專利名稱：提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器，特別是一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法和裝置。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感器由于具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣性好、可分布式傳感等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)、國防等領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景?；谧园l(fā)布里淵散射的光纖分布式傳感器傳感距離長，能夠同時(shí)進(jìn)行溫度和應(yīng)變的傳感。該分布式光纖傳感器在大型結(jié)構(gòu)如管道、近海石油平臺(tái)、油井、大壩、提壩、橋梁、建筑物、隧道、電纜等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 后向布里淵散射光的信噪比是分布式傳感器的一個(gè)重要參數(shù)，從根本上影響傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，包括分辨精度等參見 iTsuneo Horiguchi，Kaoru Shimizu, Toshio Kurashima, Mitsuhiro Tateda and Yahei Koyamada "Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering", Journal of Lightwave Technology,vol. 13, No. 7，1296-1302，July. 1995.。因此，提高系統(tǒng)的信噪比是至關(guān)重要的。目前提高后向布里淵散射信號(hào)信噪比的方法主要有以下幾種在先方案之一是應(yīng)用脈沖編碼技術(shù)參見MA. Soto, G. Bolognini，and F. D. Pasquale, "Analysis of optical pulse coding in spontaneous Brillouin-based distributed temperature sensors，，，Optics Express, vol. 16, pp. 19097-19111, Nov. 2008.。按照Simplex矩陣的格式，采用Simplex編碼技術(shù)產(chǎn)生脈沖序列，注入到傳感光纖中。和單個(gè)脈沖注入相比，布里淵散射信號(hào)的信噪比增加，增加的大小和編碼的位數(shù)相關(guān)。但是編碼過程和后繼的解碼過程比較復(fù)雜，且測(cè)量過程耗時(shí)較長。在先方案之二是進(jìn)行多次平均參見孫安，基于高頻微波技術(shù)的分布式光纖傳感器布里淵散射信號(hào)的探測(cè)[J]。中國激光。43卷4期，2007年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所。文中對(duì)后向散射的布里淵信號(hào)進(jìn)行了 28次平均。和單次探測(cè)的布里淵散射信號(hào)相比，雖然平均后得到的信號(hào)信噪比增加，但是計(jì)算過程耗時(shí)太長。

發(fā)明內(nèi)容
為了簡(jiǎn)便實(shí)施過程，本發(fā)明提出一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法和裝置，該方法增加了后向布里淵散射信號(hào)的信噪比，可以用于分布式光纖布里淵傳感器中頻率分辨精度的提高。本發(fā)明的技術(shù)能解決方案如下一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法，其特點(diǎn)在于用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生洛倫茲形狀的電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)模塊，使聲光調(diào)制器將輸入的連續(xù)窄線寬激光調(diào)制成洛倫茲形狀的光脈沖，再利用該洛倫茲形狀的光脈沖注入到長距離的分布式光纖布里淵傳感器的傳感光纖中，實(shí)現(xiàn)后向布里淵散射信號(hào)信噪比的增強(qiáng)。