一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪，属于分布式光纤传感领域，解决了现有基于数字光频梳的布里渊相关域分析技术的测量准确度受限问题，并提供弯曲测量能力。所述分析仪将受正弦频率调制的激光器作为系统光源，探测光经调制后产生探测光频梳与参考光频梳，分别入射至多芯光纤的任意两个纤芯中，其中探测光频梳在偏心纤芯中与泵浦光对向传输，在光纤特定位置处产生受激布里渊散射。两路光频梳经光电转换并同时采集后，参考光频梳作为背景噪声，通过频域分析从探测光梳中提取布里渊频移，最终获得多芯光纤偏心纤芯的传感信息。本发明专利技术提升了测量速度与测量准确度，引入新的测量参数，具有高空间分辨率的动态精确测量能力。态精确测量能力。态精确测量能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪


[0001]本专利技术属于分布式光纤传感领域，更具体地，涉及一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪。

技术介绍

[0002]基于受激布里渊散射效应的布里渊光相关域分析仪具有高空间分辨率、高测量准确度和任意寻址的优良特性，近年来受到了广泛关注与研究。在传统正弦频率调制的布里渊光相关域分析仪中，受正弦频率调制的探测光和泵浦光对向入射进传感光纤，在光纤的特定位置产生周期性的相关峰。当两束光的频率差接近当前光纤位置的布里渊频移时，在非相关峰处引起的受激布里渊散射效应较弱，而在相关峰处会引起较强的受激布里渊散射效应，探测光获得窄带增益。因此，在调节调制频率使得传感光纤存在唯一相关峰后，通过连续调节探测光的频率，即可获得相关峰位置对应的布里渊增益谱。若要实现分布式传感，则需要交替进行调制频率扫描和探测光频率扫描。但受限于微波源的频率切换时间，这两次耗时的扫频操作极大地限制了传感系统的测量速度。
[0003]为提升动态测量性能，多种解决方案被提出。一种方案是将传统微波源替换为频率切换时间极短的压控振荡器，再搭配高带宽的锁相放大器，可在很短的时间内完成探测光频率扫描，但受限于锁相放大器的工作带宽，该方案的测量速度难以进一步提升。另一种方案是结合注入锁定技术，利用差分探测结构来避免使用锁相放大器，同时在扫描探测光频率过程中同步扫描调制频率以消除位置扫描的时耗，但该方案的测量速度受限于光源的调制频率。为实现免扫频，一种方案是采用双斜坡辅助法，将布里渊增益谱的斜坡看作是线性区间，通过监测固定频率的探测光来解调布里渊频移，但该方案存在系统动态范围和测量速度相矛盾的固有限制，难以满足实际工程应用。因此，如何在不牺牲系统测量精度的情况下进一步提升测量速度这一问题亟待解决。此外，现有基于布里渊光相关域分析仪的传感方案主要采用单模光纤进行分布式传感，导致测量参数受限于常见的温度和应变测量，难以满足多样化应用场景。
[0004]为避免扫频，数字光学频率梳技术的多频率并行传输特性为在频域上测量布里渊增益谱提供了一种有效的解决方案，其具有大动态范围、不受光功率抖动影响等独特优势，适用于快速测量。但在基于光频梳的高精度测量中，通常需要额外的参考光纤链路来确保高精确解调，导致实际应用受限。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪，旨在解决现有基于光频梳的布里渊光学相关域分析仪的测量准确度受限的技术问题，同时引入弯曲和形状等参数的测量能力。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪，包括：激光器、微波源、第一光耦合器、变频模块、电光调制器、光频梳模块、第一掺铒光
纤放大器、光隔离器、第二光耦合器，第一多芯光纤扇入扇出器、多芯光纤、第二多芯光纤扇入扇出器、延时光纤、偏振模块、第二掺铒光纤放大器、环形器、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集模块；所述微波源产生的正弦频率信号对所述激光器进行电流直接调制，所述激光器的输出光作为系统光源，经所述耦合器分为两路，分别用于产生探测光和泵浦光；探测光路中，所述变频模块对探测光进行移频以调节探测光的频率探测区间，所述光频梳模块产生数字电频梳信号，以驱动所述电光调制器对移频后的探测光进行调制，生成的数字光频梳经所述第一掺铒光纤放大器放大，又经所述光隔离器后由第二光耦合器分为两路光，分别作为探测光频梳与参考光频梳，再通过所述第一多芯光纤扇入扇出器分别入射至所述多芯光纤的任意两个纤芯；泵浦光路中，泵浦光经所述延时光纤和所述偏振模块实现延时、偏振控制后，再经所述第二掺铒光纤放大器放大，又经所述环形器后通过所述第二多芯光纤扇入扇出器入射至所述多芯光纤中探测光频梳对应的纤芯；探测光频梳经所述第二多芯光纤扇入扇出器和所述环形器输出后，由所述第一光电探测器完成光电转换，再由所述数据采集模块实现信号采集与处理；参考光频梳经所述第二多芯光纤扇入扇出器后，由所述第二光电探测器完成光电转换，再由所述数据采集模块实现信号采集与处理。
