一种长距离布里渊光时域反射仪监测装置

1.本实用新型涉及光传感技术领域，具体是一种长距离布里渊光时域反射仪监测装置。


背景技术：

2.光纤中回返的布里渊散射光信号中夹杂着噪音，而随着光纤检测位置逐渐变远，回返的布里渊光信号因光纤损耗的原因逐渐变得微弱，同时噪声会越来越大，使布里渊散射光信号误差变大，检测精度变低，制约了基于布里渊散射的长距离全分布式光纤传感器的实用化，同时长时间进行监测时，布里渊光时域反射仪稳定性会逐渐变差，使检测精度进一步降低。长距离光纤中回返信号中的信噪比过低问题一直存在，提高长距离光纤中布里渊散射光信号的信噪比，降低噪声对检测精度的影响，是布里渊光时域传感中的一大挑战。
3.针对这个问题，研究者们提出了几种解决方案：使用多波长光源、多个电光调制器对脉冲光进行调制、脉冲编码和信号处理算法等方法。但是这些方法分别具有设备成本高、光路复杂、电光调制器长时间工作稳定性差、检测时间长等问题，并且在很多情况下难以工程化应用。在现阶段的长距离应用场景(如油气管道渗漏监测、海底光缆状态监控)使用时，有些测量环境复杂，无法进行双端检测，而如果使用较短传感距离的设备分段监测，成本又难以控制。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种长距离布里渊光时域反射仪监测装置，解决了上述技术问题，利用半导体光放大器替代电光调制器对激光进行脉冲光调制，不仅提高了消光比，同时还提升了系统长时间测量的稳定性；利用拉曼放大技术，提高探测光在长距离传感中远端的信噪比，从而达到保证检测精度的同时，又提高传感距离的目的；将半导体光放大器与拉曼放大技术结合，在节约硬件设备成本的同时大幅提高了系统的传感距离，并保证了检测精度，适用于工程领域。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种长距离布里渊光时域反射仪监测装置，包括半导体窄线宽激光器、第一光纤耦合器、半导体光放大器、脉冲发生器、第一光纤掺铒光纤放大器、光纤环路器、波分复用器、拉曼激光器、单模待测光纤。
7.所述半导体窄线宽激光器与第一光纤耦合器相连，第一光纤耦合器的一个输出端与半导体光放大器的输入端相连，脉冲发生器与半导体光放大器的输入端相连，半导体光放大器输出经过调制的脉冲光与第一光纤掺铒光纤放大器的输入端相连，第一光纤掺铒光纤放大器的输出端与光纤环路器的输入端相连，光纤环路器的一个输出端与波分复用器的一个输入端相连，拉曼激光器的输出端与波分复用器的另一个输入端相连，波分复用器的输出端与单模待测光纤相连。
8.进一步地，所述监测装置还包括第二光纤耦合器、光纤偏振扰频器、第二光纤掺铒
光纤放大器、光电探测器和数据采集处理模块。
9.进一步地，所述第一光纤耦合器的另一个输出端与第二光纤掺铒光纤放大器的输入端之间通过光纤偏振扰频器相连，光纤环路器的另一个输出端与第二光纤耦合器的一个输入端相连，第二光纤掺铒光纤放大器的输出端与第二光纤耦合器的另一个输出端相连，第二光纤耦合器的输出端与光电探测器的输入端相连。
10.进一步地，所述光电探测器对第二光纤耦合器输入的布里渊散射光和移频参考光进行相干处理，然后输入进数据采集处理模块。
11.进一步地，所述第一光纤耦合器输出占比90％的输出端与半导体光放大器的输入端相连。
12.进一步地，所述第一光纤耦合器输出占比10％的输出端与第二光纤掺铒光纤放大器的输入端之间通过光纤偏振扰频器相连。
13.本实用新型的有益效果：
14.1、本实用新型监测装置使用半导体光放大器替代传统的电光调制器对激光进行脉冲调制，相比传统的电光调制器，半导体光放大器有效提升探测脉冲的消光比，从而提高布里渊散射光的信噪比，最终提高了传感距离和传感精度，同时传统电光调制器具有长时间测量系统稳定性差，误差高的缺点，使用半导体光放大器后仪器可实现长时间准确测量，使监测数据更加精确；
