高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统技术方案

本发明专利技术公开高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统，包括：激光器；耦合器1，与激光器和耦合器2相连；半导体光放大器，与耦合器1相连；相位调制器，与半导体光放大器相连；信号发生器1，与半导体光放大器相连；信号发生器2，与相位调制器相连；掺铒光纤放大器，与相位调制器相连；融合弱光栅阵列；环形器，与掺铒光纤放大器

【技术实现步骤摘要】
高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统
。

技术介绍

[0002]光纤不仅具有传光的特性，而且本身就可以构成一种新的直接交换信息的元件
。
光纤传感器的基本原理是外界被测参数通过各种光学效应使光纤中传输的光的强度
、
频率
、
相位
、
偏振等特性发生变化，被调制的信号光经光探测器解调而获得被测物理量的值
。
光纤传感器与常规电子式传感器相比具有以下优点：抗电磁干扰能力强
、
耐腐蚀
、
绝缘性高
、
测量范围大
、
易于远距离遥测便于成网
、
保密性好
、
重量轻
、
可微型化等
。
其中，抗电磁干扰能力强
、
耐腐蚀
、
绝缘性高以及易于远距离测量的特性使得光纤传感器在常规电子式传感器使用受限的电力领域中有广泛的应用前景
。
[0003]分布式光纤传感无需专门制作传感器，并可同时测量获得沿光纤路径上时间和空间的连续分布信息，完全克服了点式传感器
(
如电子式传感器
)
难以对被测场进行全方位连续监测的缺陷
。
分布式光纤传感技术利用光纤中的光散射效应来实现被测信息的传感
。
根据不同的散射类型，分布式光纤传感技术又可分为：基于背向瑞利散射的光纤分布式传感技术
、
基于拉曼散射的光纤分布式传感技术和基于布里渊散射的分布式光纤传感技术
。
但无论是哪种散射类型的分布式光纤传感技术，其灵敏度和信噪比都受到背向散射光强度的限制
。
为了解决这个问题，出现了分布式弱光栅阵列传感技术，通过将反射率相等的极弱反射光栅阵列以等间距写入传感光纤，用以产生功率较高而且稳定的反射信号来代替光纤中的瑞利散射，从而获取高灵敏度和
20dB
左右的信噪比提升
。
[0004]分布式弱光栅阵列传感系统中，空间分辨率严格等同于光栅间距
。
因此，若想要实现高空间分辨率的传感系统，就需要极窄脉冲宽度的脉冲
。
而在传统的光栅系统中，脉冲宽度受限于
AOM
的较慢的上升时间，受限的信噪比和传感距离限制了高空间分辨率的实现
。
另外，高密度的光栅间距意味着高的传输损耗，系统的信噪比和传感距离会受到限制
。
除此之外，目前的分布式弱光栅阵列传感系统都是基于
AOM
调幅的，而
AOM
会由于脉冲斩波信号与频率调制信号时钟不同源的问题产生随机相位噪声，从而降低系统信噪比
。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统，实现更窄脉冲间距和更大幅度的脉冲，信噪比高，空间分辨率高，传感距离长，无需锁相
。
[0006]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，包括：
[0008]激光器；
[0009]耦合器1，与激光器和耦合器2相连，用于对激光器发出的连续光进行分束，形成信
号光和参考光；
[0010]半导体光放大器，与耦合器1相连，通过对耦合器1分出的信号光进行调制，产生具有特定周期
、
特定宽度的脉冲光；
[0011]相位调制器，与半导体光放大器相连，通过对半导体光放大器发出的脉冲光进行线性相位调制，得到部分区域相位线性增加；
[0012]信号发生器1，与半导体光放大器相连，用于产生具有特定周期
、
特定宽度和特定峰峰值的脉冲电信号；
[0013]信号发生器2，与相位调制器相连，用于产生具有特定周期
、
特定峰值
、
特定上升时间的线性增加的电信号；
[0014]掺铒光纤放大器，与相位调制器相连，用于对调幅和调相后的脉冲光进行进一步功率放大；
[0015]融合弱光栅阵列，包括多组光栅，每组光栅包括多根传感光纤，各个光栅处产生反射光，承载光纤沿线的扰动信息；
[0016]环形器，与掺铒光纤放大器
、