一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括窄線寬激光器的輸出端接聲光調(diào)制器的輸入端，該聲光調(diào)制器的輸出端接三端口環(huán)形器的第一端口，該三端口環(huán)形器的第二端口與長距離傳感光纖相連，光電探測(cè)器接所述的三端口環(huán)形器第三端口，信號(hào)發(fā)生器的輸出端接聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，該聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端接所述的聲光調(diào)制器的控制端。本發(fā)明基本原理如下請(qǐng)參閱圖1，圖1為洛倫茲脈沖和矩形脈沖。后向布里淵散射的功率譜和注入脈沖的形狀有關(guān)，假設(shè)注入光纖的脈沖的能量歸一化為1。以脈沖寬度IOOns的光脈沖為例，比較洛倫茲脈沖和傳統(tǒng)矩形脈沖。注入到光纖中的洛倫茲光脈沖的時(shí)域波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
_]糊女Y^f⑴注入到光纖中的矩形光脈沖的時(shí)域波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
il -Tfl2<t<Tfl2/、
p{t) = \“廿仙 f'(2)式中Tf表示脈沖寬度，定義為脈沖的半極大值全寬。請(qǐng)參閱圖2，圖2為洛倫茲脈沖和矩形脈沖的自發(fā)布里淵散射功率譜。在單模光纖中后向自發(fā)布里淵散射光的功率表達(dá)式為
QPb O, v) = g(v, vB) — P exp(-2az)(3 )
2n其中對(duì)ν,νβ)=7kc0JtI.為布里淵增益表達(dá)式，h=Z =
(ν-νΒ) +(ω/2)ζελ2ρν(ω 12)
ct/(2n)為傳感距離，η為傳感光纖纖芯折射率，P12為傳感光纖纖芯光彈系數(shù)，λ為入射光波長，P為傳感光纖纖芯密度，ν為傳感光纖纖芯中的聲速，ω為布里淵增益曲線的典型半高全寬GOMHz)，P為注入脈沖的功率譜，α為傳感光纖的衰減系數(shù)(0.2dB/Km)。從圖2可以看出，洛倫茲脈沖的布里淵散射譜的峰值比矩形脈沖的峰值大，而它們的基底相同，所以，洛倫茲脈沖的自發(fā)布里淵功率譜的信噪比比較大。根據(jù)頻率分辨精度和布里淵譜信噪比之間的關(guān)系式Δ α = 1/{K (SNR) “4}[參見Hiroshi Naruse and Mitsuhiro Tateda, "Optimum temporal pulse shape of launched light for optical time domain reflectometry type sensors using Brillouin backscattering",Optical Review, vol. 8，1沈_132，2001.]，因此本發(fā)明可以用于布里淵傳感系統(tǒng)的頻率分辨率的提高。其中K是一常數(shù)，Δα是頻率分辨精度，SNR是自發(fā)布里淵散射信號(hào)的信噪比。請(qǐng)參閱圖3，圖3是不同脈沖寬度下，洛倫茲脈沖和矩形脈沖的布里淵散射譜的峰值比較?？梢钥闯觯S著脈沖寬度的增加，二者之間的差距越大。請(qǐng)參閱圖4，圖4為100ns脈沖寬度的洛倫茲脈沖和矩形脈沖的功率譜，可用來解釋圖2中布里淵散射譜的峰值功率差異。同理也可以解釋圖3。式(3)中等號(hào)右邊的因子 P為脈沖功率譜。從圖4中可以看出，洛倫茲脈沖的功率譜比較窄、峰值大，矩形脈沖的功率譜比較寬、峰值小。布里淵散射功率譜為光纖中的布里淵散射增益譜和脈沖功率譜的乘積。脈沖功率譜的中心對(duì)布里淵功率譜的貢獻(xiàn)最大，隨著頻率向兩邊擴(kuò)展，對(duì)布里淵增益譜的貢獻(xiàn)變小。本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明方法只需要改變信號(hào)發(fā)生器輸出的電信號(hào)形狀以控制調(diào)制光脈沖的形狀即可提高分布式光纖布里淵傳感器的信噪比，實(shí)施簡(jiǎn)單。


圖1是洛倫茲脈沖和矩形脈沖示意圖(以脈沖寬度IOOns為例)；圖2是不同脈沖寬度下后向布里淵散射功率譜的峰值；圖3是布里淵散射功率譜(以脈沖寬度IOOns為例)；圖4是洛倫茲脈沖和矩形脈沖的功率譜(以脈沖寬度IOOns為例)；圖5是本發(fā)明提高分布式光纖布里淵傳感器頻率分辨精度的裝置的實(shí)施例框圖。
