一种基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统技术方案

技术编号:11406581 阅读:196 留言:0更新日期:2015-05-04 00:02
本发明专利技术公开了一种基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统。在该系统中,泵浦光由电脉冲信号驱动电光强度调制器外调制光载波产生,本地光由微波信号驱动工作在载波抑制点的电光强度调制器外调制同频光载波产生,对本地光通过电光相位调制器外调制产生对称边带作为探测光,电光相位调制器由频率可调的射频信号驱动。探测光两个分量分别同时扫描泵浦光的布里渊增益区和损耗区,其被布里渊增益谱幅度调制的同时可以动态补偿泵浦光的消耗从而减小非本地效应。探测光与本地光通过光电探测器拍频,将布里渊增益谱信息加载到GHz的高频载波上来避免基带噪声损伤,同时利用相干检测提高了整个系统的信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统
本专利技术涉及的是一种分布式光纤传感领域中的布里渊光时域分析传感系统,具体是一种基于相位调制探测光且可进行相干检测的布里渊光时域分析传感系统。
技术介绍
基于光纤中后向布里渊散射信号进行温度及应力传感在近几十年来受到广泛关注。相对于电传感器及光纤光栅传感器而言,其主要优势在于更长的传感距离(可达100km),更高的空间分辨率(可达1cm)以及利用传输光纤本身作为传感器。常见的基于后向布里渊散射效应的分布式光纤传感技术有布里渊光时域反射传感技术和布里渊光时域分析传感技术。布里渊光时域反射传感系统结构相对简单,但信噪比较低,布里渊光时域分析传感系统可以很大程度上提高信噪比,从而实现更长的传感距离。常见的布里渊光时域分析传感系统往往采用10~11GHz的微波信号作为扫频信号,并采用直接探测的方式。带来的问题一是对微波源有较高的要求,二是直接探测信噪比较低。不同于直接探测的方式,相干探测的方式可以大幅度提高信噪比,目前已知的相干布里渊光时域分析传感系统主要有以下两类:1)AnderZornoza等人于2012年提出的利用微波整形电脉冲通过电光强度调制器外调制光载波产生频移泵浦光,再利用射频信号通过电光相位调制器外调制光载波产生信号光;2)MichelDossou等人于2013年提出的利用级联的电光相位调制器产生信号光。方法1)利用边带光作为泵浦光会因为泵浦消耗不能动态补偿导致非本地效应,方法2)中利用电光相位调制器进行载波抑制调制,会因为载波抑制比低从而引入相干噪声,同时载波抑制产生的多个边带会恶化系统的性能。
技术实现思路
鉴于现有技术的以上不足,本专利技术的目的是提供一种基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统。将光源产生的光载波分为两路,其中一路被电脉冲外调制,产生脉冲泵浦光;另外一路被9.6GHz的微波信号通过工作在载波抑制点的电光强度调制器外调制产生载波抑制的两个一阶边带(即本地光),由于电光强度调制器载波抑制比高,产生的边带比电光相位调制器少,所以可以减少相干噪声和消除多边带对系统性能的影响。参考光被1.1~1.3GHz的射频信号通过电光相位调制器进一步调制产生对称的一阶边带作为连续信号光。对称的信号光可以有效补偿泵浦的消耗,减小非本地效应。本专利技术的目的是基于如下分析和方案提出和实现的:一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,激光器1输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器2分为两路;一路经过偏振控制器3后被微波信号发生器4产生的微波信号通过工作在载波抑制点的电光强度调制器5外调制;微波信号发生器4的输出信号频率为fLO;电光相位调制器5的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,经过偏振控制器6后被射频信号发生器7产生的射频信号通过电光相位调制器8外调制;射频信号发生器7的输出频率为fS;电光相位调制器8的输出光经过掺铒光纤放大器9的光信号放大和扰偏器10的偏正态快速扰动后,作为连续探测光通过光隔离器11送入测试光纤12;另一路经过偏振控制器13后被脉冲信号发生器14产生的脉冲信号通过电光强度调制器15外调制后产生脉冲光,该脉冲光被掺铒光纤放大器16放大后作为脉冲泵浦光通过光环形器17进入测试光纤12。连续探测光顺序经过光电探测器18和带通滤波器19得到载频为fS的分量,该分量经过低噪声放大器20的放大后,加载在该载频上的幅度信息被IQ解调器21解调,IQ解调器解调出的I路及Q路信号被数据采集卡22采集。这样,在本专利技术系统中,激光器1输出的光载波中心频率为f0,该光载波通过50:50耦合器2分为两份,一份被脉冲信号发生器14产生的电脉冲通过电光强度调制器15外调制成脉冲光作为系统的泵浦光。另一份被工作在载波抑制点的电光强度调制器5外调制成频率为f0±fLO的两个一阶边带,作为系统的本地光,其中fLO为微波信号发生器4的固定输出频率。本地光进一步被由射频信号发生器7驱动的电光相位调制器8外调制,产生频率为f0±fLO±fS的对称边带,其中f0+fLO+fS及f0-fLO-fS分量作为系统的探测光,fS为射频信号发生器7输出的可调谐频率。探测光与泵浦光在光纤中相互作用之后,到达光电探测器18的光场表达式为:其中E0,ELO和ES分别为载频光、本地光和探测光的复振幅,fD=fS+fLO-fB为探测光与布里渊频移之间的频率失谐。gSBS(f)和lSBS(f)分别为布里渊增益和损耗幅度,和分别为布里渊增益和损耗相移。则光电探测器18输出的电流表达式为:其中RC为光电探测器的接收灵敏度。式(2)反映了本专利技术的两个主要优势:1)小幅度信号ESgSBS(fD)与大幅度信号ELO相乘提高了光电探测器输出信号的信噪比;2)布里渊增益谱信息被调制在频率为fS的高频载波上,避免了基带噪声损伤。布里渊增益谱信息被IQ解调器21解调,并进一步被数据采集卡22采集,通过采集到的数据构建光纤各处的增益谱并通过洛伦兹拟合求解温度和应力信息。附图说明:图1为本专利技术的基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统结构示意图;图2本专利技术的连续探测光的光谱示意图;图3为在40km传感光纤的1km处测得的布里渊增益谱及其洛伦兹拟合;图4为解调出的40km传感光纤末端的布里渊频移。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。图1为本专利技术的布里渊光时域分析传感系统结构示意图,如图所示,激光器1输出中心频率为f0的光载波(中心波长1550nm,f0=193THz),该光载波通过50:50光耦合器2分为两份。一份经过偏振控制器3后被微波信号发生器4产生的微波信号通过电光强度调制器5外调制。电光强度调制器5工作在载波抑制点,通过调节偏振控制器3实现最高的载波抑制比。微波信号发生器的输出信号频率为fLO(固定为9.6GHz)。电光强度调制器5的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,这两个一阶边带经过偏振控制器6后被射频信号发生器7产生的射频信号通过电光相位调制器8外调制。射频信号发生器的输出频率为fS(1.1~1.3GHz可调谐)。则电光相位调制器8的输出光信号一共包含6个频率成分:f0±fLO及f0±fLO±fS。其中f0±fLO为本地光分量,f0+fLO+fS及f0-fLO-fS为相位调制探测光分量。电光相位调制器8的输出光经过掺铒光纤放大器9的光信号放大和扰偏器10的偏正态快速扰动后,通过光隔离器11送入测试光纤12。另一份经过偏振控制器13后被脉冲信号发生器14产生的脉冲信号通过电光强度调制器15外调制后产生脉冲光。该脉冲光被掺铒光纤放大器16放大后作为脉冲泵浦光通过光环形器17进入测试光纤12。当相位调制探测光与脉冲泵浦光在光纤中相互作用时,扫描布里渊增益区的f0-fLO-fS分量被布里渊增益谱幅度调制,同时扫描布里渊损耗区的f0+fLO+fS分量被布里渊损耗谱幅度调制,所以进入光电探测器18的光信号场强可用等式(1)表示。带通滤波器19滤得载频为fS的分量,该分量经过低噪声放大器20的放大后,加载在该载频上的幅度信息被IQ解调器21解调,IQ解调器解调出的I路及Q路信号被数据采集卡22采集,从而可以得到不同扫描频本文档来自技高网
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一种基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统

