專(zhuān)利名稱(chēng)：一種融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及分布式光纖布里淵傳感器，尤其是融合光纖布里淵頻移器的分布 式光纖布里淵傳感器。
背景技術(shù)：
在光纖布里淵光時(shí)域分析器領(lǐng)域，張?jiān)谛岢鲆环N新型的《光纖布里淵光時(shí)域 分析器》(中國(guó)專(zhuān)利ZL200810063711.8)用光纖寬帶非線性光放大效應(yīng)和相干放大的布 里淵散射光的應(yīng)變、溫度效應(yīng)和光時(shí)域分析原理制成的光纖布里淵光時(shí)域分析器，解決了 T. Horiguchi等發(fā)明的布里淵光時(shí)域分析器中，窄帶探測(cè)激光器和窄帶泵浦激光器的頻率 鎖定的難題。為了提高布里淵光時(shí)域分析器(BOTDA)和布里淵光時(shí)域反射器(BOTDR)的測(cè) 量精度，國(guó)內(nèi)夕卜學(xué)者(Gabriele Bolognini, Marcelo A.Soto,and Fabrizio Di Pasquale,, IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS, 2009, 21 (20) :1523-1525 ；張?jiān)谛戎袊?guó)專(zhuān)禾丨J : ZL200710156868. O,ZL 200810063711. 8 ；Mohammad Belal，Yuh Tat Cho，MortenIbsen and Trevor P Newson, Meas. Sci. Technol. 2010, 21,015204 (7pp)；宋牟平等，中國(guó)激光，2010， 37(3) :757-762;路元?jiǎng)偟忍岢龅陌l(fā)明專(zhuān)利，授權(quán)公告號(hào)CN100504309C)采用微波發(fā)生器 或通過(guò)電光或聲光調(diào)制器微波頻移器等降低本地激光器信號(hào)(Vtl)頻率的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)相 干檢測(cè)技術(shù)，由于光纖的布里淵聲子的頻率(Vb)約為1 IGHz，采用帶有應(yīng)變或溫度信息的光 纖布里淵回波信號(hào)(VctvbO與本地激光器信號(hào)(Vo)外差相干檢測(cè)在微波十吉赫芝頻段。但 是，在微波波段(IlGHz)電子學(xué)檢測(cè)難度大，而且很昂貴；陳方，萬(wàn)生鵬提出《雙光纖相干外 差檢測(cè)布里淵頻移的傳感系統(tǒng)》方案(傳感器與微系統(tǒng)，2006，47 (8) :18-23)，采用與傳感 光纖是同一批生產(chǎn)的，10. 3km參量都相同的光纖作為參考光纖實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)，省略了光的 頻移調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了光路和濾波，降低了對(duì)光源的穩(wěn)頻要求，但在遠(yuǎn)程布里淵時(shí)域反射儀 中采用與傳感光纖相同參量的光纖作為參考光纖是不現(xiàn)實(shí)的，缺乏實(shí)用性，而且僅用于中 程IOkm傳感系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種簡(jiǎn)單、低價(jià)位、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的融合光纖布 里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器。本實(shí)用新型的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，包括窄線寬單 頻光纖激光器，第一光纖分路器，脈沖調(diào)制器，光纖布里淵頻移器，第一光纖環(huán)行器，摻餌光 纖放大器，偏振擾模器，第二光纖環(huán)行器，光纖窄帶反射濾波器，第二光纖分路器，光纖拉曼 泵浦激光器，單模傳感光纖，光纖濾波器，第三光纖分路器，光電接收、放大器模塊，第一數(shù) 字信號(hào)處理器，光電外差接收、放大器模塊，第二數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)，其中光纖布里 淵頻移器是由環(huán)行器，單模光纖和光纖F-P濾波器依次相連組成。