具體實(shí)施例方式利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生洛倫茲形狀的電脈沖，以控制聲光調(diào)制器將連續(xù)光調(diào)制成為洛倫茲光脈沖，將該洛倫茲光脈沖注入長距離傳感光纖，光電探測(cè)器探測(cè)后向自發(fā)布里淵散射光信號(hào)。實(shí)施例本發(fā)明提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的裝置實(shí)施例請(qǐng)參閱圖5。窄線寬激光器1發(fā)出連續(xù)光，它是輸出功率lOOmw、線寬4KHz、單線偏振的光纖激光器。連續(xù)光進(jìn)入聲光調(diào)制器2，被調(diào)制成脈沖寬度為100ns、重復(fù)頻率4KHz的光脈沖序列。為了實(shí)現(xiàn)洛倫茲形狀的光脈沖，信號(hào)發(fā)生器6產(chǎn)生洛倫茲形狀的電脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)模塊7， 此時(shí)聲光調(diào)制器2的輸出是洛倫茲形狀的光脈沖。同樣的步驟也可以產(chǎn)生矩形形狀的光脈沖。聲光調(diào)制器2輸出的光脈沖信號(hào)和三端口環(huán)形器3的第一端口 31相連，經(jīng)第二端口 32 注入長距離傳感光纖4，后向散射的自發(fā)布里淵散射光反向經(jīng)第三端口 33輸出，由光電探測(cè)器5探測(cè)布里淵散射光信號(hào)。當(dāng)采用矩形形狀的光脈沖時(shí)，后向散射的布里淵信號(hào)功率譜如圖3中的虛線所示。可以看出，布里淵光功率譜是洛倫茲形狀曲線，其峰值是231089 (任意單位)。當(dāng)采用洛倫茲形狀的光脈沖時(shí)，后向散射的布里淵信號(hào)功率譜如圖3中的實(shí)線所示，此時(shí)的峰值是 271802(任意單位)。兩條曲線的基底基本一樣，所以可以得出洛倫茲形狀的光脈沖所產(chǎn)生的布里淵信號(hào)的信噪比比較大。轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，分別對(duì)應(yīng)54. 3425dB和53. 6378dB。也就是說，洛倫茲形狀的脈沖產(chǎn)生的布里淵信號(hào)的信噪比比矩形脈沖的信噪比大0. 7047dB。本發(fā)明中，只需要改變注入長距離傳感光纖中的光脈沖形狀，將其由傳統(tǒng)的矩形形狀的脈沖變?yōu)槁鍌惼澬螤畹拿}沖，后向的布里淵散射信號(hào)的信噪比就會(huì)增加。
權(quán)利要求
1.一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法，其特征在于用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生洛倫茲形狀的電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)模塊，使聲光調(diào)制器將輸入的連續(xù)窄線寬激光調(diào)制成洛倫茲形狀的光脈沖，再利用該洛倫茲形狀的光脈沖注入到長距離的分布式光纖布里淵傳感器的傳感光纖中，實(shí)現(xiàn)后向布里淵散射信號(hào)信噪比的增強(qiáng)。
2.一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的裝置，特征在于其構(gòu)成包括窄線寬激光器(1)的輸出端接聲光調(diào)制器O)的輸入端，該聲光調(diào)制器O)的輸出端接三端口環(huán)形器(3)的第一端口(31)，該三端口環(huán)形器(3)的第二端口(32)與長距離傳感光纖(4)相連，光電探測(cè)器(5)接所述的三端口環(huán)形器(3)第三端口(33)，信號(hào)發(fā)生器(6)的輸出端接聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)模塊(7)的輸入端，該聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)模塊(7)的輸出端接所述的聲光調(diào)制器O)的控制端。
全文摘要
一種提高分布式光纖布里淵傳感器信噪比的方法和裝置，該方法的實(shí)質(zhì)是采用洛倫茲脈沖光注入到長距離的傳感光纖中，實(shí)現(xiàn)后向布里淵散射信號(hào)信噪比的增強(qiáng)。本發(fā)明可用于提高基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的頻率分辨精度。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102564481SQ201210008000
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者葉青, 潘政清, 瞿榮輝, 蔡海文, 郝蘊(yùn)琦 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所