[0007]进一步地，所述多芯光纤在同一包层区中存在两个及以上的纤芯，其中任一偏心纤芯作为探测光频梳的传感光路，其他纤芯作为参考光频梳的参考光路。
[0008]进一步地，所述光频梳模块生成的数字电频梳信号由多个具有相等频率间隔的频率分量组成，且起始频率与零频之间存在一定的频率保护间隔。
[0009]进一步地，所述变频模块用于调节所述探测光与所述泵浦光的频率差，使得所述探测光频梳的频率探测范围覆盖所述多芯光纤中传感光路的布里渊频移。
[0010]进一步地，所述数据采集模块同时采集探测光频梳与参考光频梳的电信号，还用于数字信号处理，在频域上提取受激布里渊散射信号，以获得多芯光纤链路的温度、应变和弯曲信息。
[0011]进一步地，所述偏振模块用于控制或快速改变所述泵浦光的偏振态。
[0012]进一步地，所述激光器为具有窄线宽的分布式反馈半导体激光器。
[0013]进一步地，所述延时光纤的长度与所述多芯光纤的长度匹配，以保证所述多芯光纤中存在唯一相关峰。
[0014]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：（1）本专利技术提供的基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪，利用多芯光纤的空分特性，将多芯光纤中的任意两个纤芯分别作为传感光路与参考光路，分别用于传输探测光频梳与参考光频梳，无需使用额外光纤链路作参考。不同于现有基于光频梳的快速布里渊光学相关域分析仪中用前一时刻无布里渊增益的光频梳作静态参考，本专利技术提出的相关域分析仪同时接收探测光频梳与参考光频梳，消除探测光频梳的幅值与相位抖动引入的动态噪声基底，在频域上一次性获得准确布里渊增益谱从而避免现有相关域分析系统中的单一频率扫频，解决了现有基于光频梳的快速布里渊光学相关域分析仪的测量准确度受限于静态参考信号的问题。
[0015]（2）本专利技术提出的相关域分析仪的传感光路优选为多芯光纤的偏心纤芯，偏心纤芯中布里渊频移对弯曲敏感，可实现分布式曲率测量，且系统传感精度配置灵活，单点采样速度仅取决于数字电频梳的频率间隔，可实现高动态范围的光纤分布式温度、应变和曲率快速测量。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪的结构示意图；图中：11、激光器；12、微波源；13、第一光耦合器；14、变频模块；15、电光调制器；16、光频梳模块；17、第一掺铒光纤放大器；18、光隔离器；19、第二光耦合器；20、第一多芯光纤扇入扇出器；21、多芯光纤；22、第二多芯光纤扇入扇出器；23、延时光纤；24、偏振模块；25、第二掺铒光纤放大器；26、环形器；27、第一光电探测器；28、第二光电探测器；29、数据采集模块。
[0017]图2为本专利技术的一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪的实施例一所用七芯光纤的横截面图。
[0018]图3为本专利技术的一种基于多芯光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多芯光纤的快速布里渊光学相关域分析仪，其特征在于，包括：激光器、微波源、第一光耦合器、变频模块、电光调制器、光频梳模块、第一掺铒光纤放大器、光隔离器、第二光耦合器，第一多芯光纤扇入扇出器、多芯光纤、第二多芯光纤扇入扇出器、延时光纤、偏振模块、第二掺铒光纤放大器、环形器、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集模块；所述微波源产生的正弦频率信号对所述激光器进行电流直接调制，所述激光器的输出光作为系统光源，经所述第一光耦合器分为两路光，分别用于产生探测光和泵浦光；探测光路中，所述变频模块对探测光进行移频以调节探测光的频率探测区间，所述光频梳模块产生数字电频梳信号，以驱动所述电光调制器对移频后的探测光进行调制，生成的数字光频梳经所述第一掺铒光纤放大器放大，又经所述光隔离器后由第二光耦合器分为两路光，分别作为探测光频梳与参考光频梳，再通过所述第一多芯光纤扇入扇出器分别入射至所述多芯光纤的任意两个纤芯；泵浦光路中，泵浦光经所述延时光纤和所述偏振模块实现延时、偏振控制后，再经所述第二掺铒光纤放大器放大，又经所述环形器后通过所述第二多芯光纤扇入扇出器入射至所述多芯光纤中探测光频梳对应的纤芯；探测光频梳经所述第二多芯光纤扇入扇出器和所述环形器输出后，由所述第一光电探测器完成光电转换，再由所述数据采集模块实现信号采集与处理；参考光频梳经所述第二多芯光纤扇入扇出器后，由所述第二光电探测器完成光电转换，再由所述数据采集模块实现信号采集与处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志勇，何欢，唐明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：