專利名稱：一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
布拉格光纖光柵(FBG)是一種傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合而反射特定波長的光纖濾波器，它在受到外界環(huán)境的溫度、應(yīng)力、壓力的影響時(shí)其中心波長會發(fā)生變化。根據(jù)這一原理，可以通過對布拉格光纖光柵波長量變化的監(jiān)測來測量外界環(huán)境物理量的變化。布拉格光纖光柵以其成本低、體積小、抗電磁干擾、復(fù)用能力強(qiáng)、易于封裝、可大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)而成為光纖傳感器家族中最為重要的一員，可用于溫度、應(yīng)變、壓力、位移、聲波物理量的測量(見A.D.Kersey et al.1997 J.Lightwave Technol.151442；Y.J.Rao，Measure.1997 Sci.& Technol.8355等)，目前已廣泛用于民用建筑、大壩、橋梁、隧道、飛機(jī)、軍艦等的健康檢測以及復(fù)合材料、智能結(jié)構(gòu)的無損檢測(見Y.J.Rao 1999 Opt.and Laser.InEng.31 297)，是目前光纖傳感器中產(chǎn)業(yè)化最好的傳感器，被譽(yù)為光纖傳感領(lǐng)域里程碑式的革命。
單個(gè)布拉格光纖光柵的工作線寬非常窄，可以從0.01納米到幾個(gè)納米，而現(xiàn)在光譜儀的分析精度也達(dá)到了相同的數(shù)量級。基于這一特點(diǎn)，可以在一根光纖上大量復(fù)用布拉格光纖光柵而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量，然而隨著布拉格光纖光柵數(shù)量和傳感距離的增加，由于后向瑞利散射光和光纖的背景損耗以及傳感器本身的插入損耗，必然會使得傳感器光信號的強(qiáng)度和信噪比不斷下降，這使得普通布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)的傳感長度一般被限制在25km以內(nèi)。一直以來長距離測量和大容量傳感器復(fù)用是一個(gè)急待解決又懸而未決的難題。
為了實(shí)現(xiàn)長距離遙測，曾經(jīng)報(bào)道過幾個(gè)基于拉曼放大的方法。Y.Nakajima等曾提出在被動FBG傳感系統(tǒng)中使用分布式拉曼放大來延長傳輸距離(Y.Nakajima，Y.Shindo，and T.Yoshikawa，“Novel concept as long-distance transmission FBG sensor system usingdistributed Raman amplification，”in Proc.16th International Conference on OpticalFiber Sensors(Nara Japan，October)，Th1-4，2003)。P.C.Peng等提出使用基于FBG和光纖環(huán)路反射的線性腔拉曼激光結(jié)構(gòu)來獲得高分辨率和光學(xué)信噪比(P.-C.Peng，H.-YTseng，and Sien Chi，“Long-distance FBG sensor system using a linear-cavity fiberRaman laser scheme，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，pp.575-577，2004)。Ju Han Lee等提出基于拉曼放大的，使用帶摻餌光纖(EDF)和布拉格光纖光柵(FBG)來同時(shí)測量溫度和應(yīng)力。此外，他們還提出了基于拉曼放大，使用EDF寬帶光源重復(fù)利用拉曼泵浦的剩余光進(jìn)行長距離FBG應(yīng)力遙感(Ju Han Lee，You Min Chang，Young-Geun Han，et al.“Ramanamplifier-based long-distance remote，strain and temperature sensing system usingan erbium-doped fiber and a fiber Bragg grating”.Optics Express，12，No.15，pp.3515-3520，2004)。