一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统技术方案

本实用新型专利技术涉及BOTDR分布式传感系统，具体是一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统。本实用新型专利技术解决了现有BOTDR分布式传感系统容易发生连续光泄漏、空间分辨率受限的问题。一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统，包括窄线宽激光器、1×2光纤耦合器、量子点SOA、FPGA脉冲发生装置、高速电流驱动器、脉冲放大器、第一自发辐射噪声滤波器、光环形器、掺铒光纤放大器、第二自发辐射噪声滤波器、扰偏器、2×1光纤耦合器、光电探测器、信号采集和处理装置；其中，窄线宽激光器的出射端与1×2光纤耦合器的入射端连接；1×2光纤耦合器的第一个出射端与量子点SOA的入射端连接。本实用新型专利技术适用于大型建筑结构健康的监测中。

A BOTDR distributed sensing system based on SOA modulated optical pulse

The utility model relates to a BOTDR distributed sensing system, in particular to a BOTDR distributed sensing system based on a SOA modulated optical pulse. The utility model solves the problem that the existing BOTDR distributed sensing system is prone to continuous light leakage and the spatial resolution is limited. Based on the SOA modulation pulse BOTDR distributed sensing system, including narrow linewidth lasers and 1 * 2 optical fiber coupler, SOA quantum dots, FPGA pulse generator, current driver, high speed, the first pulse amplifier spontaneous emission noise filter, optical circulator, erbium-doped fiber amplifier, second ASE noise filter, scrambler and 2 * 1 optical fiber coupler, photoelectric detector, signal acquisition and processing device; wherein, the output end of narrow linewidth laser with 1 * 2 optical fiber coupler incident end connection; 1 the first incident end and a quantum dot SOA * 2 optical fiber coupler is connected. The utility model is suitable for the health monitoring of large building structures.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及BOTDR分布式传感系统，具体是一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统。
技术介绍
BOTDR分布式传感系统不仅具有损耗低、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易于工程铺设等光纤传感特有的特性，还可以实现温度和应变的同时测量，且具有结构简单、单端接入、可检测断点以及可实现长距离高精度测量等优越性能，因此被广泛应用于大型建筑结构健康的监测中。现有BOTDR分布式传感系统的工作原理为：窄线宽激光器发出频率为ν0的连续光，连续光经光纤耦合器分为探测连续光和参考连续光，探测连续光经EOM（电光调制器）或AOM（声光调制器）调制生成探测脉冲光，探测脉冲光在待测光纤中产生频率为ν0±νB的自发布里渊散射信号，自发布里渊散射信号与参考连续光进行拍频获得待测光纤的布里渊频移νB，后经过数据处理获得待测光纤不同位置处的布里渊频谱信息，通过布里渊频移、功率与应变、温度的关系获得光纤沿线温度和应变的分布情况。然而，现有BOTDR分布式传感系统由于采用EOM或AOM进行探测脉冲光的调制，导致其存在如下问题：其一，EOM的偏压点难以长时间稳定，导致其调制生成的探测脉冲光存在消光比较低的问题，由此导致BOTDR分布式传感系统容易发生连续光泄漏。其二，AOM的调制速率较低，导致其无法调制生成脉宽为10ns的探测脉冲光，由此导致BOTDR分布式传感系统的空间分辨率受限。基于此，有必要专利技术一种全新的BOTDR分布式传感系统，以解决现有BOTDR分布式传感系统容易发生连续光泄漏、空间分辨率受限的问题。
