长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法，涉及光纤分布式声波传感领域；系统包括分布式放大单元，其包括大有效面积光纤、泵浦和波分复用器，泵浦的泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤，实现分布式放大；其方法包括步骤1：将光源经调制、放大获取探测脉冲光；步骤2：探测脉冲光和泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤；步骤3：探测脉冲光结合泵浦光在大有效面积光纤中进行分布式放大，产生功率提高的后向瑞利散射光；步骤4：后向瑞利散射光经环形器输出后进行转换和解调，完成分布式传感；本发明专利技术采用分布式放大和遥泵放大为探测脉冲光提供足够的增益以克服光纤损耗，提高探测脉冲光功率，大幅延长传感距离。

【技术实现步骤摘要】
长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法
本专利技术涉及长距离光纤分布式声波传感领域，尤其是长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法。
技术介绍
现代社会中，分布式光纤传感(DFOS)技术已经在各个领域得到广泛应用。DFOS抗电磁干扰能力强、灵敏度高、传感距离长，其中，基于相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)的光纤分布式声波传感系统(FODAS)受到了广泛关注，尤其在油气勘探、安防等领域展现出巨大的应用潜力。FODAS原理：在FODAS中，外界声场发生改变时，由于光弹效应，光纤中探测脉冲光的相位差随之发生改变，且与外界声场的频率一致、幅度成正比，通过解调探测脉冲光的后向瑞利散射信号的相位差就可以对外界声场进行还原。目前FODAS普遍采用普通单模光纤(SMF)作为传感光纤，传感距离较短，主要原因是普通SMF的非线性效应阈值较低，当发射的激光脉冲光功率超过普通SMF中的非线性效应阈值后，大量信号光能量会转移到非线性散射上，导致FODAS传感信噪比降低，因此，必须限制注入到传感光纤里的脉冲光功率。若通过增大脉冲光宽度来提高注入到传感光纤的功率，尽管其后向瑞利散射光强度会提高，但是由于FODAS系统的空间分辨率与脉冲光宽度有关，因此会牺牲FODAS的空间分辨率和频响范围。大有效面积光纤(LEAF)作为新一代通信光纤应运而生，应用于FODAS系统，其非线性效应阈值得到有效提高，传感距离得到进一步延伸，但是，受光纤损耗及后向瑞利散射的影响，脉冲光沿光纤传输过程中功率仍会呈指数衰减，传感距离提升有限；另一方面，若采用增大脉冲光入纤功率的方式，当脉冲光功率过高时，仍会产生非线性效应。因此，普通的大有效面积光纤分布式声波传感(LEAFFODAS)系统难以实现更长距离的分布式声波传感。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：本专利技术提供了长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法，解决现有LEAFFODAS系统难以实现更长距离的分布式传感的问题。本专利技术采用的技术方案如下：长距离光纤分布式声波传感的放大系统，包括依次连接的光源、光调制器、光放大器、环形器和光纤，所述环形器还依次连接信号探测单元和信号解调单元，所述光调制器还连接多频率电信号脉冲发生器，还包括用于为探测脉冲光提供增益以提高其功率较低处的后向瑞利散射光功率，实现长距离传感的分布式放大单元，所述分布式放大单元包括大有效面积光纤、泵浦和波分复用器，所述泵浦的泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤，实现分布式放大。优选地，所述泵浦包括泵浦A，所述波分复用器包括波分复用器A，所述泵浦A、波分复用器A和大有效面积光纤依次连接，实现单端泵浦分布式放大。优选地，所述泵浦包括泵浦A和泵浦B，所述波分复用器包括波分复用器A和波分复用器B，所述泵浦A、波分复用器A、大有效面积光纤、波分复用器B和泵浦B依次连接，实现双端泵浦分布式放大。优选地，还包括遥泵放大单元，所述遥泵放大单元包括设置在大有效面积光纤中部的有源光纤，泵浦光注入有源光纤为探测脉冲光提供更多增益，延长传感距离。