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)種一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括泵浦激光光源1、耦合器2、反射鏡3、寬帶波分復(fù)用器4、光譜儀5、摻餌光纖6、隔離器7、可調(diào)衰減器8、耦合器9、寬帶波分復(fù)用器10、和若干布拉格光纖光柵11，各器件之間用單模光纖連接；泵浦激光光源輸出端與耦合器2的輸入端相連，耦合器2的一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器4的輸入端，耦合器2的另一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器10的一個(gè)輸入端；寬帶波分復(fù)用器4的一個(gè)輸出端與摻餌光纖6的輸入端相連，另一個(gè)輸出端接反射鏡3；摻餌光纖6的輸出端與隔離器7的輸入端相連，隔離器7的輸出端與可調(diào)衰減器8的輸入端相連，可調(diào)衰減器8的輸出端與耦合器9的輸入端相連；耦合器9的一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器10的另一個(gè)輸入端，耦合器9的另一個(gè)輸出端接光譜儀5；寬帶波分復(fù)用器10的輸出端順序連接上若干個(gè)布拉格光纖光柵11。
該系統(tǒng)的工作過程是泵浦激光光源1所發(fā)出的激光經(jīng)耦合器2分成各50％的兩路光輸出，一路經(jīng)寬帶波分復(fù)用器4后輸入到摻餌光纖6并被摻餌光纖6展寬成寬帶光源，該寬帶光源順序經(jīng)過隔離器7、可調(diào)衰減器8、耦合器9、寬帶波分復(fù)用器10后沿光纖傳播；耦合器2的另一路光輸出經(jīng)寬帶波分復(fù)用器10后也沿光纖傳播；光纖上的布拉格光纖光柵反射回傳感光被耦合器2的另一路光輸出進(jìn)行拉曼放大后沿路返回，經(jīng)寬帶波分復(fù)用器10、耦合器9后進(jìn)入光譜儀。其中，摻餌光纖6的一部分反射光被反射鏡3反射以減少能量損失；隔離器7的作用是隔離布拉格光纖光柵反射回的傳感光以減少整個(gè)光路的相位噪聲；可調(diào)衰減器8的作用是當(dāng)摻餌光纖6輸出的寬帶光源能量太強(qiáng)時(shí)，衰減掉一部分能量以減少整個(gè)光路的相位噪聲。
該系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)長距離(50公里范圍)光纖傳感，但是，若要實(shí)現(xiàn)長距離的傳感，一方面泵浦激光光源需要很大的泵浦功率(這需要大量增加整個(gè)系統(tǒng)的成本)；另一方面該系統(tǒng)應(yīng)用于長距離傳感時(shí)，布拉格光纖光柵反射的傳感信號衰減得很厲害；再者，布拉格光纖光柵反射的傳感信號的信噪比比應(yīng)用于短距離傳感時(shí)的信噪比下降很大，甚至喪失實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于拉曼和摻餌光纖混合放大(EDFA)的長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高泵浦的效率，極大地延長傳感系統(tǒng)的傳感距離，提高傳感系統(tǒng)的性能，同時(shí)可以大大降低系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括泵浦激光光源1、耦合器2、反射鏡3、寬帶波分復(fù)用器4、光譜儀5、摻餌光纖6、隔離器7、可調(diào)衰減器8、耦合器9、寬帶波分復(fù)用器10、和若干布拉格光纖光柵11、各器件之間用單模光纖連接；泵浦激光光源輸出端與耦合器2的輸入端相連，耦合器2的一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器4的輸入端，耦合器2的另一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器10的一個(gè)輸入端；寬帶波分復(fù)用器4的一個(gè)輸出端與摻餌光纖6的輸入端相連，另一個(gè)輸出端接反射鏡3；摻餌光纖6的輸出端與隔離器7的輸入端相連，隔離器7的輸出端與可調(diào)衰減器8的輸入端相連，可調(diào)衰減器8的輸出端與耦合器9的輸入端相連；耦合器9的一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器10的另一個(gè)輸入端，耦合器9的另一個(gè)輸出端接光譜儀5；寬帶波分復(fù)用器10的輸出端順序連接上若干個(gè)布拉格光纖光柵11；其特征是，該系統(tǒng)還包括寬帶波分復(fù)用器12、環(huán)行器13、摻餌光纖14、寬帶波分復(fù)用器15、環(huán)行器16和布拉格光纖光柵17；寬帶波分復(fù)用器12的輸入端于布拉格光纖光柵11的最后一個(gè)光纖光柵相連，其一個(gè)輸出端與環(huán)行器13的端口2相連，另一個(gè)輸出端與寬帶波分復(fù)用器15的輸入端相連；環(huán)行器13的端口3通過摻餌光纖14與寬帶波分復(fù)用器15的一個(gè)輸出端相連，環(huán)行器13的端口1與環(huán)行器16的端口3相連；寬帶波分復(fù)用器15的另一個(gè)輸出端與環(huán)行器16的端口1相連，環(huán)行器16的端口2與若干布拉格光纖光柵17相連。
