基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置與方法
【專利摘要】一種基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方法，包括光脈沖信號產生單元（100），產生的光脈沖信號經擾偏器（106）后進入環(huán)形器（107）的第一個端口，從環(huán)形器的第二個端口進入到傳感光纖（108），脈沖信號光在傳感光纖108中的背向散射光經環(huán)形器的第三個端口進入到濾波器單元（109），濾波器單元（109）輸出的信號光與本振光單元（110）輸出的光經耦合器（117）耦合后進探測與信號處理單元（118）中，由探測和信號處理單元(118)對信號進行采集和處理；該布里淵光時域反射儀傳感光纖采用的是單模傳感光纖，該傳感光纖是由多組不同布里淵頻移組成的傳感光纖。
【專利說明】基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置與 方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的裝置，以及一 種增加光纖布里淵散射閾值的方法，主要應用于長距離連續(xù)分布式布里淵光纖傳感等技術 領域。

【背景技術】
[0002] 在連續(xù)分布式光纖傳感中，以自發(fā)布里淵散射為基礎的布里淵光時域反射儀 (B0TDR)在各種結構安全的診斷和監(jiān)測上有著非常重要的應用，B0TDR主要是利用光纖中 自發(fā)布里淵散射光譜頻移量與光纖溫度和所受應力的線性關系來獲取光纖沿線溫度與應 力的分布情況。因為布里淵光時域反射儀利用的是自發(fā)布里淵散射，這就要求入射光不能 超過一定的閾值功率，如果注入光功率超過一定閾值的時候，布里淵散射迅速增強，散射 就變成受激布里淵散射，受激布里淵散射將把絕大部分輸入光轉換為后向斯托克斯光，降 低了入射光的前向傳輸距離，限制了傳感的距離。傳感距離的增加，一方面需要高的注入 光功率，另一方面降低了布里淵閾值，而布里淵閾值的降低，又限制了傳感的距離。人們 對提高光纖布里淵閾值做了一些研究，但設計的抑制布里淵光纖主要是在短距離的布里淵 光纖激光器上。同時，對B0TDR而言，由于利用的自發(fā)布里淵散射光比較弱，且在普通單模 光纖中對于1550nm的入射光，布里淵頻移約為11GHz，所以利用直接探測的方法很難獲得 準確的布里淵散射信號，這就帶來了較大的測量誤差。隨著探測器帶寬的增加，等效噪聲 功率值越大，即可探測到的最小功率越大，影響了 B0TDR系統(tǒng)的溫度和應變的分辨率。此 夕卜，B0TDR系統(tǒng)的空間分辨率受探測脈沖寬度和探測器的帶寬限制，要提高空間分辨率必 須減小探測脈沖寬度，且需要增加探測器的帶寬，而探測器帶寬越寬，因此系統(tǒng)的空間分辨 率和溫度、應變的分辨率難以同時提高。由于普通單模光纖自身結構的限制，使得在普通 單模光纖的受激布里淵閾值較低，當發(fā)生受激布里淵散射時，絕大部分入射光轉換成背向 散射光，這就影響了傳感的距離。為了增加傳感距離，必須提高探測信號的功率；而隨著 傳感距離的增加，受激布里淵散射的閾值在降低，越容易產生受激布里淵散射，這就限制 了 B0TDR中的傳感距離。路元剛等提出的發(fā)明專利，授權號：CN100504309C采用微波源和 電光調制器的方法降低了探測器的帶寬，但是，在微波段11GHz電子學檢測難度較大，而且 價格很昂貴。有的學者提出了取代相干檢測系統(tǒng)中的微波信號源的方案，2007年美國的 J. Geng(J. Geng, S. Staines, M. Blake, and S. Jiang, "Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering, "App. Opt. 46, 5928-5932, 2007)報道了一種不需要微波信號源的布里淵時域 反射儀，其核心是利用一個布里淵激光器作為本振光，這種方法可以降低探測器的帶寬， 但是該本振光的系統(tǒng)比較復雜，而且必須采用另外一個高精度的微波源和電光調制器，微 波源和調制器的精度限制了系統(tǒng)的性能，也增加了系統(tǒng)的成本。2009年日本NTT公司的 D.Iida(D. Iida and F. Ito, "Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin optical time domain reflectometry using a reference Brillouin scattering beam, ，'App. Opt. 48, 4302-4309, 2009)報道了另外一種不需要微波源的布里淵光時域反射儀，利用的是 一根與傳感光纖不同的光纖產生的布里淵散射光作為本振光，通常在光纖中布里淵散射光 (約30MHz)的線寬比一般的DFB激光器的線寬（l-5MHz)寬好幾倍，由于本振光的線寬較寬 影響了測量的精度。