一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统技术方案

一种距离分布式布喇格光纤光栅传感系统，该系统采用了双级掺铒光纤和双向拉曼放大结构。由于将拉曼放大器的低噪声特性和ＥＤＦＡ的高增益很好的结合在一起，使得系统性能大为提高，一方面降低了系统对泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率，另一方面极大地延长传感系统的传感距离，同时还可以提高系统中布拉格光线光栅传感器的复用能力，大大降低系统的成本。该系统可以形成单向型传感结构和多路并联传感结构这两种结构形式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感器
，具体涉及一种分布式布拉格光纤光栅传感系统。
技术介绍
布拉格光纤光栅(FBG)是一种传输方向相反的模式之间发生耦合而反射特定波长的光纤滤波器，它在受到外界环境的温度、应力、压力的影响时其中心波长会发生变化。根据这一原理，可以通过对布拉格光纤光栅波长量变化的监测来测量外界环境物理量的变化。布拉格光纤光栅以其成本低、体积小、抗电磁干扰、复用能力强、易于封装、可大规模生产等突出优点而成为光纤传感器家族中最为重要的一员，可用于温度、应变、压力、位移、声波物理量的测量(见A.D.Kersey et al.1997 J.Lightwave Technol.151442；Y.J.Rao，Measure.1997 Sci.& Technol.8355等)，目前已广泛用于民用建筑、大坝、桥梁、隧道、飞机、军舰等的健康检测以及复合材料、智能结构的无损检测(见Y.J.Rao 1999 Opt.and Laser.InEng.31 297)，是目前光纤传感器中产业化最好的传感器，被誉为光纤传感领域里程碑式的革命。单个布拉格光纤光栅的工作线宽非常窄，可以从0.01纳米到几个纳米，而现在光谱仪的分析精度也达到了相同的数量级。基于这一特点，可以在一根光纤上大量复用布拉格光纤光栅而实现准分布式测量，然而随着布拉格光纤光栅数量和传感距离的增加，由于后向瑞利散射光和光纤的背景损耗以及传感器本身的插入损耗，必然会使得传感器光信号的强度和信噪比不断下降，这使得普通布拉格光纤光栅传感系统的传感长度一般被限制在25km以内。一直以来长距离测量和大容量传感器复用是一个急待解决又悬而未决的难题。为了实现长距离遥测，曾经报道过几个基于拉曼放大的方法。Y.Nakajima等曾提出在被动FBG传感系统中使用分布式拉曼放大来延长传输距离(Y.Nakajima，Y.Shindo，and T.Yoshikawa，“Novel concept as long-distance transmission FBG sensor system usingdistributed Raman amplification，”in Proc.16th International Conference on OpticalFiber Sensors(Nara Japan，October)，Th1-4，2003)。P.C.Peng等提出使用基于FBG和光纤环路反射的线性腔拉曼激光结构来获得高分辨率和光学信噪比(P.-C.Peng，H.-YTseng，and Sien Chi，“Long-distance FBG sensor system using a linear-cavity fiberRaman laser scheme，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，pp.575-577，2004)。Ju Han Lee等提出基于拉曼放大的，使用带掺饵光纤(EDF)和布拉格光纤光栅(FBG)来同时测量温度和应力。此外，他们还提出了基于拉曼放大，使用EDF宽带光源重复利用拉曼泵浦的剩余光进行长距离FBG应力遥感(Ju Han Lee，You Min Chang，Young-Geun Han，et al.“Ramanamplifier-based long-distance remote，strain and temperature sensing system usingan erbium-doped fiber and a fiber Bragg grating”.Optics Express，12，No.15，pp.3515-3520，2004)。图1为现有技术种一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，该系统包括泵浦激光光源1、耦合器2、反射镜3、宽带波分复用器4、光谱仪5、掺饵光纤6、隔离器7、可调衰减器8、耦合器9、宽带波分复用器10、和若干布拉格光纤光栅11，各器件之间用单模光纤连接；泵浦激光光源输出端与耦合器2的输入端相连，耦合器2的一个输出端接宽带波分复用器4的输入端，耦合器2的另一个输出端接宽带波分复用器10的一个输入端；宽带波分复用器4的一个输出端与掺饵光纤6的输入端相连，另一个输出端接反射镜3；掺饵光纤6的输出端与隔离器7的输入端相连，隔离器7的输出端与可调衰减器8的输入端相连，可调衰减器8的输出端与耦合器9的输入端相连；耦合器9的一个输出端接宽带波分复用器10的另一个输入端，耦合器9的另一个输出端接光谱仪5；宽带波分复用器10的输出端顺序连接上若干个布拉格光纤光栅11。