上述系統(tǒng)采用了雙級摻鉺光纖和雙向拉曼放大結(jié)構(gòu)。開始將泵浦激光光源按照適當(dāng)?shù)谋壤质?，其中一部分光用于泵浦第一段摻鉺光纖，摻鉺光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)光用于照明處于第一級拉曼放大的傳感器，經(jīng)過拉曼放大了的殘余的ASE光經(jīng)過EDF即第二段摻鉺光纖，將被放大并混合EDF的自發(fā)輻射光來照明后面的傳感器，這樣就為距離較遠(yuǎn)的傳感器提供了較強(qiáng)的光，其中EDF的泵浦光來自于殘余的拉曼泵浦光。處于第一級拉曼放大的傳感器的信號經(jīng)過了兩次拉曼放大，第一次是放大光源整個(gè)帶的光，第二次是放大FBG本身反射回來的光；對于處于EDF之后的FBG信號經(jīng)過了兩次拉曼放大和一次EDF的高增益的放大，第一次拉曼放大和EDF放大的是光源整個(gè)帶的光，第二次拉曼放大是放大的FBG本身反射回來的光。由于FBG的反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瑞利散射率，F(xiàn)BG信號的信噪比將會由于放大而提高，傳感距離將會因?yàn)樾盘柕姆糯蠖娱L。
另外，這種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)還可以并聯(lián)使用，如圖5所示。
將前述一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)中寬帶波分復(fù)用器10的輸出端之后的結(jié)構(gòu)看作是一路傳感結(jié)構(gòu)，則將多路同樣的傳感結(jié)構(gòu)并聯(lián)連接在寬帶波分復(fù)用器10的多個(gè)輸出端口上，形成具有多路并聯(lián)傳感結(jié)構(gòu)的長距離分布式光線光柵傳感系統(tǒng)。
具有多路并聯(lián)傳感結(jié)構(gòu)的長距離分布式光線光柵傳感系統(tǒng)其工作過程如下開始將泵浦按照適當(dāng)?shù)谋壤质?，其中一部分光作用于泵浦第一段摻鉺光纖，摻鉺光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)光，經(jīng)過寬帶波分復(fù)用器分為多束分別注入各個(gè)傳感結(jié)構(gòu)，用于照明處于第一級拉曼放大的傳感器，同時(shí)經(jīng)過拉曼放大了的殘余的ASE光經(jīng)過EDF即第二段鉺纖，將被放大并混合EDF的自發(fā)輻射光來照明后面的傳感器，這樣就為距離較遠(yuǎn)的傳感器提供了較強(qiáng)的光，其中EDF的泵浦光來自于殘余的拉曼泵浦光。處于第一級拉曼放大系統(tǒng)的傳感器的信號經(jīng)過了兩次拉曼放大，第一次是放大光源整個(gè)帶的光，第二次是放大FBG本身反射回來的光；對于處于EDF之后的FBG信號經(jīng)過了兩次拉曼放大和一次EDFA的高增益的放大，第一次拉曼放大和EDF放大的是光源整個(gè)帶的光，第二次拉曼放大是放大的FBG本身反射回來的光。由于FBG的反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瑞利散射率，F(xiàn)BG信號的信噪比將會由于放大而提高，傳感距離將會因?yàn)樾盘柕姆糯蠖娱L。
利用上述的方法，可以使單向型傳感光路的長度可達(dá)50km以上，傳感器的最低信噪比可達(dá)15dB以上，當(dāng)然這也取決與傳感器的個(gè)數(shù)及插入損耗和泵浦功率。
該方法的特點(diǎn)是1、將拉曼放大器的低噪聲特性和EDFA的高增益很好的結(jié)合在一起，使得系統(tǒng)性能大為提高，通過重新利用拉曼泵浦的殘余光用于泵浦EDFA，降低了系統(tǒng)對泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率，單向型系統(tǒng)中，一般利用300mw以下的泵浦功率即可獲得較好的效果，與其它長距離方案相比有極大的優(yōu)勢。
2、DFA和拉曼放大器之間采用兩個(gè)環(huán)行器連接，可以隔離EDFA放大的自發(fā)輻射噪聲，使得在環(huán)行器之后噪聲不會對前端的傳感器性能產(chǎn)生影響，系統(tǒng)中傳感信號的信噪比高，這對大容量的傳感器復(fù)用相當(dāng)有利。