張旭蘋等提出的發(fā)明專利，授權號：CN102393182A，三層結構傳感光纖 結合布里淵激光器單元的布里淵光時域反射儀，降低了探測器的帶寬，但是該發(fā)明在實施 過程中沒有指明掃頻的方法。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明目的是：為了克服現(xiàn)有技術的缺點，提高布里淵光時域反射儀的測量精度 和傳感長度，以及降低探測器的電子帶寬等問題，本發(fā)明提供一種基于低布里淵散射閾值 傳感光纖的光時域反射儀的裝置與方法及其基于多段不同布里淵頻移光纖結構的傳感光 纖，提出的傳感光纖不僅能夠提高布里淵閾值增加傳感距離，而且能夠降低布里淵頻移減 小探測器的帶寬；同時，通過設計出簡單的布里淵環(huán)形腔激光器作為相干探測的本振光，大 大降低了探測器的帶寬，本振光單元利用設計的基于TEC溫度控制單元進行掃頻控制，提 高布里淵光時域反射儀的測量精度。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射 儀的設置方法，包括光脈沖信號產生單元100,產生的光脈沖信號經擾偏器106后進入環(huán)形 器107的第一個端口，從環(huán)形器的第二個端口進入到傳感光纖108,脈沖信號光在傳感光纖 108中的背向散射光經環(huán)形器107的第三個端口進入到濾波器單元109,濾波器單元109 輸出的信號光與本振光單兀110輸出的光經f禹合器117 f禹合后進探測與信號處理單兀118 中，由探測和信號處理單元（118)對信號進行采集和處理。所述光脈沖信號產生單元100 是由激光器101發(fā)出的連續(xù)光，經耦合器102分光后，一路連續(xù)光進入到偏振控制器103,經 調制器105調制成具有一定脈寬的光脈沖信號，該調制器由脈沖發(fā)生器104驅動與控制，為 了控制光脈沖信號的偏振態(tài)，光脈沖信號經過擾偏器106后，通過環(huán)形器107進入到傳感光 纖108。該布里淵光時域反射儀傳感光纖108采用的是單模傳感光纖，該傳感光纖108是由 多組不同布里淵頻移組成的傳感光纖。
[0005] 所述多組不同布里淵頻移組成的傳感光纖：每組不同布里淵頻移組成的傳感光纖 是指從低布里淵頻移光纖到高布里淵頻移光纖組合的傳感光纖；或從高布里淵頻移光纖到 低布里淵頻移光纖組合的傳感光纖；上述從低布里淵頻移光纖到高布里淵頻移光纖指從入 射光端口開始分布的頻移光纖，設低布里淵頻移光纖到高布里淵頻移光纖之間的布里淵頻 移差為S fB，第一段(和第二光纖長度可以相同或相異）光纖(低或高布里淵頻移光纖，其長 度可以相同或不相同）的長度為X ;例如每段光纖長度為l±〇. 5km，組數(shù)為1-20組。
[0006] 多組與二段傳感光纖的組合不同布里淵頻移組成的傳感光纖通過拉制或通過熔 接獲得所需的傳感光纖。
[0007] 另設有本振光單元（110)、信號探測與處理單元（118)。
[0008] 所述光脈沖產生單元100也可以是能產生一定脈沖寬度的窄線寬脈沖激光器。脈 沖發(fā)生器用于驅動調制器產生脈沖和時鐘控制。
[0009] 所述光脈沖信號產生單元100中的調制器105可以是電光調制器、聲光調制器， 也可以是其它的調制器，所述調制器105可以是單個調制器也可以是多個調制器組成的調 制器陣列。所述本振光單元110為單頻布里淵激光器，它是由摻鉺光纖放大器111，環(huán)形器 112,單模光纖113,隔離器114,耦合器115和基于TEC溫度控制器單元116構成的布里淵 激光器。
[0010] 所述基于溫度控制器單元116為基于TEC的溫度控制器，也可以是其它高靈敏溫 度、應力控制器等。
[0011] 所述濾波器單元109可以是能達到將背向瑞利散射光和背向布里淵散射光分離 的反射式光纖光柵，法布里-珀羅干涉儀，或者多個光纖光柵及隔離器組成的光纖光柵濾 波器，其他光濾波器等中的一種。
[0012] 所述探測和信號處理單元117是由探測器118和信號處理器119組成；所述探測 器118可以是高靈敏度的探測器，也可以是其他的平衡探測器等。
[0013] 所述信號處理器119可以由頻譜分析儀或采集卡與計算機或者高速數(shù)字示波器 組合等。
[0014] 在光纖中影響布里淵閾值功率的因素有很多，除了光纖長度、有效纖芯面積、光纖 損耗等外，還與光纖長度上布里淵頻移分布所引起的布里淵增益有關。通常，在光纖長度上 布里淵頻移相同的光纖，布里淵增益可以視為常數(shù)來處理，而在不同布里淵頻移分布的光 纖中，布里淵增益就受到布里淵頻移分布的影響。