第一光纖分路器的輸入 端與窄線寬單頻光纖激光器相連，第一光纖分路器的一個(gè)輸出端與光纖布里淵頻移器中的 環(huán)行器輸入端相連，第一光纖分路器的另一個(gè)輸出端與脈沖調(diào)制器的輸入端相連，脈沖調(diào)制器的輸出端經(jīng)光纖放大器與偏振擾模器的輸入端相連，偏振擾模器的輸出端與第二光纖 環(huán)行器的輸入端相連，第二光纖環(huán)行器的一個(gè)輸出端接光纖窄帶反射濾波器的輸入端，第 二光纖環(huán)行器的另一個(gè)輸出端接光纖濾波器的輸入端，光纖窄帶反射濾波器的輸出端與第 二光纖分路器的輸入端相連，第二光纖分路器的一個(gè)輸出端接光纖拉曼泵浦激光器，第二 光纖分路器的另一個(gè)輸出端與單模傳感光纖連接，光纖拉曼泵浦激光器與單模傳感光纖構(gòu) 成前向泵浦光纖拉曼放大器，光纖濾波器的輸出端與第三光纖分路器的輸入端相連，第三 光纖分路器的一個(gè)輸出端與光電接收、放大器模塊的輸入端相連，光電接收、放大器模塊的 輸出端與第一數(shù)字信號(hào)處理器的輸入端相連，第一數(shù)字信號(hào)處理器的輸出端接計(jì)算機(jī)，第 三光纖分路器的另一個(gè)輸出端與第一光纖環(huán)行器一個(gè)輸入端相連，第一光纖環(huán)行器的另一 個(gè)輸入端與光纖布里淵頻移器中的環(huán)行器輸出端相連，第一光纖環(huán)行器的輸出端與光電外 差接收、放大器模塊的輸入端相連，光電外差接收、放大器模塊的輸出端與第二數(shù)字信號(hào)處 理器的輸入端相連，第二數(shù)字信號(hào)處理器的輸出端接計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的窄線寬單頻光纖激光器是中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜線寬為 3kHz，邊模抑制比> 65dB，輸出功率達(dá)0-20mW可調(diào)的連續(xù)運(yùn)行光纖激光器。本實(shí)用新型中，光纖布里淵頻移器中的單模光纖可以是2km、3km或5km單模光纖。 光纖布里淵頻移器中的光纖F-P濾波器是窄帶反射F-P濾波器，只反射單模光纖中的斯托 克斯布里淵散射信號(hào)。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的光纖拉曼泵浦激光器是中心波長(zhǎng)為1465nm連續(xù)運(yùn)行的光 纖拉曼激光器，光譜寬度為0. lnm，功率100mW-1200mW范圍可調(diào)。它與單模傳感光纖組成一 個(gè)C波段增益可調(diào)的前向泵浦光纖拉曼放大器，取代BOTDA中的光纖布里淵放大器對(duì)光纖 中傳輸?shù)牟祭餃Y散射信號(hào)進(jìn)行相干放大，增強(qiáng)了信號(hào)，降低了光纖傳輸損耗。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的第一光纖分路器的分光比為50 50;第二光纖分路器的分 光比為95 5;第三光纖分路器的分光比為50 50。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的單模傳感光纖可以是60km或80km的G652通訊單模光纖或 LEAF光纖。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的光纖窄帶反射濾光器的中心波長(zhǎng)為1465nm，光譜寬度為 0. 3nm，對(duì)1465nm瑞利散射光的隔離度> 45dB。光纖窄帶反射濾光器抑制1465nm光纖拉 曼泵浦激光器在單模傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干擾傳感光纖中 1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影響。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的光電接收、放大器模塊和光電外差接收、放大器模塊分別是 InGaAs光電雪崩二極管與放大器組成的模塊。由于本地信號(hào)Vci-Vb與回波信號(hào)V(i-Vb，差頻 的頻率處于百兆赫芝頻段，普通的^GaAs光電雪崩二極管頻率響應(yīng)能滿(mǎn)足檢測(cè)要求。