基于雙波長(zhǎng)偏振正交光的布里淵光時(shí)域分析裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙波長(zhǎng)偏振正交光的布里淵光時(shí)域分析裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感技術(shù)以其可連續(xù)感知光纖沿線上任一點(diǎn)的溫度、應(yīng)變等參量變化、光纖集信號(hào)傳感與傳輸于一體、便于長(zhǎng)距離傳感和大規(guī)模組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，包括建筑物、橋梁、大壩、隧道、河堤、飛機(jī)、船舶、工廠設(shè)備等的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，輸油管道和高壓線路等危險(xiǎn)場(chǎng)合的泄漏檢測(cè)，邊界入侵行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及通信光纜的故障點(diǎn)檢測(cè)等。
[0003]布里淵光時(shí)域分析技術(shù)是一種發(fā)展得較為成熟的分布式光纖傳感技術(shù)，該技術(shù)憑借傳感距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高以及空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，在通信光纜、油氣管道及大型建筑物等的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]為了進(jìn)一步增加布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)的傳感距離，需要提高栗浦脈沖的入纖峰值功率以保證在傳感光纖末端具有足夠高的光信噪比，但由于調(diào)制不穩(wěn)定性等光纖非線性效應(yīng)的存在，所允許的栗浦脈沖最大注入功率受到制約，從而限制了傳感距離的提升。為解決布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)傳感距離受限的問(wèn)題，人們提出了包括脈沖編碼技術(shù)(公開(kāi)號(hào):CN102564481A)、Raman遠(yuǎn)程分布式放大技術(shù)(公開(kāi)號(hào):CN 102506915A)、隨機(jī)激光法(公開(kāi)號(hào):CN 103376124A)等多種方法，但這些技術(shù)需要對(duì)栗浦脈沖進(jìn)行編碼或者在傳感光纖引入光纖拉曼放大器，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
[0005]傳統(tǒng)的布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)采用單波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)信噪比并增加傳感距離，中國(guó)發(fā)明《多波長(zhǎng)布里淵光時(shí)域分析儀》(公開(kāi)號(hào):CN 103115632A)中提出通過(guò)增加探測(cè)光及栗浦光的波長(zhǎng)數(shù)量，在不引起受激布里淵散射的前提下增加進(jìn)入光纖的總光功率，從而有效提高信噪比，對(duì)一定的測(cè)量時(shí)間，提高了傳感距離。但該方法在應(yīng)用上存在不足，即多波長(zhǎng)的栗浦光之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的四波混頻現(xiàn)象，導(dǎo)致大量栗浦光的消耗，從而降低信噪比。例如，若采用雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，栗浦光的部分能量轉(zhuǎn)移至由四波混頻產(chǎn)生的兩個(gè)邊帶上，引起噪聲光功率的增加和探測(cè)光功率的下降，故實(shí)際信噪比非但不會(huì)按理想情況提高3dB還有可能降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。論文《Bri I louin distributed fibresensing using phase modulated probe》(使用相位調(diào)制探測(cè)光的布里淵分布式光纖傳感)中結(jié)合雙波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和外差探測(cè)實(shí)現(xiàn)布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)，但系統(tǒng)需要使用價(jià)格較為昂貴的寬帶探測(cè)器，而且其解調(diào)過(guò)程也較為耗時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于雙波長(zhǎng)偏振正交光的布里淵光時(shí)域分析裝置及方法，旨在實(shí)現(xiàn)信噪比高、傳感距離長(zhǎng)的布里淵光時(shí)域分析。本發(fā)明利用兩束不同波長(zhǎng)的偏振正交光作為栗浦光，完全抑制了兩束栗浦光之間的四波混頻現(xiàn)象，故傳感光纖末端的光信噪比可在真正意義上提高3dB。換句話說(shuō)，對(duì)于特定的光信噪比，采用雙波長(zhǎng)偏振正交光結(jié)構(gòu)比采用單波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)在傳感距離上將增加7.5km(傳感光纖損耗為0.2dB/km，且栗浦光脈沖為往返傳輸)。此外，本發(fā)明提出的基于雙波長(zhǎng)偏振正交光的布里淵光時(shí)域分析裝置及方法在探測(cè)端采用直接探測(cè)的方式，與采用外差探測(cè)方式的布里淵光時(shí)域分析裝置及方法相比，省去了較為昂貴的探測(cè)器件和耗時(shí)的解調(diào)過(guò)程，有利于布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)向動(dòng)態(tài)測(cè)量方向發(fā)展。