技术实现思路
本技术为了解决现有BOTDR分布式传感系统容易发生连续光泄漏、空间分辨率受限的问题，提供了一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统。本技术是采用如下技术方案实现的：一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统，包括窄线宽激光器、1×2光纤耦合器、量子点SOA、FPGA脉冲发生装置、高速电流驱动器、脉冲放大器、第一自发辐射噪声滤波器、光环形器、掺铒光纤放大器、第二自发辐射噪声滤波器、扰偏器、2×1光纤耦合器、光电探测器、信号采集和处理装置；其中，窄线宽激光器的出射端与1×2光纤耦合器的入射端连接；1×2光纤耦合器的第一个出射端与量子点SOA的入射端连接；量子点SOA的出射端与脉冲放大器的入射端连接；脉冲放大器的出射端与第一自发辐射噪声滤波器的入射端连接；第一自发辐射噪声滤波器的出射端与光环形器的入射端连接；光环形器的出射端与掺铒光纤放大器的入射端连接；掺铒光纤放大器的出射端与第二自发辐射噪声滤波器的入射端连接；第二自发辐射噪声滤波器的出射端与2×1光纤耦合器的第一个入射端连接；1×2光纤耦合器的第二个出射端与扰偏器的入射端连接；扰偏器的出射端与2×1光纤耦合器的第二个入射端连接；2×1光纤耦合器的出射端与光电探测器的入射端连接；光电探测器的信号输出端与信号采集和处理装置的信号输入端连接；FPGA脉冲发生装置的信号输出端与高速电流驱动器的信号输入端连接；高速电流驱动器的信号输出端与量子点SOA的信号输入端连接。工作时，待测光纤的一端与光环形器的反射端连接，如图1所示。具体工作过程如下：窄线宽激光器发出连续光，连续光经1×2光纤耦合器分为探测连续光和参考连续光。探测连续光经量子点SOA调制生成探测脉冲光，探测脉冲光依次经脉冲放大器、第一自发辐射噪声滤波器进行放大、滤波（滤除放大的自发辐射噪声）后进入光环形器，并经光环形器进入待测光纤，由此使得待测光纤中产生后向散射光。后向散射光经光环形器进入掺铒光纤放大器，并依次经掺铒光纤放大器、第二自发辐射噪声滤波器进行放大、滤波（滤除放大的自发辐射噪声）后进入2×1光纤耦合器。参考连续光经扰偏器进行扰偏后进入2×1光纤耦合器。后向散射光和参考连续光在2×1光纤耦合器中进行拍频，由此产生拍频信号。拍频信号经光电探测器转换为电信号，电信号经信号采集和处理装置进行采集、处理和分析，由此得出待测光纤的温度和应变信息。在上述过程中，探测连续光经量子点SOA调制生成探测脉冲光的原理如下：启动FPGA脉冲发生装置，FPGA脉冲发生装置输出高低电平信号，高低电平信号进入高速电流驱动器。当FPGA脉冲发生装置输出高电平信号时，高速电流驱动器被触发并产生泵浦电流，泵浦电流注入量子点SOA，使得量子点SOA输出放大的光信号（量子点SOA中的激活介质吸收注入的泵浦电流后，位于源极的载流子数从低能级跃迁至高能级，产生粒子数反转，输入量子点SOA的探测连续光通过受激辐射激活这些电子，使其跃迁到较低的能级，由此产生放大的光信号）。当FPGA脉冲发生装置输出低电平信号时，高速电流驱动器不产生泵浦电流，量子点SOA不输出光信号（量子点SOA无泵浦电流注入，输入量子点SOA的探测连续光因半导体中没有达到载流子数反转而被量子点SOA源区材料吸收，由此不能输出光信号）。如此反复，量子点SOA输出的光信号即为探测脉冲光。在此过程中，通过调节FPGA脉冲发生装置输出的高低电平信号的脉宽和重复频率，即可调节量子点SOA输出的探测脉冲光的脉宽和重复频率。基于上述过程，本技术所述的一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，与EOM相比，本技术采用的量子点SOA不存在偏压点难以稳定的问题，并且具有高材料增益、噪声指数低的特点，因此其调制生成的探测脉冲光具有消光比高的特点，由此有效避免了系统发生连续光泄漏。其二，与AOM相比，本技术采用的量子点SOA不仅具有调制速率高的特点，而且具有增益恢复时间超快的特点，因此其能够调制生成脉宽为10ns的探测脉冲光，由此使得系统的空间分辨率不再受限。其三，本技术采用的量子点SOA还具有线宽加强因子极低、高饱和输出功率、低温度灵敏性、体积小等特点。其线宽加强因子极低的特点不仅有利于减小量子点SOA在光放大和响应中出现的信号畸变，还有助于减小探测脉冲光的上升沿与下降沿时间，由此保证了探测脉冲光的质量。其高饱和输出功率的特点保证了量子点SOA具有良好的线性增益，由此避免了非线性效应的发生。