3、系統(tǒng)中傳感器的復(fù)用能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)從大于1525-1605范圍內(nèi)的傳感器的波分復(fù)用。
可見拉曼放大器和摻鉺光纖放大器(EDFA)混合使用方案利用較低泵浦功率解決了基于寬帶光源的傳感系統(tǒng)隨著FBG數(shù)量和傳感距離不斷增加，由于后向瑞利散射光和光纖的背景損耗必然會使傳感器光信號的強(qiáng)度和信噪比不斷的下降的難題，實(shí)現(xiàn)了高的性價(jià)比、大容量、長距離、高精度的FBGs傳感系統(tǒng)，有著較高的性價(jià)比和實(shí)用價(jià)值。


圖.1基本單向型長距離準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)示意圖1.泵浦激光光源 7.隔離器2.耦合器8.可調(diào)衰減器3.反射鏡9.耦合器4.寬帶波分復(fù)用器10.寬帶波分復(fù)用器5.光譜儀11.布拉格光纖光柵6.摻鉺光纖圖.2基于雙向拉曼放大和雙EDF結(jié)構(gòu)的單向型長距離準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)示意圖1.泵浦激光光源 9.耦合器2.耦合器10.寬帶波分復(fù)用器3.反射鏡11.布拉格光纖光柵4.寬帶波分復(fù)用器12.寬帶波分復(fù)用器5.光譜儀13.環(huán)行器6.摻鉺光纖 14.摻鉺光纖7.隔離器15.寬帶波分復(fù)用器8.可調(diào)衰減器16.環(huán)行器17.布拉格光纖光柵圖.3拉曼和EDF混合放大時(shí)的FBG反射信號放大前后的光譜圖.4拉曼和EDF混合放大時(shí)的FBG反射信號的放大增益譜圖.5基于雙向拉曼放大和雙EDF結(jié)構(gòu)的單向型長距離準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)擴(kuò)展1.泵浦激光光源 9.耦合器2.耦合器10.寬帶波分復(fù)用器3.反射鏡11.布拉格光纖光柵4.寬帶波分復(fù)用器12.寬帶波分復(fù)用器5.光譜儀13.環(huán)行器6.摻鉺光纖 14.摻鉺光纖7.隔離器15.寬帶波分復(fù)用器8.可調(diào)衰減器16.環(huán)行器17.布拉格光纖光柵18.傳感結(jié)構(gòu)圖.6輸入到傳感系統(tǒng)的光譜.7沒有放大時(shí)傳感系統(tǒng)中FBG信號的譜圖具體實(shí)施方式
單向型長距離、分布式布拉格光纖光柵(FBGs)光纖傳感系統(tǒng)實(shí)施方案單向型長距離、分布式布拉格光纖光柵(FBGs)單向型光纖傳感系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)見圖.2，我們采用雙級鉺纖和雙向拉曼放大結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中泵浦1、耦合器2和9、反射鏡3、波分復(fù)用器4、10、12、15、光譜儀5、摻鉺光纖6、14、隔離器7、可調(diào)衰減器8、布拉格光纖光柵分布在25km單模光纖上11、環(huán)行器13、16等組成。開始將泵浦分合適比例，其中一部分10％光用于泵浦第一段摻鉺光纖，摻鉺光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)光用于照明處于第一級拉曼放大系統(tǒng)的傳感器即λ1，λ2，λ3，...，λM，另一部分90％泵浦光用于獲得拉曼放大，同時(shí)經(jīng)過拉曼放大了的殘余的ASE光經(jīng)過EDFA即第二段鉺纖，將被放大并混合EDFA的自發(fā)輻射光來照明后面的傳感器即λM+1，λM+2，λM+3，...，λN，這樣就為距離較遠(yuǎn)的傳感器提供了較強(qiáng)的光，其中EDFA的泵浦光來自于殘余的拉曼泵浦光。用一臺光譜分析儀來測量FBG傳感器的波長，一系列不同波長的FBG被串聯(lián)在光纖上用于準(zhǔn)分布式測量。
為了說明我們的方案，將4個(gè)波長分別為1528nm、1532nm、1548nm、1552nm反射率大于90％的FBGs分別兩兩安放在25km和50km處；兩段鉺纖的長度都為5m長。將240mw波長為1440nm的泵浦光注入到50km長的光纖中去，四個(gè)FBG的信號分別被放大了約7dB和20dB，信噪比分別被提高了約2dB和10dB，信號幅值差別很小約1～2dB，結(jié)果如圖.3所示。需要說明的是，系統(tǒng)中的可調(diào)衰減器是為了用于調(diào)整激光注入功率來優(yōu)化系統(tǒng)性能。