【技术保护点】
一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,激光器(1)输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器(2)分为两路;一路经过第一偏振控制器(3)后被微波信号发生器(4)产生的微波信号通过工作在载波抑制点的第一电光强度调制器(5)外调制;微波信号发生器(4)的输出信号频率为fLO;电光强度调制器(5)的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,经过第二偏振控制器(6)后被射频信号发生器(7)产生的射频信号通过电光相位调制器(8)外调制;射频信号发生器(7)的输出频率为fS;电光相位调制器(8)的输出光经过掺铒光纤放大器(9)的光信号放大和扰偏器(10)的偏正态快速扰动后,作为连续探测光通过光隔离器(11)送入测试光纤(12);另一路经过第三偏振控制器(13)后被脉冲信号发生器(14)产生的脉冲信号通过第二电光强度调制器(15)外调制后产生脉冲光,该脉冲光被掺铒光纤放大器(16)放大后作为脉冲泵浦光通过光环形器(17)进入测试光纤(12);连续探测光顺序经过光电探测器(18)和带通滤波器(19)得到载频为fS的分量,该分量经过低噪声放大器(20)的放大后,加载在该载频上的幅度信息被IQ解调器(21)解调,IQ解调器解调出的I路及Q路信号被数据采集卡(22)采集。...

【技术特征摘要】
1.一种基于相位调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,激光器(1)输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器(2)分为两路;一路经过第一偏振控制器(3)后被微波信号发生器(4)产生的微波信号通过工作在载波抑制点的第一电光强度调制器(5)外调制;微波信号发生器(4)的输出信号频率为fLO;第一电光强度调制器(5)的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,经过第二偏振控制器(6)后被射频信号发生器(7)产生的射频信号通过电光相位调制器(8)外调制;射频信号发生器(7)的输出频率为fS;电光相位调制器(8)的输出光经过掺铒光纤放大器(9)的光信号放大和扰偏器(10)的偏正态快速扰动后,作为连续探测光通过光隔离器(11)送入测试光纤(12);另一路经过第三偏振控制器(13)后被脉冲信号发生器(14)产生的脉冲信号通过第二电光强度调制器(1...

【专利技术属性】
技术研发人员:闫连山李宗雷邵理阳张志勇潘炜罗斌
申请(专利权)人:西南交通大学
类型:发明
国别省市:四川;51

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