其低温度灵敏性的特点有利于实现高精度的温度控制。其体积小的特点使得系统结构简单、功耗小、便于集成。其四，本技术能够同时输出探测脉冲光和参考连续光，且二者为同源光（二者具有相同的频率、线宽、中心波长等光学性质），二者的同源性保证了系统中的后向散射光与参考连续光拍频时，两束光的频差为布里渊频移，由此有利于信号的提取。本技术有效解决了现有BOTDR分布式传感系统容易发生连续光泄漏、空间分辨率受限的问题，适用于大型建筑结构健康的监测中。附图说明图1是本技术的结构示意图。图中：1-窄线宽激光器，2-1×2光纤耦合器，3-量子点SOA，4-FPGA脉冲发生装置，5-高速电流驱动器，6-脉冲放大器，7-第一自发辐射噪声滤波器，8-光环形器，9-掺铒光纤放大器，10-第二自发辐射噪声滤波器，11-扰偏器，12-2×1光纤耦合器，13-光电探测器，14-信号采集和处理装置，15-待测光纤。具体实施方式一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统，包括窄线宽激光器1、1×2光纤耦合器2、量子点SOA3、FPGA脉冲发生装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统，其特征在于：包括窄线宽激光器（1）、1×2光纤耦合器（2）、量子点SOA（3）、FPGA脉冲发生装置（4）、高速电流驱动器（5）、脉冲放大器（6）、第一自发辐射噪声滤波器（7）、光环形器（8）、掺铒光纤放大器（9）、第二自发辐射噪声滤波器（10）、扰偏器（11）、2×1光纤耦合器（12）、光电探测器（13）、信号采集和处理装置（14）；其中，窄线宽激光器（1）的出射端与1×2光纤耦合器（2）的入射端连接；1×2光纤耦合器（2）的第一个出射端与量子点SOA（3）的入射端连接；量子点SOA（3）的出射端与脉冲放大器（6）的入射端连接；脉冲放大器（6）的出射端与第一自发辐射噪声滤波器（7）的入射端连接；第一自发辐射噪声滤波器（7）的出射端与光环形器（8）的入射端连接；光环形器（8）的出射端与掺铒光纤放大器（9）的入射端连接；掺铒光纤放大器（9）的出射端与第二自发辐射噪声滤波器（10）的入射端连接；第二自发辐射噪声滤波器（10）的出射端与2×1光纤耦合器（12）的第一个入射端连接；1×2光纤耦合器（2）的第二个出射端与扰偏器（11）的入射端连接；扰偏器（11）的出射端与2×1光纤耦合器（12）的第二个入射端连接；2×1光纤耦合器（12）的出射端与光电探测器（13）的入射端连接；光电探测器（13）的信号输出端与信号采集和处理装置（14）的信号输入端连接；FPGA脉冲发生装置（4）的信号输出端与高速电流驱动器（5）的信号输入端连接；高速电流驱动器（5）的信号输出端与量子点SOA（3）的信号输入端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统，其特征在于：包括窄线宽激光器（1）、1×2光纤耦合器（2）、量子点SOA（3）、FPGA脉冲发生装置（4）、高速电流驱动器（5）、脉冲放大器（6）、第一自发辐射噪声滤波器（7）、光环形器（8）、掺铒光纤放大器（9）、第二自发辐射噪声滤波器（10）、扰偏器（11）、2×1光纤耦合器（12）、光电探测器（13）、信号采集和处理装置（14）；其中，窄线宽激光器（1）的出射端与1×2光纤耦合器（2）的入射端连接；1×2光纤耦合器（2）的第一个出射端与量子点SOA（3）的入射端连接；量子点SOA（3）的出射端与脉冲放大器（6）的入射端连接；脉冲放大器（6）的出射端与第一自发辐射噪声滤波器（7）的入射端连接；第一自发辐射噪声滤波器（7）的出射端与光环形器（8）的入射端连接；光环形器（8）的出射端与掺铒光纤放大器（9）的入射端连接；掺铒光纤放大器（9）的出射端与第二自发辐射噪声滤波器（10）的入射端连接；第二自发辐射噪声滤波器（10）的出射端与2×1光纤耦合器（12）的第一个入射端连接；1×2光纤耦合器（2）的第二个出射端与扰偏器（11）的入射端连接；扰偏器（11）的出射端与2×1光纤耦合器（12）的第二个入射端连接；2×1光纤耦合器（12）的出射端与光电探测器（13）的入射端连接；光电探测器（13）的信号输出端与信号采集和处理装置（14）的信号输入端连接；FPGA脉冲发生装置（4）的信号输出端与高速电流驱动器（5）的信号输入端连接；高速电流驱动器（5）的信号输出端与量子点SOA（3）的信号输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统，其特征在于：窄线宽激光器（...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明江，刘瑞霞，刘毅，张建忠，白清，李哲哲，靳宝全，王云才，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：新型
国别省市：山西;14