艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统技术方案

本申请提供了一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统，通过掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，当泵浦激光源发出的泵浦光通过波分复用器的耦合进入到掺杂光纤中，利用掺杂光纤上所刻制的相移光栅，便可以产生波长间隔为预设固定值的多波长的单模窄线宽激光；然后，通过基于EOM的时域控制法完成超快调制，得到由多个频率线性递增的脉冲光连续拼接而成的内变频脉冲光，形成分布反馈光纤激光器的艾赫兹超快调制。这样，便可以在激光频率不变的前提下，提高输出激光的相干长度，进而可以有效解决现有的分布式光纤传感系统在高空间分辨率、长距离以及高频带相制约的问题。

Ehertz Ultrafast Modulated Pulse Scanning Laser and Distributed Optical Fiber Sensing System

【技术实现步骤摘要】
艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统
本申请涉及分布式光纤传感
，尤其涉及一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统。
技术介绍
由于分布式光纤传感技术可以实现沿光纤长度方向分布的被测物理量连续传感、测量，能够集传感、传输功能于一体，不仅能够完成在整条光纤长度上的分布式环境参量的空间、时间多维分布状态信息的连续测量，还能将分布式的测量信息实时、无损地传输到信息处理中心，同时，基于分布式光纤传感技术的传感系统具有结构简单、使用方便、单位长度内信号获取成本低、性价比高等优点，因此，该技术被广泛地应用于周界安防、管道泄漏、地震波勘探以及水听探测等诸多军事民用重要领域。分布式光纤传感技术可以分为OTDR(OpticalTimeDomainReflectometry，光时域反射法)及OFDR(OpticalFrequencyDomainReflectometry，光频域反射法)两种技术。其中，与OTDR相比，OFDR在超高空间分辨率指标上有着极大优势，其空间分辨率取决于OFDR系统中激光源的线性扫频范围，其线性扫频范围越大，则OFDR系统的空间分辨率越高，若光源具有足够宽的线性扫频范围，则能够实现非常高的空间分辨率。然而，OFDR的探测距离受限于激光源的光频扫描时间长度，光频扫描时间越长，则探测距离越长。但是，激光源的光频扫描时间越长，对应的频率越低，进而导致待测信号的频率上限受限制。因此，作为分布式光纤传感系统中的关键器件，如何通过对激光器的改进，以使分布式光纤传感系统在保持较高空间分辨率的同时延长OFDR测量距离，成为目前本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本申请提供了一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统，解决现有的分布式光纤传感系统在高空间分辨率、长距离以及高频带关键指标相制约的问题。根据本申请实施例的第一方面，提供了一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器，其主要包括泵浦激光源、第一波分复用器、级联相移光纤光栅、第二波分复用器、多个电光调制器、以及与所述多个电光调制器连接的控制器，其中：所述泵浦激光源的输出端与所述第一波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅为在掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，所述级联相移光纤光栅与所述第一波分复用器的第二端连接；第一波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接；所述第二波分复用器的各波长输出通道所输出的激光分别传输至一个所述电光调制器；所述控制器，用于在预设时长内，按照预设时间间隔依次选通所述多个电光调制器中的一个电光调制器。可选地，所述激光器还包括隔离器，其中：所述隔离器的一端与第一波分复用器的第三端连接、另一端与所述第二波分复用器的一端连接。可选地，所述激光器还包括信号放大器，其中：所述信号放大器的一端与第一波分复用器的第三端连接、另一端与所述第二波分复用器的一端连接。可选地，所述级联相移光纤光栅由N根并联的子掺杂光纤组成，N≥2，其中：各所述子级联相移光纤光栅的掺杂光纤上均刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻中心窗口波长之间的波长差值为第一预设固定值；所述第一预设固定值为所述级联相移光纤光栅所输出波长的波长间隔的N倍。可选地，所述泵浦激光源包括第一子泵浦激光源和第二子泵浦激光源，所述第一波分复用器包括第一子波分复用器和第二子波分复用器，其中：所述第一子泵浦激光源的输出端与所述第一子波分复用器的第一端连接，所述第二子泵浦激光源的输出端与所述第二子波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅分别与所述第一波分复用器和所述第二子波分复用器的第二端连接；所述第一波分复用器或所述第二子波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接。可选地，相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔大于或等于0.2nm。根据本申请实施例的第二方面，提供了一种分布式光纤传感系统，该系统包括本申请实施例第一方面所述的艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器。可选地，所述系统还包括与环形器、传感光纤、耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、拉第旋转镜以及相位解调器，其中：所述艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器的输出端与所述环形器的第一端连接，所述环形器的第二端与所述传感光纤连接，所述环形器的第三端与所述耦合器的第一端连接；所述耦合器的第二端分别与所述第一干涉臂和第二干涉臂的一端连接，所述第一干涉臂和第二干涉臂另一端分别连接一个所述拉第旋转镜，所述第一干涉臂和第二干涉臂的长度不相等；所述相位解调器与所述耦合器的第三端连接，用于解调所述传感光纤中的扰动信号所引起的相位变化。由以上实施例可见，本申请实施例提供的一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统，通过掺杂光纤上刻制多个中心窗口波长不同的相移光栅以形成级联相移光栅，当泵浦激光源发出的泵浦光通过波分复用器耦合进入到级联相移光栅中，便可以产生波长间隔为预设固定值的多个波长的激光；然后，通过基于电光调制器的时域控制法，对上述多个波长的激光完成超快调制，便得到由多个频率线性递增的脉冲光连续拼接而成的内变频脉冲光，进而可以提高分布式光纤传感系统中激光源的线性扫频范围，有效保证系统的空间分辨率。同时，基于上述级联相移光栅所输出激光的窄线宽特性、以及电光调制器的超快调制，可以在激光频率不变的前提下，提高激光器所输出激光的相干长度。因此，本实施提供的艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统，可以有效解决现有的分布式光纤传感系统在高空间分辨率、长距离以及高频带关键指标相制约的问题。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本专利技术。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请实施例提供的一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器的基本结构示意图；图2为本申请实施例提供的另一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器的基本结构示意图；图3为本申请实施例提供的一种分布式光纤传感系统的基本结构示意图；图4为后向瑞利散射光通过图3中的迈克尔逊干涉仪空间差分干涉的示意图；图5为图4中的延时信号与原始信号的时序对应关系示意图；图6为本申请实施例提供的另一种分布式光纤传感系统的基本结构示意图；图7为图6中的3×3耦合器相位解调光路示意图；图8为本申请实施例提供的基于3×3耦合器的相位解调算法的原理框图；图9为本申请实施例提供的正交优化后的3×3耦合器相位解调算法的原理框图；图10为本申请实施例提供的又一种分布式光纤传感系统的基本结构示意图；图11本申请实施例提供的相位载波解调算法的原理框图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本专利技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本专利技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。激光器是分布式光纤传感系统实现高精度动态检测的关键器件，激光器的参数决定分布式光纤传感的性能参数。其中，在OFD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器，其特征在于，包括泵浦激光源、第一波分复用器、级联相移光纤光栅、第二波分复用器、多个电光调制器、以及与所述多个电光调制器连接的控制器，其中：所述泵浦激光源的输出端与所述第一波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅为在掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，所述级联相移光纤光栅与所述第一波分复用器的第二端连接；第一波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接；所述第二波分复用器的各波长输出通道所输出的激光分别传输至一个所述电光调制器；所述控制器，用于在预设时长内，按照预设时间间隔依次选通所述多个电光调制器中的一个电光调制器。