优选地，所述泵浦包括泵浦A，所述波分复用器包括波分复用器A，所述泵浦A、波分复用器A和大有效面积光纤依次连接，所述有源光纤设置在大有效面积光纤中部，实现单端泵浦分布式放大和遥泵放大。优选地，所述泵浦包括泵浦A和泵浦B，所述波分复用器包括波分复用器A和波分复用器B，所述泵浦A、波分复用器A、大有效面积光纤、波分复用器B和泵浦B依次连接，所述有源光纤设置在大有效面积光纤中部，实现双端泵浦分布式放大和遥泵放大。长距离光纤分布式声波传感的放大方法，包括如下步骤：步骤1：将光源经光调制器和光放大器进行调制、放大获取探测脉冲光，并将探测脉冲光注入环形器；步骤2：泵浦产生的泵浦光和经环形器输出的探测脉冲光通过波分复用器进入大有效面积光纤，探测脉冲光结合泵浦光在大有效面积光纤中进行分布式放大，产生功率提高的后向瑞利散射光；步骤3：后向瑞利散射光经环形器输出后进行转换和解调，完成分布式传感。优选地，所述分布式放大包括单端泵浦分布式放大，泵浦包括泵浦A，波分复用器包括波分复用器A，则单端泵浦分布式放大包括如下步骤：步骤a1：泵浦A的泵浦光和探测脉冲光经波分复用器A进入大有效面积光纤，判断泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，泵浦光能量向探测脉冲光转移后跳至步骤b1，若未达到，则无法放大；步骤b1：当泵浦光能量全部转移到探测脉冲光后，探测脉冲光经历光纤衰减传输至链路尾端，获得功率提高的后向瑞利散射光，完成单端泵浦分布式放大。优选地，所述分布式放大包括双端泵浦分布式放大，泵浦包括泵浦A和泵浦B，波分复用器包括波分复用器A和波分复用器B，则双端泵浦分布式放大包括如下步骤：步骤a2：泵浦A的泵浦光作为探测脉冲光的前向泵浦，前向泵浦光和探测脉冲光经波分复用器A进入大有效面积光纤，判断前向泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，前向泵浦光能量向探测脉冲光转移后跳至步骤b2，若未达到，则无法放大；步骤b2：当前向泵浦光能量转移到探测脉冲光后，探测脉冲光功率提高并继续传输，完成前端泵浦分布式放大后跳至步骤c2；步骤c2：泵浦B的泵浦光进入波分复用器B作为探测脉冲光的后向泵浦，探测脉冲光传输至光纤尾端时，判断后向泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，后向泵浦光能量向探测脉冲光转移，获得功率提高的后向瑞利散射光，完成后端泵浦分布式放大，若未达到，则无法放大。优选地，所述分布式放大包括单端泵浦分布式放大及遥泵放大混合放大，泵浦包括泵浦A，波分复用器包括波分复用器A，所述大有效面积光纤中部设置用于遥泵放大的有源光纤，则采用单端泵浦分布式放大及遥泵放大混合放大包括如下步骤：步骤a1'：泵浦A的泵浦光和探测脉冲光经波分复用器A进入大有效面积光纤，判断泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，泵浦光能量向探测脉冲光转移后跳至步骤b1'，若未达到，则无法放大；步骤b1'：在泵浦光未完全消耗时，残余泵浦光注入有源光纤，获得功率提高的后向瑞利散射光，完成单端泵浦分布式放大及遥泵放大混合放大。优选地，所述分布式放大包括双端泵浦分布式放大及遥泵放大混合放大，泵浦包括泵浦A和泵浦B，波分复用器包括波分复用器A和波分复用器B，所述大有效面积光纤中部设置用于遥泵放大的有源光纤，则采用双端泵浦分布式放大及遥泵放大混合放大包括如下步骤：步骤a2'：泵浦A的泵浦光作为探测脉冲光的前向泵浦，前向泵浦光和探测脉冲光经波分复用器A进入大有效面积光纤，判断前向泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，前向泵浦光能量向探测脉冲光转移后跳至步骤b2'，若未达到，则无法放大；步骤b2'：当前向泵浦光能量转移到探测脉冲光后，探测脉冲光功率提高并继续传输，完成前端泵浦分布式放大后跳至步骤c2'；步骤c2'：在前向泵浦光未完全消耗时，残余前向泵浦光注入有源光纤，探测脉冲光功率提高后经历衰减继续传输后跳至步骤d2'；步骤d2'：泵浦B的泵浦光进入波分复用器B作为探测脉冲光的后向泵浦，探测脉冲光传输至光纤尾端时，判断后向泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，后向泵浦光能量向探测脉冲光转移，获得功率提高的后向瑞利散射光，完成双端泵浦分布式放大及遥泵放大混合放大，若未达到，则无法放大。