基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统

摘要

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统。本发明解决了现有分布式光纤传感系统探测灵敏度低且无法调节的问题。基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统，包括可调单频激光器、半导体激光器、锁相环、第一偏振控制器、第二偏振控制器、电光调制器、单向掺铒光纤放大器、光环行器、可调光滤波器、光电探测器、数据采集卡、谐振腔；所述谐振腔包括双向掺铒光纤放大器、第一双向光分路器、第二双向光分路器、单模传感光纤。本发明适用于分布式光纤传感领域。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统。

背景技术

分布式光纤传感系统因具有显著的连续性优点（即只需一根光纤就可以准确感知光纤上任一点的信息），已被广泛应用于通信、交通、国防、土木、电力等领域。现有的分布式光纤传感系统主要分为三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于其在温度和应变测量上所能达到的测量精度、传感距离、空间分辨率相比另外两种分布式光纤传感系统具有明显的优势，并且能实现对温度和应变的同时测量，而成为该领域的研究热点。然而实践表明，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于在探测温度和应变时仅使用一阶斯托克斯波的频移量来进行表征，导致其存在探测灵敏度低且无法调节的问题（温度灵敏度仅为1.1MHZ/^oC，应变灵敏度仅为0.05MHz/με）。基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤传感系统，以解决现有分布式光纤传感系统存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有分布式光纤传感系统探测灵敏度低且无法调节的问题，提供了一种基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统，包括可调单频激光器、半导体激光器、锁相环、第一偏振控制器、第二偏振控制器、电光调制器、单向掺铒光纤放大器、光环行器、可调光滤波器、光电探测器、数据采集卡、谐振腔；

所述谐振腔包括双向掺铒光纤放大器、第一双向光分路器、第二双向光分路器、单模传感光纤；

其中，可调单频激光器的信号输入端和半导体激光器的信号输入端之间通过锁相环连接；可调单频激光器的出射端与第一偏振控制器的入射端连接；第一偏振控制器的出射端与电光调制器的入射端连接；电光调制器的出射端与单向掺铒光纤放大器的入射端连接；单向掺铒光纤放大器的出射端与光环行器的入射端连接；光环行器的反射端与第一双向光分路器的第一个下行端口连接；半导体激光器的出射端与第二偏振控制器的入射端连接；第二偏振控制器的出射端与第二双向光分路器的第一个下行端口连接；第一双向光分路器的上行端口和第二双向光分路器的上行端口之间通过单模传感光纤连接；第一双向光分路器的第二个下行端口和第二双向光分路器的第二个下行端口之间通过双向掺铒光纤放大器连接；光环行器的出射端与可调光滤波器的入射端连接；可调光滤波器的出射端与光电探测器的入射端连接；光电探测器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接。

具体工作过程如下：可调单频激光器发出的激光作为泵浦光，该激光依次经第一偏振控制器、电光调制器、单向掺铒光纤放大器、光环行器进入谐振腔，并在单模传感光纤中产生受激布里渊散射。与此同时，半导体激光器发出的激光既作为探测光又作为高阶斯托克斯波的激励光，该激光经第二偏振控制器进入谐振腔，并在单模传感光纤中激发出一阶斯托克斯波。一阶斯托克斯波在谐振腔中进行谐振，当双向掺铒光纤放大器的功率足够大时，一阶斯托克斯波谐振产生二阶斯托克斯波。以此类推，双向掺铒光纤放大器的功率越大，谐振产生的斯托克斯波的阶数越高。高阶斯托克斯波与受激布里渊散射在单模传感光纤中进行拍频，由此产生拍频光信号。拍频光信号依次经光环行器、可调光滤波器进入光电探测器，并经光电探测器转换为拍频电信号后进入数据采集卡。数据采集卡对拍频电信号进行拍频分析，由此获取单模传感光纤的温度值和应变值。在此过程中，可调单频激光器和半导体激光器之间通过锁相环进行锁定。第一偏振控制器的作用是调节可调单频激光器发出的激光进入电光调制器的偏振态，以获得最大的输出功率。电光调制器的作用是加载脉冲信号。单向掺铒光纤放大器的作用是保证可调单频激光器发出的激光具有足够功率，以使激光在单模传感光纤中产生受激布里渊散射。可调光滤波器的作用是选择所需探测的高阶斯托克斯波，实现灵敏度的可调。

