【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感
,具体涉及一种基于预泵浦脉冲和格雷(Golay)码编码的布里渊光时域分析仪(BOTDA)。
技术介绍
分布式光纤传感系统是一种用于连续测量光纤沿线任意位置温度、应变等物理量的传感系统,系统中的光纤既是光的传输介质同时也是传感载体,可实现长距离、大范围传感,是光纤传感的一个重要分支。在众多的分布式光纤传感系统中,基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(BOTDA),由于其具有传感距离长、测量精度高以及空间分辨率高等优势,在通信光缆、油气管道及大型建筑物等的结构监测中有着广阔的应用前景。在BOTDA系统中,脉冲泵浦光和连续探测光分别从光纤两端注入,当这两者的频差处于布里渊增益范围内时,它们之间通过受激布里渊散射效应发生能量转移,在脉冲光注入端探测随时间变化的布里渊散射信号以获取温度、应变等信息。由于BOTDA系统采用脉冲时域定位技术,减小泵浦脉冲的宽度可提高系统空间分辨率,但当光脉冲宽度小于声子寿命时(~10ns),光纤中不能建立起稳定的感应声场,这将导致布里渊增益减弱,系统的信噪比大大降低;而且随着泵浦脉冲变窄,布里渊增益谱会不断展宽,这将使得系统信噪比和测量精度下降。由上述分析可知,传统的BOTDA系统中,空间分辨率和传感距离这两者之间相互制约,通过减小泵浦脉冲脉宽提高空间分辨率,会严重限制系统的传感距离。在保持空间分辨率不降低的前提下,为了增加系统的传感距离,通常需要提高泵浦脉冲的峰值功率以保持较高信噪比,但由于调制不稳定性、自相位调制等非线性效应的存在,脉冲光所允许的最大注入功率受到限制, ...
【技术保护点】
一种基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,包括窄线宽半导体激光器(1)、耦合器(2)、第一掺铒光纤放大器(3)、第一偏振控制器(4)、单边带调制器(5)、微波源(6)、光隔离器(7)、传感光纤(8)、光环形器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、扰偏器(11)、电光强度调制器(12)、第二偏振控制器(13)、任意波形发生器(14)、光滤波器(15)、光电探测器(16)、信号采集及处理系统(17);所述窄线宽半导体激光器(1)发出的连续光经耦合器(2)后分成两路,其中:由耦合器(2)的端口(21)输出的连续光,经第一掺铒光纤放大器(3)进行光放大和第一偏振控制器(4)调整偏振态之后,注入由微波源(6)驱动的单边带调制器(5),所述微波源输出信号的频率为fm,所述单边带调制器(5)受微波源(6)驱动后产生移频量为fm的单边带信号作为探测光信号,所述探测光信号经光隔离器(7)之后输入传感光纤(8);由耦合器(2)的端口(22)输出的连续光,经第二偏振控制器(13)调整偏振态之后,通过任意波形发生器(14)控制的电光强度调制器(12)被调制成编码泵浦脉冲光,所述编码泵浦脉冲光经扰偏器( ...