该系统的工作过程是泵浦激光光源1所发出的激光经耦合器2分成各50％的两路光输出，一路经宽带波分复用器4后输入到掺饵光纤6并被掺饵光纤6展宽成宽带光源，该宽带光源顺序经过隔离器7、可调衰减器8、耦合器9、宽带波分复用器10后沿光纤传播；耦合器2的另一路光输出经宽带波分复用器10后也沿光纤传播；光纤上的布拉格光纤光栅反射回传感光被耦合器2的另一路光输出进行拉曼放大后沿路返回，经宽带波分复用器10、耦合器9后进入光谱仪。其中，掺饵光纤6的一部分反射光被反射镜3反射以减少能量损失；隔离器7的作用是隔离布拉格光纤光栅反射回的传感光以减少整个光路的相位噪声；可调衰减器8的作用是当掺饵光纤6输出的宽带光源能量太强时，衰减掉一部分能量以减少整个光路的相位噪声。该系统虽然可以实现长距离(50公里范围)光纤传感，但是，若要实现长距离的传感，一方面泵浦激光光源需要很大的泵浦功率(这需要大量增加整个系统的成本)；另一方面该系统应用于长距离传感时，布拉格光纤光栅反射的传感信号衰减得很厉害；再者，布拉格光纤光栅反射的传感信号的信噪比比应用于短距离传感时的信噪比下降很大，甚至丧失实用价值。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于拉曼和掺饵光纤混合放大(EDFA)的长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，该系统可以提高泵浦的效率，极大地延长传感系统的传感距离，提高传感系统的性能，同时可以大大降低系统的成本。本专利技术的技术方案如下一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，包括泵浦激光光源1、耦合器2、反射镜3、宽带波分复用器4、光谱仪5、掺饵光纤6、隔离器7、可调衰减器8、耦合器9、宽带波分复用器10、和若干布拉格光纤光栅11、各器件之间用单模光纤连接；泵浦激光光源输出端与耦合器2的输入端相连，耦合器2的一个输出端接宽带波分复用器4的输入端，耦合器2的另一个输出端接宽带波分复用器10的一个输入端；宽带波分复用器4的一个输出端与掺饵光纤6的输入端相连，另一个输出端接反射镜3；掺饵光纤6的输出端与隔离器7的输入端相连，隔离器7的输出端与可调衰减器8的输入端相连，可调衰减器8的输出端与耦合器9的输入端相连；耦合器9的一个输出端接宽带波分复用器10的另一个输入端，耦合器9的另一个输出端接光谱仪5；宽带波分复用器10的输出端顺序连接上若干个布拉格光纤光栅11；其特征是，该系统还包括宽带波分复用器12、环行器13、掺饵光纤14、宽带波分复用器15、环行器16和布拉格光纤光栅17；宽带波分复用器12的输入端于布拉格光纤光栅11的最后一个光纤光栅相连，其一个输出端与环行器13的端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长距离分布式布拉格光纤光栅传感系统，包括泵浦激光光源（１）、耦合器（２）、反射镜（３）、宽带波分复用器（４）、光谱仪（５）、掺饵光纤（６）、隔离器（７）、耦合器（９）、宽带波分复用器（１０）、和若干布拉格光纤光栅（１１）、各器件之间用单模光纤连接；泵浦激光光源输出端与耦合器（２）的输入端相连，耦合器（２）的一个输出端接宽带波分复用器（４）的输入端，耦合器（２）的另一个输出端接宽带波分复用器（１０）的一个输入端；宽带波分复用器（４）的一个输出端与掺饵光纤（６）的输入端相连，另一个输出端接反射镜（３）；掺饵光纤（６）的输出端与隔离器（７）的输入端相连，隔离器（７）的输出端与耦合器（９）的输入端相连；耦合器（９）的一个输出端接宽带波分复用器（１０）的另一个输入端，耦合器（９）的另一个输出端接光谱仪（５）；宽带波分复用器（１０）的输出端顺序连接上若干个布拉格光纤光栅（１１）；其特征是，该系统还包括宽带波分复用器（１２）、环行器（１３）、掺饵光纤（１４）、宽带波分复用器（１５）、环行器（１６）和布拉格光纤光栅（１７）；宽带波分复用器（１２）的输入端于布拉格光纤光栅（１１）的最后一个光纤光栅相连，其一个输出端与环行器（１３）的端口（２）相连，另一个输出端与宽带波分复用器（１５）的输入端相连；环行器（１３）的端口（３）通过掺饵光纤（１４）与宽带波分复用器（１５）的一个输出端相连，环行器（１３）的端口（１）与环行器（１６）的端口（３）相连；宽带波分复用器（１５）的另一个输出端与环行器（１６）的端口（１）相连，环行器（１６）的端口（２）与若干布拉格光纤光栅（１７）相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：饶云江，冉曾令，陈容睿，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]