專利名稱：基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，主要應(yīng)用 于光纖傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前分布式光纖傳感領(lǐng)域里，基于光纖布里淵散射原理的傳感器占有重要地 位，而根據(jù)具體應(yīng)用的技術(shù)門類又分為基于自發(fā)布里淵和基于受激布里淵散射的傳感器。 本發(fā)明所涉及的基本技術(shù)原理就是源于光纖中的自發(fā)布里淵散射。入射光的部分光子被光 纖中的熱聲學(xué)聲子散射，光子波長發(fā)生微小偏移成為布里淵散射光子，其波長偏移量與光 纖的溫度和應(yīng)力相關(guān)。這就是自發(fā)布里淵散射用于光纖傳感的基本原理?；谧园l(fā)布里淵 散射的光纖傳感器，其系統(tǒng)構(gòu)成通常由光源、光脈沖調(diào)制、傳感光纖、相干檢測與數(shù)據(jù)處理 部分構(gòu)成。其中光源和光脈沖調(diào)制是系統(tǒng)的前端，用于把脈沖光送入傳感光纖激發(fā)布里淵 散射光。相干檢測與數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)的處理后端，用于自發(fā)布里淵散射光的頻譜解調(diào)以及 數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和分析。在相干檢測部分，大部分已報(bào)道的研究中，都是先將布里淵散射光與入 射光相干拍頻然用高帶寬的光電探測器轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)。因?yàn)榇穗娪嵦?hào)的頻率仍然在IOGHz 左右很難用現(xiàn)有的設(shè)備采集，所以還需要再與另一頻率相近的微波信號(hào)拍頻，這樣差頻信 號(hào)才能降到幾百兆的量級(jí)，方便數(shù)據(jù)的采集分析。顯然在這種傳統(tǒng)方案中，微波信號(hào)源是 比不可少的設(shè)備，但它體積龐大，價(jià)格也較貴。另外在布里淵散射光與入射光的頻率相差在 IO-IlGHz左右，所以他們相干拍頻所用的光電探測器的帶寬也在要在同一量級(jí)，而高帶寬 的光電探測器相對(duì)信噪比要低，價(jià)格也昂貴?；谝陨峡紤]，有人提出了取代相干檢測系統(tǒng) 中微波信號(hào)源的方案。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", Appl. Opt. 48, 4302-4309，2009)報(bào)道了一種不需要微波 信號(hào)源的布里淵光時(shí)域傳感器，其核心思想是利用一根與傳感光纖不同的光纖產(chǎn)生的布里 淵散射光作為本振光。兩種光纖的布里淵頻移不同但相差較小約幾百兆，這樣他們相干差 頻的訊號(hào)便可以直接采集分析。但此系統(tǒng)存在本振光不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)測量誤差和一致性差 的問題。當(dāng)這根用于產(chǎn)生本振光的光纖的溫度和環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，光纖的布里淵頻移隨之 改變，這意味著本振光的波長在變化，所以會(huì)影響拍頻信號(hào)的穩(wěn)定，使測量的誤差增大。另 外，通常光纖中布里淵散射光(約30兆)的線寬比一般DFB激光器的線寬(約1-5兆)寬好 幾倍，而本振光的線寬直接影響到測量的精度，所以當(dāng)布里淵散射光用作本振光時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 測量精度下降。雖然此新型布里淵傳感器裝置簡化掉了微波信號(hào)源，但存在布里淵本振光與入射 光的波長差不穩(wěn)定與本振光線寬大的問題。相干解調(diào)得到的布里淵頻移是跟這個(gè)波長差直 接相關(guān)的，所以波長差不穩(wěn)定會(huì)影響光纖溫度與應(yīng)力測量的準(zhǔn)確度以及測量的一致性，而 線寬寬又會(huì)使得測量精度的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、價(jià)格便宜且本振光與入射光的波長 差穩(wěn)定的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀。為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括作為入射光的激光器、作為本振光 的激光器，所述作為入射光的激光器射出光經(jīng)耦合器輸出到探測光路，探測光路中的射出 光經(jīng)脈沖發(fā)生器控制的電光調(diào)制器、光放大器、環(huán)形器后進(jìn)入傳感光纖得到布里淵散射光， 布里淵散射光經(jīng)環(huán)形器與所述作為本振光的激光器射出光通過耦合器相干拍頻，最后通過 光電探測器輸出電訊號(hào)，電訊號(hào)由帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)采集并處理。