15.2、本实用新型监测装置使用前向放大的拉曼放大模块(波分复用器和拉曼激光器)，利用受激拉曼散射效应，把拉曼泵浦光的能量在线转移到探测脉冲和布里渊散射光上，解决了探测脉冲因光纤损耗在长距离传感中远端信噪比过低的问题，同时，拉曼放大过程发生在待测光纤之上，待测光纤作为传感介质的同时也作为拉曼放大的介质，保持了布里渊光时域反射仪的单端优势；
16.3、本实用新型监测装置相比同时使用多个布里渊光时域反射仪或者分布式测温系统进行长距离测量的工程测试方法，减少了多个设备的同时使用，避免了多设备串联监测时损耗大、误差高、费用昂贵的问题，只使用一个设备，做到了温度/应力检测速度加快，检测精度大幅提高，节约了施工方的施工成本；
17.4、本实用新型监测装置检测精度高，稳定性好的问题，可应用于大多数工程领域，适用范围广。
附图说明
18.下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
19.图1是本实用新型监测装置结构示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.一种长距离布里渊光时域反射仪监测装置，包括半导体窄线宽激光器1、两个光纤
耦合器(第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器12)、半导体光放大器3、光纤偏振扰频器4、脉冲发生器5、两个光纤掺铒光纤放大器(第一光纤掺铒光纤放大器6(edfa)和第二光纤掺铒光纤放大器(edfa)11)、光纤环路器7、波分复用器8、拉曼激光器9、单模待测光纤10、光电探测器13和数据采集处理模块14。
22.第一光纤耦合器2选用输出比例9:1的光纤耦合器；第二光纤耦合器12选用输出比例50:50的光纤耦合器。
23.半导体窄线宽激光器1与第一光纤耦合器2的输入端相连，第一光纤耦合器输出的激光分二路，其中，第一光纤耦合器输出占比90％的输出端与半导体光放大器3的输入端相连，第一光纤耦合器输出占比10％的输出端与第二光纤掺铒光纤放大器11的输入端之间通过光纤偏振扰频器4相连，脉冲发生器5与半导体光放大器3的输入端相连，半导体光放大器3输出经过调制的脉冲光与第一光纤掺铒光纤放大器6的输入端相连，第一光纤掺铒光纤放大器6的输出端与光纤环路器7的输入端相连，光纤环路器7的一个输出端与波分复用器8的一个输入端相连，拉曼激光器9的输出端与波分复用器8的另一个输入端相连，波分复用器8的输出端与单模待测光纤10相连，光纤环路器7的另一个输出端与第二光纤耦合器12的一个输入端相连，第二光纤掺铒光纤放大器11的输出端与第二光纤耦合器12的另一个输出端相连，第二光纤耦合器12的输出端与光电探测器13的输入端相连，光电探测器13对第二光纤耦合器12输入的布里渊散射光和移频参考光进行相干处理，然后输入数据采集处理模块14。
24.半导体窄线宽激光器1选用光谱线宽小于1khz,波长为1550nm的半导体窄线宽低噪声激光器。
25.半导体光放大器3选用消光比为50db,工作波长覆盖1550nm，峰值增益最大为30db的高消光比半导体光放大器。
26.第一光纤掺铒光纤放大器6和第二光纤掺铒光纤放大器11为信号增益最大为47db,饱和输出功率为17dbm的光纤掺铒光纤放大器。
27.拉曼激光器9为脉冲宽度小于10khz,最高输出功率不小于1w，波长为1450nm的激光器。
28.光电探测器13是3db探测带宽大于22ghz，波长为1550nm附近，饱和光功率为10mw的光电探测器。
29.工作原理
30.半导体窄线宽激光器1产生的激光由第一光纤耦合器2将激光以90％和10％的比例分别输入进半导体光放大器3和偏振扰频器4；
31.脉冲发生器5发射脉冲波形输入半导体光放大器3，将进入半导体光放大器3的激光调制成脉冲光，接着将脉冲光输入第一光纤掺铒光纤放大器6内，第一光纤掺铒光纤放大器6对脉冲光进行放大，然后经过光纤环路器7输入波分复用器8，同时拉曼激光器9产生拉曼泵浦光输入波分复用器8，波分复用器8将调制过的脉冲光和拉曼泵浦光输入单模待测光纤10，单模待测光纤10沿线上产生的背向布里渊散射光输入进波分复用器8，波分复用器8滤波后将布里渊散射光经过光纤环路器7输入进第二光纤耦合器12；