本實(shí)用新型中，脈沖調(diào)制器使連續(xù)運(yùn)行的窄線寬單頻光纖激光器，通過(guò)調(diào)制器產(chǎn) 生重復(fù)頻率為1kHz，脈寬為50ns的脈沖激光，經(jīng)摻鉺光纖放大器作為光纖布里淵時(shí)域分析 器的探測(cè)激光源并連結(jié)偏振擾模器PS，用來(lái)減小偏振相關(guān)度。光纖布里淵頻移器的工作原理窄線寬單頻光纖激光器發(fā)出的激光進(jìn)入光纖布里淵頻移器中的單模光纖，激光與 光纖相互作用，產(chǎn)生瑞利散射，布里淵散射和拉曼散射。在光纖中，入射光纖的探測(cè)激光與 光纖中聲波的非線性相互作用，光波通過(guò)電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起光纖折射率的周期性調(diào)制(折射率光柵)，產(chǎn)生布里淵散射光子，稱(chēng)為光纖布里淵(Brillouin)散射效應(yīng)。光纖布 里淵散射是入射光子Vtl與光纖分子相互作用的非彈性碰撞，參與的是聲學(xué)聲子，聲子的頻 率為11GHz，高頻端Vtl+Δ ν為反斯托克斯布里淵散射，低頻端ν(ΓΔ ν為斯托克斯布里淵散 射。斯托克斯布里淵散射的閾值遠(yuǎn)低于反斯托克斯布里淵散射，當(dāng)入射激光達(dá)到一定閾值 時(shí)，入射光絕大部分轉(zhuǎn)化為背向斯托克斯布里淵散射光Vtl-Δν，實(shí)現(xiàn)了入射光的頻移，將探 測(cè)激光頻移了 Δν，構(gòu)成光纖布里淵頻移器。光纖受激拉曼放大工作原理當(dāng)入射激光Vtl與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個(gè)聲子稱(chēng)為斯托克 斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)聲子稱(chēng)為反斯托克斯拉曼散射光子Δν，光纖分子的聲子頻率為 13. 2ΤΗζ0ν = ν0 士 Δ ν(1)放大器的開(kāi)關(guān)增益為Ga = exp (gEP0Leff/Aeff)(2)其中P。= I0Aeff是放大器的泵浦光輸入功率，gE是拉曼增益系數(shù)Aeff是光纖的有 效截面，Leff為光纖的有效作用長(zhǎng)度(考慮了光纖對(duì)泵浦的吸收損耗)，其表達(dá)式如下
權(quán)利要求1.一種融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征是包括窄線寬單頻 光纖激光器(10)，第一光纖分路器(11)，脈沖調(diào)制器(12)，光纖布里淵頻移器(13)，第一光 纖環(huán)行器(14)，摻餌光纖放大器(15)，偏振擾模器(16)，第二光纖環(huán)行器(17)，光纖窄帶 反射濾波器(18)，第二光纖分路器(19)，光纖拉曼泵浦激光器(20)，單模傳感光纖(21)， 光纖濾波器(22)，第三光纖分路器(23)，光電接收、放大器模塊(M)，第一數(shù)字信號(hào)處理器 (25)，光電外差接收、放大器模塊( )，第二數(shù)字信號(hào)處理器(XT)和計(jì)算機(jī)( )，其中光纖 布里淵頻移器(1 是由環(huán)行器(13-1)，單模光纖(13- 和光纖F-P濾波器(13- 依次相 連組成，第一光纖分路器(11)的輸入端與窄線寬單頻光纖激光器(10)相連，第一光纖分 路器(11)的一個(gè)輸出端與光纖布里淵頻移器(1 中的環(huán)行器(13-1)輸入端相連，第一光 纖分路器(11)的另一個(gè)輸出端與脈沖調(diào)制器(1 的輸入端相連，脈沖調(diào)制器(1 的輸出 端經(jīng)光纖放大器(1 與偏振擾模器(16)的輸入端相連，偏振擾模器(16)的輸出端與第二 光纖環(huán)行器(17)的輸入端相連，第二光纖環(huán)行器(17)的一個(gè)輸出端接光纖窄帶反射濾波 器(18)的輸入端，第二光纖環(huán)行器(17)的另一個(gè)輸出端接光纖濾波器0 的輸入端，光 纖窄帶反射濾波器(18)的輸出端與第二光纖分路器(19)的輸入端相連，第二光纖分路器 (19)的一個(gè)輸出端接光纖拉曼泵浦激光器(20)，第二光纖分路器(19)的另一個(gè)輸出端與 單模傳感光纖連接，光纖拉曼泵浦激光器OO)與單模傳感光纖構(gòu)成前向泵浦光 纖拉曼放大器，光纖濾波器0 