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于該光時(shí)域 反射儀還包括一個(gè)動(dòng)態(tài)控制兩臺(tái)激光器波長差的鎖頻裝置，所述的鎖頻裝置包括PIN探測 器、微波計(jì)數(shù)器和反饋電路，所述作為入射光的激光器和作為本振光的激光器射出光經(jīng)耦 合器輸出到鎖頻光路中，鎖頻光路中的射出光合并在PIN探測器中拍頻，PIN探測器將光轉(zhuǎn) 換為電訊號(hào)，并送入微波計(jì)數(shù)器，微波計(jì)數(shù)器測得光頻差，并傳遞給反饋電路，反饋電路通 過比較光頻差與預(yù)先設(shè)定的差頻值調(diào)諧作為入射光的激光器和作為本振光的激光器的波 長。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于所述作為 入射光的激光器、作為本振光的激光器均為分布反饋式半導(dǎo)體激光器。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于該光時(shí)域 反射儀還包括一個(gè)濾波器，所述布里淵散射光經(jīng)過濾波器輸入光電探測器。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于所述的作 為入射光的激光器、作為本振光的激光器其波長差與傳感光纖中的自發(fā)布里淵散射頻移值 相比小于500 MHz。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于所述的光 電探測器工作波長為900-1630nm，響應(yīng)帶寬小于1GHz。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于所述的光 濾波器為反射式光纖光柵濾波器。所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于該光時(shí)域 反射儀還包括一個(gè)擾偏器，所述作為本振光的激光器射出光經(jīng)擾偏器后與所述布里淵散射 光相干拍頻。上述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀具有如下有益效果
1、不采用笨重昂貴的微波信號(hào)源，而采用與入射光波長相近的另一光源作為本振光 用于布里淵信號(hào)的相干解調(diào)，只需要一次降頻就可將布里淵信號(hào)降到幾百兆，直接由數(shù)據(jù) 采集卡采集，簡化了布里淵信號(hào)的相干解調(diào)方式，并減小了設(shè)備體積和降低了設(shè)備成本。2、在雙激光器間增加了鎖頻裝置(3)，該裝置不停的檢測入射光與本振光兩個(gè)光 源的波長差，與預(yù)設(shè)波長差相比較并主動(dòng)控制兩個(gè)光源的波長，使得他們波長差始終恒定 在預(yù)設(shè)值，這樣便消除了光源波長漂移所造成的系統(tǒng)測量誤差。3、所用光電探測器(14)的帶寬允許低于1GHz。低帶寬探測器的信噪比相對(duì)較高， 可以提高傳感系統(tǒng)的靈敏度。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明鎖頻裝置的控制流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1所示，本發(fā)明的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，包括兩 臺(tái)半導(dǎo)體激光器，分別為作為入射光的激光器1和作為本振光的激光器2，它們的波長差 設(shè)定為接近傳感光纖10的自發(fā)布里淵散射頻移(典型值為10.8 GHz)。激光器1的大部分 光作為傳感激光，其射出光經(jīng)耦合器4輸出到探測光路，首先被脈沖發(fā)生器7控制的電光調(diào) 制器6調(diào)制成脈沖光，接著被光纖放大器8繼續(xù)放大，最后通過光纖環(huán)形器9進(jìn)入傳感光纖 10。當(dāng)調(diào)制的脈沖光進(jìn)入光纖后，不斷地在光纖中被散射，得到布里淵散射光，布里淵散射 光經(jīng)光纖環(huán)形器9進(jìn)入與作為本振光的激光器2射出光通過耦合器4相干拍頻，最后通過 光電探測器14輸出電訊號(hào)。由于作為本振光的激光器2的波長與傳感光纖10自發(fā)布里淵 散射頻相近，只需要一次拍頻就可將布里淵信號(hào)降到幾百兆，由帶寬小于1GHz，工作波長為 900-1630nm的光電探測器14轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，最后由帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)15采集并處 理。本發(fā)明還包括一個(gè)反射式光纖濾波器11、擾偏器12，反射式光纖濾波器11其中心 波長為作為入射光的激光器ι的輸出波長，3dB帶寬為0. OSnm0在相干拍頻前，散射光經(jīng)過 光纖濾波器11濾除掉瑞利散射光部分，剩余部分中的布里淵散射光與作為本振光的激光 器2相干拍頻。在相干拍頻前，作為本振光的激光器2的輸出光先經(jīng)擾偏器12用以降低偏