【技术特征摘要】
1.一种艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器，其特征在于，包括泵浦激光源、第一波分复用器、级联相移光纤光栅、第二波分复用器、多个电光调制器、以及与所述多个电光调制器连接的控制器，其中：所述泵浦激光源的输出端与所述第一波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅为在掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，所述级联相移光纤光栅与所述第一波分复用器的第二端连接；第一波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接；所述第二波分复用器的各波长输出通道所输出的激光分别传输至一个所述电光调制器；所述控制器，用于在预设时长内，按照预设时间间隔依次选通所述多个电光调制器中的一个电光调制器。2.根据权利要求1所述的艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器，其特征在于，所述激光器还包括隔离器，其中：所述隔离器的一端与第一波分复用器的第三端连接、另一端与所述第二波分复用器的一端连接。3.根据权利要求1所述的艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器，其特征在于，所述激光器还包括信号放大器，其中：所述信号放大器的一端与第一波分复用器的第三端连接、另一端与所述第二波分复用器的一端连接。4.根据权利要求1所述的艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器，其特征在于，所述级联相移光纤光栅由N根并联的子级联相移光纤光栅组成，N≥2，其中：各所述子级联相移光纤光栅的掺杂光纤上均刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻中心窗口波长之间的波长差值为第一预设固定值；所述第一预设固定值为所述级联相移光纤光栅所...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚盈，王晨，王昌，倪家升，赵文安，李常，曹冰，黄胜，王英英，武延彬，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37