基于上述过程，与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统基于全新的光路结构，并利用高阶斯托克斯波，实现了对单模传感光纤的温度值和应变值进行灵敏度可调的分布式探测，由此具备了如下优点：与基于布里渊散射的分布式光纤传感系统相比，本发明在探测温度和应变时使用高阶斯托克斯波的频移量来进行表征，由此大幅提高了探测灵敏度（温度灵敏度能够提高至11MHZ/^oC，应变灵敏度能够提高至0.5MHz/με），并可调节灵敏度大小（温度灵敏度调节步进为1.1MHZ/^oC，应变灵敏度调节步进为0.05MHz/με）。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有分布式光纤传感系统探测灵敏度低且无法调节的问题，适用于分布式光纤传感领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1a-可调单频激光器，1b-半导体激光器，2-锁相环，3a-第一偏振控制器，3b-第二偏振控制器，4-电光调制器，5a-单向掺铒光纤放大器，5b-双向掺铒光纤放大器，6-光环行器，7-可调光滤波器，8-光电探测器，9-数据采集卡，10a-第一双向光分路器，10b-第二双向光分路器，11-单模传感光纤。

具体实施方式

基于高阶斯托克斯波的灵敏度可调分布式光纤传感系统，包括可调单频激光器1a、半导体激光器1b、锁相环2、第一偏振控制器3a、第二偏振控制器3b、电光调制器4、单向掺铒光纤放大器5a、光环行器6、可调光滤波器7、光电探测器8、数据采集卡9、谐振腔；

所述谐振腔包括双向掺铒光纤放大器5b、第一双向光分路器10a、第二双向光分路器10b、单模传感光纤11；

其中，可调单频激光器1a的信号输入端和半导体激光器1b的信号输入端之间通过锁相环2连接；可调单频激光器1a的出射端与第一偏振控制器3a的入射端连接；第一偏振控制器3a的出射端与电光调制器4的入射端连接；电光调制器4的出射端与单向掺铒光纤放大器5a的入射端连接；单向掺铒光纤放大器5a的出射端与光环行器6的入射端连接；光环行器6的反射端与第一双向光分路器10a的第一个下行端口连接；半导体激光器1b的出射端与第二偏振控制器3b的入射端连接；第二偏振控制器3b的出射端与第二双向光分路器10b的第一个下行端口连接；第一双向光分路器10a的上行端口和第二双向光分路器10b的上行端口之间通过单模传感光纤11连接；第一双向光分路器10a的第二个下行端口和第二双向光分路器10b的第二个下行端口之间通过双向掺铒光纤放大器5b连接；光环行器6的出射端与可调光滤波器7的入射端连接；可调光滤波器7的出射端与光电探测器8的入射端连接；光电探测器8的信号输出端与数据采集卡9的信号输入端连接。

所述可调单频激光器1a采用可调范围为1520nm-1630nm、光谱线宽为400kHz、边摸抑制比>45dB，最大输出功率为10dBm的连续运行激光器。

所述半导体激光器1b采用中心波长为1550nm、光谱线宽为3MHz、最大输出功率为5dBm的连续运行激光器。

所述电光调制器4的带宽为20GHz、插损为3.3dB、消光比为26dB。

所述单向掺铒光纤放大器5a的输出功率为0.5-2W、波长范围为1545-1565nm。

所述双向掺铒光纤放大器5b的输出功率为0.5-2W、波长范围为1545-1565nm。

所述可调光滤波器7的波长覆盖范围为1480-1620nm、带宽可调范围为32-650pm。

所述数据采集卡9的采样率为2GS/s、带宽为300MHz。

所述第一双向光分路器10a的分光比为50：50；所述第二双向光分路器10b的分光比为50：50。

所述单模传感光纤11采用长度为10-100km的单模光纤。