32.第一光纤耦合器2将激光输入进偏振扰频器4，偏振扰频器4减少激光的噪声，然后将激光输入第二光纤掺铒光纤放大器11，参考光由第二光纤掺铒光纤放大器11进行放大后
输入进第二光纤耦合器12。
33.第二光纤耦合器12将探测光和参考光输入进光电探测器13进行探测，接着由光电探测器13输入数据采集处理模块14中的采集卡。
34.布里渊散射光解调过程
35.光纤中背向布里渊散射频移为：
36.νb＝2nva/λ
0 (1)
37.其中n为光纤折射率，va为光纤中的声波速度，λ0是入射光波长。可见，布里渊频移与光纤的有效折射率以及光纤中的声波速度成正比，与入射光的波长成反比。
38.已知光纤中的声波速度用下式表示：
[0039][0040]
其中，k为泊松比；e为杨氏模量；ρ为光纤介质的密度。折射率n和这些参量都是温度和应力的函数，分别记为n(ε,t)、e(ε,t)、k(ε,t)和ρ(ε,t)，将其带入式(1)得布里渊频移量：
[0041][0042]
布里渊频移与应变的关系
[0043]
在恒温条件下，当光纤的应变改变时，光纤内部原子间的相互作用势发生改变，导致其杨氏模量和泊松比的变化，使得折射率发生改变，从而影响布里渊频移量的变化。
[0044]
若参考温度为t0,则式(3)为：
[0045][0046]
由于光纤的组成成分主要是脆性材料sio2,所以其拉伸应变较小。在微应变情况下，将式(4)在ε＝0处作泰勒展开，并忽略一阶以上的高阶项，可得：
[0047][0048]
室温下，若取各参数的典型值：
[0049]
λ＝1550nm,δn＝-0.22,δk＝1.49,δe＝2.88,δρ＝0.33,则布里渊频移随应力的变化表示为：
[0050]
νb(t0,ε)≈νb(t0,0)(1 4.48δε)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0051]
式6表明布里渊频移随光纤应变呈正比关系。恒温条件下，当波长为1550nm的入射光入射普通单模石英光纤时，应变每改变100με，对应的布里渊频移约为4.5mhz。
[0052]
布里渊频移与温度的关系
[0053]
光纤在松弛的状况下，即应变ε＝0时，由式(3)得：
[0054][0055]
当光纤温度变化时，其热膨胀效应和热光效应分别引起光纤密度和折射率变化，同时光纤的自由能随温度变化使得光纤的杨氏模量和泊松比等物理量也随温度发生改变。当温度在小范围内发生变化时，假设温度变化量为δt，对式(7)进行泰勒展开，并忽略一阶以上的高阶级数项：
[0056][0057]
在室温(t＝20℃)条件下，对普通单模光纤，入射光波长为1550nm时，布里渊频移随温度变化的对应关系为：
[0058]
νb(t,0)≈νb(t0,0)[1 1.18
×
10-4
δt]
ꢀꢀ
(9)
[0059]
由式(9)可知，处于松弛状态的普通单模光纤，在室温t＝20℃条件下，入射光波长为1550nm时，温度每升高1℃对应布里渊频移大约为1.2mhz。
[0060]
综合上述分析，布里渊频移变化量δνb随光纤温度和应变的变化量近似成线性变化，一般表示为：
[0061]
δνb＝c
ν,t
δt c
ν,ε
δε (10)
[0062]
其中，c
ν,t
和c
ν,ε
分别为布里渊频移变化的温度系数和应变系数。当入射光波长为1553.8mm时,c
ν,t
＝1.1mhz/℃,c
ν,ε
＝0.0483mhz/℃。
[0063]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0064]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。