【技术特征摘要】
1.一种基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,包括窄线宽半导体激光器
(1)、耦合器(2)、第一掺铒光纤放大器(3)、第一偏振控制器(4)、单边带调制器(5)、微波源(6)、
光隔离器(7)、传感光纤(8)、光环形器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、扰偏器(11)、电光强度
调制器(12)、第二偏振控制器(13)、任意波形发生器(14)、光滤波器(15)、光电探测器(16)、信
号采集及处理系统(17);所述窄线宽半导体激光器(1)发出的连续光经耦合器(2)后分成两路,
其中:由耦合器(2)的端口(21)输出的连续光,经第一掺铒光纤放大器(3)进行光放大和第一偏
振控制器(4)调整偏振态之后,注入由微波源(6)驱动的单边带调制器(5),所述微波源输出信号
的频率为fm,所述单边带调制器(5)受微波源(6)驱动后产生移频量为fm的单边带信号作为探测
光信号,所述探测光信号经光隔离器(7)之后输入传感光纤(8);由耦合器(2)的端口(22)输出的
连续光,经第二偏振控制器(13)调整偏振态之后,通过任意波形发生器(14)控制的电光强度调
制器(12)被调制成编码泵浦脉冲光,所述编码泵浦脉冲光经扰偏器(11)和第二掺铒光纤放大器
(10)后由光环形器(9)的端口(91)注入,然后由光环形器(9)的端口(92)输出至传感光纤(8)的另一
端;上述探测光信号和泵浦脉冲光信号在传感光纤(8)中相向传输并发生受激布里渊散射作
用,携带布里渊散射信息的探测光信号经光环形器(9)的端口(93)进入光滤波器(15),滤除自发
辐射噪声之后进入光电探测器(16)进行光电转换,信号采集及处理系统(17)采集光电探测器
(16)输出的编码布里渊时域散射信号;其特征在于:所述任意波形发生器(14)依次产生同时包
含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码和只包含预泵浦部分的Golay码,调制电光强度调制
器(12)产生编码泵浦脉冲光,依次获取两组编码布里渊时域散射信号,在后续信号处理过程
中对两组布里渊散射信号做差分运算,并对差分运算得到的信号进行解码、归一化处理得到
布里渊增益谱,再通过洛伦兹拟合即可得到传感光纤(8)沿线的布里渊频移分布,根据布里渊
频移与温度或应变的对应关系,实现光纤分布式温度或应变传感。
2.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述窄线宽半导体激光器(1)的线宽约为10kHz,远小于布里渊增益谱谱宽,工作波长约
为1550nm,输出功率为5dBm。
3.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述第一掺铒光纤放大器(3)为连续光放大器,用于补偿后续单边带调制器(5)、光隔离器
(7)的插入损耗,通过调节第一掺铒光纤放大器(3)的增益可以调整探测光的最终入纤功率,以
避免发生严重的泵浦消耗现象。
4.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述微波源(6)输出微波信号的频率fm从10GHz~12GHz之间连续可调,通过连续改变微
波信号的调制频率fm,即可实现布里渊频谱的扫频测量。
5.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述传感光纤(8)为普通单模石英光纤,在1550nm波长处的损耗约为0.2dB/km。
6.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述第二掺铒光纤放大器(10)为高功率光脉冲放大器,用于放大电光强度调制器(12)产生
的编码脉冲序列以获得较高的脉冲峰值功率,保证系统末端的信噪比,同时第二掺铒光纤放
\t大器(10)的增益不能过大,以避免出现增益饱和及泵浦消耗现象。
7.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述电光强度调制器(12)的消光比约为35dB,工作在线性工作点,根据任意波形发生器
(14)输入的编码电脉冲信号,依次产生同时包含预泵浦部分和主脉冲部分的Golay码编码和只
包含预泵浦部分的Golay码编码的光脉冲信号。
8.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述光电探测器(16)是带宽为350MHz的高速光电探测器,可满足窄泵浦脉冲条件下探
测布里渊时域散射信号的要求。
9.根据权利要求1所述基于预泵浦脉冲和格雷码编码的布里渊光时域分析仪,其特征在
于:所述信号采集及处理系统(17)由一台高速数字示波器及一台计算机组成,高速数字示波
器用于数据采集及平均,计算机对采集所得的数据进行处理及显示。
10.基于权利要求1所述布里渊光时域分析仪的布里渊光时域分析方法,其特征在于,
该方法包括如下步骤:
步骤一:将工作波长为1550nm、线宽约为10kHz的半导体激光器(1)产生的单频连续激
光输入到耦合器(2),经耦合器(2)分束成为探测光和泵浦光两个支路,分别从...
【专利技术属性】
技术研发人员:孟洲,孙乔,涂晓波,王建飞,陈羽,孙世林,陈默,陈伟,胡晓阳,
申请(专利权)人:中国人民解放军国防科学技术大学,
类型:发明
国别省市:湖南;43
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