可見，采用拉曼和EDFA混合放大的方式在性能指標(biāo)上有極大的優(yōu)勢，與沒有放大和只有拉曼放大的方案相比，在信號的放大倍數(shù)、信噪比以及信號幅值差方面有明顯的優(yōu)勢，這說明采用本結(jié)構(gòu)是一種實(shí)現(xiàn)長距離、分布式布拉格光纖光柵(FBG)單向型光纖傳感系統(tǒng)極為有效的方案，傳感器的信噪比達(dá)到15dB以上，完全能滿足實(shí)際測量的需要。
權(quán)利要求
1.一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括泵浦激光光源(1)、耦合器(2)、反射鏡(3)、寬帶波分復(fù)用器(4)、光譜儀(5)、摻餌光纖(6)、隔離器(7)、耦合器(9)、寬帶波分復(fù)用器(10)、和若干布拉格光纖光柵(11)、各器件之間用單模光纖連接；泵浦激光光源輸出端與耦合器(2)的輸入端相連，耦合器(2)的一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器(4)的輸入端，耦合器(2)的另一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器(10)的一個(gè)輸入端；寬帶波分復(fù)用器(4)的一個(gè)輸出端與摻餌光纖(6)的輸入端相連，另一個(gè)輸出端接反射鏡(3)；摻餌光纖(6)的輸出端與隔離器(7)的輸入端相連，隔離器(7)的輸出端與耦合器(9)的輸入端相連；耦合器(9)的一個(gè)輸出端接寬帶波分復(fù)用器(10)的另一個(gè)輸入端，耦合器(9)的另一個(gè)輸出端接光譜儀(5)；寬帶波分復(fù)用器(10)的輸出端順序連接上若干個(gè)布拉格光纖光柵(11)；其特征是，該系統(tǒng)還包括寬帶波分復(fù)用器(12)、環(huán)行器(13)、摻餌光纖(14)、寬帶波分復(fù)用器(15)、環(huán)行器(16)和布拉格光纖光柵(17)；寬帶波分復(fù)用器(12)的輸入端于布拉格光纖光柵(11)的最后一個(gè)光纖光柵相連，其一個(gè)輸出端與環(huán)行器(13)的端口(2)相連，另一個(gè)輸出端與寬帶波分復(fù)用器(15)的輸入端相連；環(huán)行器(13)的端口(3)通過摻餌光纖(14)與寬帶波分復(fù)用器(15)的一個(gè)輸出端相連，環(huán)行器(13)的端口(1)與環(huán)行器(16)的端口(3)相連；寬帶波分復(fù)用器(15)的另一個(gè)輸出端與環(huán)行器(16)的端口(1)相連，環(huán)行器(16)的端口(2)與若干布拉格光纖光柵(17)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征是，它還包括一個(gè)可調(diào)衰減器(8)，所述可調(diào)衰減器(8)連接在隔離器(7)和耦合器9之間，用于調(diào)整激光注入功率來優(yōu)化系統(tǒng)性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征是，將根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種長距離分布式布拉格光纖光柵傳感系統(tǒng)中寬帶波分復(fù)用器(10)的輸出端之后的結(jié)構(gòu)當(dāng)作一路傳感結(jié)構(gòu)，則將多路同樣的傳感結(jié)構(gòu)并聯(lián)連接在寬帶波分復(fù)用器(10)的多個(gè)輸出端口上，形成具有多路并聯(lián)傳感結(jié)構(gòu)的長距離分布式光線光柵傳感系統(tǒng)。
全文摘要
一種距離分布式布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了雙級摻鉺光纖和雙向拉曼放大結(jié)構(gòu)。由于將拉曼放大器的低噪聲特性和EDFA的高增益很好的結(jié)合在一起，使得系統(tǒng)性能大為提高，一方面降低了系統(tǒng)對泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率，另一方面極大地延長傳感系統(tǒng)的傳感距離，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)中布拉格光線光柵傳感器的復(fù)用能力，大大降低系統(tǒng)的成本。該系統(tǒng)可以形成單向型傳感結(jié)構(gòu)和多路并聯(lián)傳感結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)形式。
文檔編號G01D5/26GK1702436SQ200510021118
公開日2005年11月30日 申請日期2005年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月21日
發(fā)明者饒?jiān)平? 冉曾令, 陳容睿 申請人:電子科技大學(xué)