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種基于雙波長(zhǎng)偏振正交光的布里淵光時(shí)域分析裝置，由窄線寬激光器、第一偏振控制器、馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器、第一任意波形發(fā)生器、第一直流電源、光纖耦合器、第一摻鉺光纖放大器、聲光調(diào)制器、聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器、第二任意波形發(fā)生器、第二偏振控制器、差分群時(shí)延模塊、第二摻鉺光纖放大器、窄帶光纖濾波器、可調(diào)光衰減器、三端口環(huán)行器、第三偏振控制器、雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器、微波信號(hào)源、第二直流電源、擾偏器、光隔離器、傳感光纖、光電探測(cè)器和高速示波器組成，所述窄線寬激光器通過(guò)第一偏振控制器連接至馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的光纖輸入端口，所述馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的射頻端口通過(guò)連接電纜與第一任意波形發(fā)生器連接，所述馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的直流端口通過(guò)連接電纜與第一直流電源連接，所述馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的光纖輸出端口與光纖耦合器的第一端口連接，所述光纖耦合器的第二端口通過(guò)第一摻鉺光纖放大器連接至聲光調(diào)制器的光纖輸入端口，所述聲光調(diào)制器的射頻端口通過(guò)連接電纜與聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器的輸出端口連接，所述聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器的輸入端口通過(guò)連接電纜與第二任意波形發(fā)生器連接，所述聲光調(diào)制器的光纖輸出端口通過(guò)第二偏振控制器連接至差分群時(shí)延模塊的輸入端口，所述差分群時(shí)延模塊的輸出端口通過(guò)第二摻鉺光纖放大器連接至窄帶光纖濾波器的輸入端口，所述窄帶光纖濾波器的輸出端口通過(guò)可調(diào)光衰減器連接至三端口環(huán)行器的第一端口，所述光纖耦合器的第三端口通過(guò)第三偏振控制器連接至雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的光纖輸入端口，所述雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的射頻端口通過(guò)連接電纜與微波信號(hào)源連接，所述雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的直流端口通過(guò)連接電纜與第二直流電源連接，所述雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器的光纖輸出端口通過(guò)擾偏器連接至光隔離器的輸入端，所述光隔離器的輸出端通過(guò)傳感光纖連接至三端口環(huán)行器的第二端口，所述三端口環(huán)行器的第三端口與光電探測(cè)器的輸入端口連接，所述光電探測(cè)器的輸出端口通過(guò)連接電纜連接至高速示波器。
[0009]本發(fā)明還提供一種采用如上所述裝置的布里淵光時(shí)域分析方法，該方法的步驟如下:
[0010]第一步，按如上所述連接好裝置，并依次打開(kāi)所述窄線寬激光器、第一任意波形發(fā)生器、第一直流電源、第一摻鉺光纖放大器、聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器、第二任意波形發(fā)生器、第二摻鉺光纖放大器、微波信號(hào)源、第二直流電源、擾偏器、光電探測(cè)器和高速示波器；
[0011 ]第二步，所述第一任意波形發(fā)生器輸出頻率為△ f的單頻正弦或余弦信號(hào)，調(diào)節(jié)所述第一直流電源輸出電壓，使得經(jīng)所述馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器輸出光信號(hào)的一階邊帶比載波及二階邊帶高30dB以上，并調(diào)節(jié)所述第一偏振控制器，使所述馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器輸出光信號(hào)功率達(dá)到最大；
[0012]第三步，所述第二任意波形發(fā)生器輸出矩形脈沖信號(hào)，設(shè)置矩形脈沖信號(hào)的脈寬在50ns以上且越窄越好，并保證脈沖信號(hào)重復(fù)頻率f與所述傳感光纖長(zhǎng)度L之間的關(guān)系在滿足f〈108/L的前提下盡可能增大f;
[0013]第四步，調(diào)節(jié)所述第二偏振控制器，使進(jìn)入所述差分群時(shí)延模塊的光偏振態(tài)與差分群時(shí)延模塊所用晶體材料的主軸之間保持45度角，并保證所述差分群時(shí)延模塊的差分群時(shí)延A t與所述第一任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的單頻正弦或余弦信號(hào)的頻率△ f之間滿足Δ f Δt = l/4；
[0014]第五步，利用所述微波信號(hào)源輸出頻率在所述傳感光纖布里淵頻移附近的微波信號(hào)，調(diào)節(jié)所述第二直流電源輸出電壓，使得經(jīng)所述雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器輸出光信號(hào)的一階低頻邊帶比載波及一階高頻邊帶高30dB以上，并調(diào)節(jié)所述第三偏振控制器，使所述雙平行馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器輸出光信號(hào)功率達(dá)到最大；
[0015]第六步，調(diào)節(jié)所述可調(diào)光衰減器，同時(shí)觀察所述高速示波器，在不發(fā)生調(diào)制不穩(wěn)定性的前提下盡可能增大栗浦光功率，在所述高速示波器上得到一條曲線，這條曲線就對(duì)應(yīng)第五步中所用微波信號(hào)頻率下的布里淵增益沿傳感光纖的分布曲線；
[0016]第七步，以IMHz為步長(zhǎng)改變所述微波信號(hào)源輸出微波信號(hào)的頻率，每個(gè)頻率在所述高速示波器上都對(duì)應(yīng)一條曲線，保證選擇的微波信號(hào)源頻率覆蓋所述傳感光纖對(duì)應(yīng)的整個(gè)布里淵增益譜的頻率范圍，從而得到布里淵增益譜沿傳感光纖的分布曲線，并通過(guò)洛侖茲線型擬合得到布里淵頻移沿傳感光纖的分布曲線，進(jìn)而根據(jù)布里淵頻移與溫度或應(yīng)變的關(guān)系得到傳感光纖沿線溫度或應(yīng)變的變化。
[0017]優(yōu)選地，所述窄線寬激光器的波長(zhǎng)位于C波段，線寬小于1kHz，光功率大于lmW。
[0018]優(yōu)選地，所述光纖親合器的親合方式為IX2，分束比為1:1。
[0019]優(yōu)選地，所述聲光調(diào)制器應(yīng)滿足經(jīng)聲光調(diào)制器后光脈沖的消光比在30dB以上。
[0020]優(yōu)選地，所述窄帶光纖濾波器的中心波長(zhǎng)與窄線寬激光器的波長(zhǎng)一致，帶寬越窄越好。
[0021