[0015] 當入射光注入到光纖時，泵浦光功率IP(Z)與斯托克斯光功率Is(f，z)以及頻率f 的關系，可以表不為：
[0016]

【權利要求】
1. 一種基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方法，其特征在于：包 括光脈沖信號產生單元（100)，產生的光脈沖信號經擾偏器（106)后進入環(huán)形器（107)的 第一個端口，從環(huán)形器的第二個端口進入到傳感光纖（108)，脈沖信號光在傳感光纖108中 的背向散射光經環(huán)形器的第三個端口進入到濾波器單元（109)，濾波器單元（109)輸出的 信號光與本振光單元（110)輸出的光經耦合器（117)耦合后進探測與信號處理單元（118) 中，由探測和信號處理單元（118)對信號進行采集和處理；所述光脈沖信號產生單元（100) 是由激光器（101)發(fā)出的連續(xù)光，經耦合器（102)分光后，一路連續(xù)光進入到偏振控制器 (103)，經調制器（105)調制成具有一定脈寬的光脈沖信號，該調制器由脈沖發(fā)生器（104) 驅動與控制，為了控制光脈沖信號的偏振態(tài)，光脈沖信號經過擾偏器106后，通過環(huán)形器 (107)進入到傳感光纖（108);該布里淵光時域反射儀傳感光纖采用的是單模傳感光纖，該 傳感光纖是由多組不同布里淵頻移組成的傳感光纖。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方 法，其特征在于：所述多組不同布里淵頻移組成的傳感光纖：每組不同布里淵頻移組成的 傳感光纖是指從低布里淵頻移光纖到高布里淵頻移光纖組合的二段光纖的組合，或從高布 里淵頻移光纖到低布里淵頻移光纖組合的二段光纖的組合的傳感光纖；多組與二段傳感光 纖的組合不同布里淵頻移組成的傳感光纖通過拉制或通過熔接獲得所需的傳感光纖。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的設置方 法，其特征在于：每段光纖長度為l±〇. 5km，組數(shù)為1-20組。
4. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述光脈沖產生單元100是能產生一定脈沖寬度的窄線寬脈沖激 光器；脈沖發(fā)生器用于驅動調制器產生脈沖和時鐘控制。
5. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述光脈沖信號產生單元（100)中的調制器（105)是電光調制器、 聲光調制器或是其它的調制器，所述調制器是單個調制器或是多個調制器組成的調制器陣 列。
6. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述本振光單元（110)為單頻布里淵激光器，它是由摻鉺光纖放大 器（111)，環(huán)形器（112)，單模光纖（113)，隔離器（114)，耦合器（115)和基于TEC溫度控制 器單元（116 )構成的布里淵激光器。
7. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述基于溫度控制器單元（116)為基于TEC的溫度控制器，或是其 它高靈敏溫度、應力控制器。
8. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述濾波器單元（109)是能達到將背向瑞利散射光和背向布里淵 散射光分離的反射式光纖光柵，法布里-珀羅干涉儀，或者多個光纖光柵及隔離器組成的 光纖光柵濾波器，其他光濾波器中的一種。
9. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述探測和信號處理單元（117)是由探測器（118)和信號處理器 (119)組成；所述探測器是高靈敏度的探測器或平衡探測器。
10.根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于低布里淵散射閾值傳感光纖的光時域反射儀的 設置方法，其特征在于：所述信號處理器（119)由頻譜分析儀或采集卡與計算機或者高速 數(shù)字示波器組合。
【文檔編號】G01D5/36GK104111086SQ201410159155
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權日:2014年8月12日
【發(fā)明者】王如剛, 張旭蘋, 周鋒, 紀正飚 申請人:鹽城工學院