融合弱光栅阵列和耦合器2相连，用于将经过功率放大后的脉冲光导入融合弱光栅阵列的传感光纤，并且将各个光栅上的反射光传入到耦合器2；
[0017]耦合器2，用于对反射光信号和参考光信号进行合束，叠加形成干涉光；
[0018]探测器，采用光电探测器，用于将光信号转换为电信号并输出至采集卡；
[0019]采集卡，用于将采集到的模拟信号数字化并输出至处理器；
[0020]处理器，用于对采集到的数据进行分析处理，从而实现对融合弱光栅阵列的传感光纤沿线的扰动定位和测量；
[0021]激光器发出的连续光被耦合器1分为信号光和参考光，信号光被半导体光放大器
SOA
调幅，由脉冲信号发生器控制，调制成具有窄脉冲宽度的脉冲光；脉冲光被相位调制器
PM
调相，由信号发生器2控制，调制成部分区域具有一个周期的相位变化；调幅和调相后的脉冲，由掺铒光纤放大器
EDFA
放大后，通过环形器
CIR
进入光栅；脉冲在光栅上产生的反射光，由
CIR
返回后与参考光发生干涉，干涉光由探测器探测，采集卡采集，最后送入处理器进行信号处理
。
[0022]进一步的，所述信号发生器1发出脉冲电信号给半导体光放大器实现调幅，脉冲的脉冲宽度为
t1，满足：
[0023][0024]其中，
c
为光在真空中的传播速度，
n
为光纤的等效折射率，
L
为融合弱光栅阵列中相邻光栅的间距
。
[0025]进一步的，所述信号发生器1发出同步信号，作为信号发生器2的触发信号，信号发生器2发出线性增加的电信号给
PM
实现调相，电信号的电压范围需要满足：
[0026]最小电压为
0V
，最大电压需要大于
2V
π
，其中，
V
π
为
PM
的半波电压
。
[0027]进一步的，所述耦合器1的耦合比为
99
：1，所述耦合器2的耦合比为
50
：
50。
[0028]进一步的，所述由半导体光放大器和相位调制器调制的脉冲，光场分布为
E1，脉冲光的角频率为
ω
，电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，包括：激光器；耦合器1，与激光器和耦合器2相连，用于对激光器发出的连续光进行分束，形成信号光和参考光；半导体光放大器，与耦合器1相连，通过对耦合器1分出的信号光进行调制，产生具有特定周期
、
特定宽度的脉冲光；相位调制器，与半导体光放大器相连，通过对半导体光放大器发出的脉冲光进行线性相位调制，得到部分区域相位线性增加；信号发生器1，与半导体光放大器相连，用于产生具有特定周期
、
特定宽度和特定峰峰值的脉冲电信号；信号发生器2，与相位调制器相连，用于产生具有特定周期
、
特定峰值
、
特定上升时间的线性增加的电信号；掺铒光纤放大器，与相位调制器相连，用于对调幅和调相后的脉冲光进行进一步功率放大；融合弱光栅阵列，包括多组光栅，每组光栅包括多根传感光纤，各个光栅处产生反射光，承载光纤沿线的扰动信息；环形器，与掺铒光纤放大器
、
融合弱光栅阵列和耦合器2相连，用于将经过功率放大后的脉冲光导入融合弱光栅阵列的传感光纤，并且将各个光栅上的反射光传入到耦合器2；耦合器2，用于对反射光信号和参考光信号进行合束，叠加形成干涉光；探测器，采用光电探测器，用于将光信号转换为电信号并输出至采集卡；采集卡，用于将采集到的模拟信号数字化并输出至处理器；处理器，用于对采集到的数据进行分析处理，从而实现对融合弱光栅阵列的传感光纤沿线的扰动定位和测量
。2.
根据权利要求1所述的高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述信号发生器1发出脉冲电信号给半导体光放大器实现调幅，脉冲的脉冲宽度为
t1，满足：其中，
c
为光在真空中的传播速度，
n
为光纤的等效折射率，
L
为融合弱光栅阵列中相邻光栅的间距
。3.
根据权利要求1所述的高空间分辨率且无需锁相的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述信号发生器1发出同步信号，作为信号发生器2的触发信号，信号发生器2发出线性增加的电信号给
PM
实现调相，电信号的电压范围需要满足：最小电压为
0V
，最大电压需要大于
2V
π

【专利技术属性】
技术研发人员：魏广庆，贾立翔，张劲峰，豆为俊，
申请(专利权)人：苏州南智传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：