制放大单元被放大，放大的光脉冲信号通过环行器注入传感光纤一端；第三调制放大单元的输出端依次经过扰偏器、隔离器后连接在传感光线的另一端；光产生单元产生的探测光经过第三调制放大单元进行抑制载波的双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，再通过扰偏器与隔离器注入传感光纤另一端；环形器的输出端与滤波器、光电探测器顺次连接；光电探测器的输出端与示波器连接；探测光与泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊作用后通过环形器进入滤波器，滤波器将光信号滤出斯托克斯或反斯托克斯光信号后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号。2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述光产生单元由激光器和光纤耦合器连接组成；激光器用于发射波长为1550nm、功率为16dBm的激光；光纤耦合器用于将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为50:50。4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述第一调制放大单元为相位调制器；相位调制器对泵浦光信号进行相位调制，得到宽度为40ns的相移光信号。5.据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述第二调制放大单元由第一光电调...

【专利技术属性】
技术研发人员：林文桥，林子建，陈珠，陈万顺，
申请(专利权)人：林文桥，
类型：发明
国别省市：北京;11