的輸出端與第三光纖分路器的輸入端相連，第三光纖 分路器的一個(gè)輸出端與光電接收、放大器模塊04)的輸入端相連，光電接收、放大器 模塊04)的輸出端與第一數(shù)字信號(hào)處理器0 的輸入端相連，第一數(shù)字信號(hào)處理器05) 的輸出端接計(jì)算機(jī)( )，第三光纖分路器的另一個(gè)輸出端與第一光纖環(huán)行器(14) 一 個(gè)輸入端相連，第一光纖環(huán)行器(14)的另一個(gè)輸入端與光纖布里淵頻移器(1 中的環(huán)行 器(13-1)輸出端相連，第一光纖環(huán)行器(14)的輸出端與光電外差接收、放大器模塊06) 的輸入端相連，光電外差接收、放大器模塊06)的輸出端與第二數(shù)字信號(hào)處理器(XT)的輸 入端相連，第二數(shù)字信號(hào)處理器(XT)的輸出端接計(jì)算機(jī)08)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征 在于所說(shuō)的窄線寬單頻光纖激光器(10)是中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜線寬為3kHz，邊模抑制 比> 65dB，輸出功率為0-20mW可調(diào)的連續(xù)運(yùn)行光纖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征 在于光纖布里淵頻移器(1 中的單模光纖(13- 是2km、3km或5km單模光纖；光纖布里 淵頻移器(1 中的光纖F-P濾波器(13- 是窄帶反射F-P濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征 在于光纖拉曼泵浦激光器OO)是中心波長(zhǎng)為1465nm連續(xù)運(yùn)行的光纖拉曼激光器，光譜寬 度為0. lnm，功率1 OOmw-1200mw范圍可調(diào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征 在于所說(shuō)的第一光纖分路器(11)的分光比為50 50;第二光纖分路器(19)的分光比為 95 5;第三光纖分路器03)的分光比為50 50。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征 在于所說(shuō)的單模傳感光纖為60km或80km的G652通訊單模光纖或LEAF光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，其特征在于光纖窄帶反射濾波器(18)的中心波長(zhǎng)為1465nm，光譜寬度為0. 3nm，對(duì)1465nm瑞利散 射光的隔離度> 45dB。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)的融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，是利用光纖的布里淵散射的頻移效應(yīng)、光纖寬帶非線性光放大效應(yīng)和相干放大的布里淵散射光的應(yīng)變、溫度效應(yīng)和光時(shí)域分析原理制成的分布式光纖傳感器，包括窄線寬單頻光纖激光器，三個(gè)光纖分路器，脈沖調(diào)制器，光纖布里淵頻移器，兩個(gè)光纖環(huán)行器，摻餌光纖放大器，偏振擾模器，光纖窄帶反射濾波器，光纖拉曼泵浦激光器，單模傳感光纖，光纖濾波器，光電接收、放大器模塊，兩個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器，光電外差接收、放大器模塊和計(jì)算機(jī)，其中光纖布里淵頻移器是由環(huán)行器，單模光纖和光纖F-P濾波器依次相連組成。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低價(jià)位、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)G01D5/353GK201885732SQ20102063432
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者張?jiān)谛? 李裔, 金尚忠, 龔華平 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院