振噪聲。如圖2所示，本發(fā)明還設(shè)有一個(gè)鎖頻裝置3，主要用于動(dòng)態(tài)控制兩臺(tái)激光器波長 差。首先在頻裝置3中預(yù)先設(shè)定一個(gè)差頻值，此設(shè)定值與傳感光纖10中的自發(fā)布里淵散射 頻移值相差小于500 MHz，鎖頻裝置3包括PIN探測器3a、微波計(jì)數(shù)器北和反饋電路3c，作 為入射光的激光器1和作為本振光的激光器2的射出光均由光纖耦合器4分出小部分光通 過鎖頻光路進(jìn)入鎖頻光路中，鎖頻光路中的射出光合并在PIN探測器3a中拍頻，PIN探測器 3a將光轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，并將電訊號(hào)送入微波計(jì)數(shù)器北，微波計(jì)數(shù)器北與預(yù)先設(shè)定的差頻值 進(jìn)行比較，如果與設(shè)定值不符，通過反饋電路3c發(fā)出反饋信號(hào)至作為入射光的激光器1和 作為本振光的激光器2調(diào)節(jié)其波長，直至兩束光的頻率差與設(shè)定值一致。
權(quán)利要求
1.一種基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征在于該光時(shí)域 反射儀包括作為入射光的激光器(1)、作為本振光的激光器(2)，所述作為入射光的激光器 (1)射出光經(jīng)耦合器(4)輸出到探測光路，探測光路中的射出光經(jīng)脈沖發(fā)生器(7)控制的電 光調(diào)制器(6)、光放大器(8)、環(huán)形器(9)后進(jìn)入傳感光纖(10)得到布里淵散射光，布里淵散 射光經(jīng)環(huán)形器(9)與所述作為本振光的激光器(2)射出光通過耦合器(4)相干拍頻，最后通 過光電探測器(14)輸出電訊號(hào)，電訊號(hào)由帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)(15)采集并處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特征 在于該光時(shí)域反射儀還包括一個(gè)動(dòng)態(tài)控制兩臺(tái)激光器波長差的鎖頻裝置(3)，所述的鎖頻 裝置(3)包括PIN探測器(3a)、微波計(jì)數(shù)器(3b)和反饋電路(3c)，所述作為入射光的激光 器(1)和作為本振光的激光器(2)射出光經(jīng)耦合器(4)輸出到鎖頻光路中，鎖頻光路中的 射出光合并在PIN探測器(3a)中拍頻，PIN探測器(3a)將光轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，并送入微波計(jì) 數(shù)器(3b )，微波計(jì)數(shù)器(3b )測得光頻差，并傳遞給反饋電路(3c )，反饋電路(3c )通過比較 光頻差與預(yù)先設(shè)定的差頻值調(diào)諧作為入射光的激光器(1)和作為本振光的激光器(2)的波 長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特 征在于所述作為入射光的激光器(1)、作為本振光的激光器(2)均為分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特 征在于該光時(shí)域反射儀還包括一個(gè)濾波器(11)，所述布里淵散射光經(jīng)過濾波器(11)輸入 光電探測器(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其 特征在于所述的作為入射光的激光器(1)、作為本振光的激光器(2)其波長差與傳感光纖 (10)中的自發(fā)布里淵散射頻移值相比小于500 MHz0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特 征在于所述的光電探測器(14)工作波長為900-1630nm，響應(yīng)帶寬小于IGHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特 征在于所述的光濾波器(11)為反射式光纖光柵濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，其特 征在于該光時(shí)域反射儀還包括一個(gè)擾偏器(12)，所述作為本振光的激光器(2)射出光經(jīng)擾 偏器(12)后與所述布里淵散射光相干拍頻。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀，主要應(yīng)用于光纖傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、價(jià)格便宜且本振光與入射光的波長差穩(wěn)定的基于雙激光器鎖頻的自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射儀。為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括作為入射光的激光器、作為本振光的激光器，所述作為入射光的激光器射出光經(jīng)耦合器輸出到探測光路，探測光路中的射出光經(jīng)脈沖發(fā)生器控制的電光調(diào)制器、光放大器、環(huán)形器后進(jìn)入傳感光纖得到布里淵散射光，布里淵散射光經(jīng)環(huán)形器與所述作為本振光的激光器射出光通過耦合器相干拍頻，最后通過光電探測器輸出電訊號(hào)，電訊號(hào)由帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)采集并處理。
文檔編號(hào)G01D3/028GK102128639SQ20101060483
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者張?jiān)谛? 李裔, 金尚忠 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院