综上所述，由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.长距离光纤分布式声波传感的放大系统，包括依次连接的光源(1)、光调制器(2)、光放大器(4)、环形器(5)和光纤，所述环形器(5)还依次连接信号探测单元(9)和信号解调单元(10)，所述光调制器(2)还连接多频率电信号脉冲发生器(3)，其特征在于：还包括用于为探测脉冲光提供增益以提高其功率较低处的后向瑞利散射光功率，实现长距离传感的分布式放大单元，所述分布式放大单元包括大有效面积光纤(8)、泵浦和波分复用器，所述泵浦的泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤(8)，实现分布式放大。

【技术特征摘要】
1.长距离光纤分布式声波传感的放大系统，包括依次连接的光源(1)、光调制器(2)、光放大器(4)、环形器(5)和光纤，所述环形器(5)还依次连接信号探测单元(9)和信号解调单元(10)，所述光调制器(2)还连接多频率电信号脉冲发生器(3)，其特征在于：还包括用于为探测脉冲光提供增益以提高其功率较低处的后向瑞利散射光功率，实现长距离传感的分布式放大单元，所述分布式放大单元包括大有效面积光纤(8)、泵浦和波分复用器，所述泵浦的泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤(8)，实现分布式放大。2.根据权利要求1所述的长距离光纤分布式声波传感的放大系统，其特征在于：所述泵浦包括泵浦A，所述波分复用器包括波分复用器A(7-1)，所述泵浦A、波分复用器A(7-1)和大有效面积光纤(8)依次连接，实现单端泵浦分布式放大。3.根据权利要求1所述的长距离光纤分布式声波传感的放大系统，其特征在于：所述泵浦包括泵浦A和泵浦B，所述波分复用器包括波分复用器A(7-1)和波分复用器B(7-2)，所述泵浦A、波分复用器A(7-1)、大有效面积光纤(8)、波分复用器B(7-2)和泵浦B依次连接，实现双端泵浦分布式放大。4.根据权利要求1所述的长距离光纤分布式声波传感的放大系统，其特征在于：还包括遥泵放大单元，所述遥泵放大单元包括设置在大有效面积光纤(8)中部的有源光纤，泵浦光注入有源光纤为探测脉冲光提供更多增益，延长传感距离。5.根据权利要求4所述的长距离光纤分布式声波传感的放大系统，其特征在于：所述泵浦包括泵浦A，所述波分复用器包括波分复用器A(7-1)，所述泵浦A、波分复用器A(7-1)和大有效面积光纤(8)依次连接，所述有源光纤设置在大有效面积光纤(8)中部，实现单端泵浦分布式放大和遥泵放大。6.根据权利要求4所述的长距离光纤分布式声波传感的放大系统，其特征在于：所述泵浦包括泵浦A和泵浦B，所述波分复用器包括波分复用器A(7-1)和波分复用器B(7-2)，所述泵浦A、波分复用器A(7-1)、大有效面积光纤(8)、波分复用器B(7-2)和泵浦B依次连接，所述有源光纤设置在大有效面积光纤(8)中部，实现双端泵浦分布式放大和遥泵放大。7.长距离光纤分布式声波传感的放大方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：将光源经光调制器和光放大器进行调制、放大获取探测脉冲光，并将探测脉冲光注入环形器；步骤2：泵浦产生的泵浦光和经环形器输出的探测脉冲光通过波分复用器进入大有效面积光纤，探测脉冲光结合泵浦光在大有效面积光纤中进行分布式放大，产生功率提高的后向瑞利散射光；步骤3：后向瑞利散射光经环形器输出后进行转换和解调，完成分布式传感。8.根据权利要求7所述的长距离光纤分布式声波传感的放大方法，其特征在于：所述分布式放大包括单端泵浦分布式放大，泵浦包括泵浦A，波分复用器包括波分复用器A，则单端泵浦分布式放大包括如下步骤：步骤a1：泵浦A的泵浦光和探测脉冲光经波分复用器A进入大有效面积光纤，判断泵浦光功率是否达到非线性效应阈值，若达到，泵浦光能量向探测脉冲光转移后跳至步骤b1，若未达到，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶云江，李康，韩冰，傅芸，冉曾令，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51