專利名稱：一種新型布里淵光時域分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光時域分析儀，尤其是涉及一種新型布里淵光時域分析儀。
背景技術(shù)：
分布式溫度傳感器(DTS)在對電力電纜的安全監(jiān)測、重點區(qū)域防災(zāi)報警等領(lǐng)域中 有重要應(yīng)用。目前常用的DTS是利用光纖中的拉曼散射效應(yīng)，通過測量光纖背向拉曼散射 光強(qiáng)度得到光纖沿線各處的溫度變化情況。這項測量技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，但由于受到檢測 光強(qiáng)的限制，目前可達(dá)到的空間分辨率約為3 4米，溫度測量精度均大于1度，可測量的 光纖長度一般不超過10公里。除此之外，基于拉曼散射技術(shù)的DTS需使用多模光纖作為測 量光纖，價格昂貴而且易出現(xiàn)各類對測量有害的損耗、色散和非線性效應(yīng)。近年來發(fā)展迅速的基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)使DTS測量系統(tǒng)性能得以進(jìn) 一步提高。布里淵光時域分析儀測量溫度的基本原理是從測量光纖兩端同時輸入脈沖探測 光和連續(xù)泵浦光，兩束光之間存在一約等于布里淵頻移量IlGHz的頻率差，使脈沖探測光 通過受激布里淵效應(yīng)被連續(xù)泵浦光放大。通過掃描探測光和泵浦光的頻率差，可以得到對 應(yīng)測量光纖各位置溫度變化情況的布里淵頻移值。由于布里淵光時域分析儀在向測量光纖 輸入探測光的同時亦輸入泵浦光，且儀器檢測的是兩束光的頻率差，因此測量距離可以達(dá) 到幾十公里甚至上百公里，空間分辨率可以控制在1 2米，溫度測量精度可以控制在1度 以內(nèi)。更重要的是，布里淵光時域分析儀采用普通單模光纖作為測量光纖，受各類損耗、色 散和非線性效應(yīng)影響遠(yuǎn)小于多模光纖，而且有利于DTS在已敷設(shè)完畢的各類通信和傳感系 統(tǒng)(大部分利用單模光纖搭建)上進(jìn)行拓展安裝。另外，布里淵光時域分析儀在測量溫度 變化的同時，還可以同時測量應(yīng)力變化，擴(kuò)大了傳統(tǒng)DTS的應(yīng)用領(lǐng)域。通過以上分析，布里淵光時域分析儀在測量性能上絕對優(yōu)于基于拉曼散射的傳統(tǒng) DTS，但目前報導(dǎo)的布里淵光時域分析儀成本均大大高于傳統(tǒng)DTS，其成本很大一部分來自 光源調(diào)制模塊。目前的所有布里淵光時域分析儀全部采用連續(xù)光源外調(diào)制的方式產(chǎn)生脈沖 探測光。如美國專利(專利號US7245790B2)采用電光調(diào)制器外調(diào)制探測光源，中國專利 (申請?zhí)?200810243463. 5)采用電光調(diào)制器外調(diào)制探測光源，文獻(xiàn)(何玉鈞等，“一種新型 的基于全光纖Mach-Zehnder干涉儀BOTDR系統(tǒng)”，光子學(xué)報，33 (6)，2004)中采用聲光調(diào)制 器外調(diào)制探測光源。采用外調(diào)制方式產(chǎn)生探測脈沖的優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有光外調(diào)制器件， 控制容易，可實現(xiàn)極短寬度(1ns量級)脈沖，脈沖強(qiáng)度相對穩(wěn)定。但目前市場上可買到的 滿足性能指標(biāo)的光外調(diào)制器件均依靠進(jìn)口，價格昂貴，而且為保證光外調(diào)制器件正常工作， 探測光源與光調(diào)制器件之間的所有光器件均要具備保偏性能，這成為制約布里淵光時域分 析儀成本降低的瓶頸。傳統(tǒng)脈沖探測光產(chǎn)生模塊如圖1所示。包括探測光源驅(qū)動模塊，探測光源，保偏耦 合器，保偏光纖放大器，光外調(diào)制器，光外調(diào)制器驅(qū)動電路。其中光外調(diào)制器一般采用電光 調(diào)制器，光外調(diào)制驅(qū)動電路用于調(diào)整光外調(diào)制器偏置工作點、產(chǎn)生電脈沖信號施加到光外 調(diào)制器的射頻輸入端。探測光源為可調(diào)諧窄線寬半導(dǎo)體激光器，探測光源驅(qū)動模塊1用于控制探測光源穩(wěn)定工作在連續(xù)模式，并通過調(diào)整探測光源內(nèi)部溫控電阻和驅(qū)動電流控制光 輸出頻率。探測光源、保偏耦合器、保偏光纖放大器、光外調(diào)制器之間的連接光纖均需要采 用保偏光纖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、空間分辨率高、測量精度高、測量 距離長的新型布里淵光時域分析儀。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種新型布里淵光時域分析儀， 包括脈沖探測光產(chǎn)生模塊、泵浦光源模塊、第一光耦合器、第二光耦合器、頻率控制模塊、探 測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊，所述的泵浦光源模塊與所述的第二光耦合器 的輸入端連接，所述的第二光耦合器的兩個輸出端分別與所述的泵浦光輸出模塊和所述的 第一光耦合器的一個輸入端連接，所述的第一光耦合器的輸出端與所述的頻率控制模塊連 接，所述的探測光輸出及信號處理模塊和所述的泵浦光輸出模塊分別連接探測光纖模塊的 兩端，所述的脈沖探測光產(chǎn)生模塊包括可產(chǎn)生電脈沖信號的激光驅(qū)動電路、窄線寬可調(diào)諧 半導(dǎo)體激光器、第三光耦合器和光纖放大器，所述的激光驅(qū)動電路與所述的頻率控制模塊 連接，所述的第三光耦合器的輸入端與所述的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器連接，所述的第 三光耦合器的兩個輸出端分別與所述的光纖放大器的輸入端和所述的第一光耦合器的另 一個輸入端連接，所述的光纖放大器的輸出端與所述的探測光輸出及信號處理模塊連接。一種情況可以如下所述的探測光輸出及信號處理模塊包括偏振控制器、光環(huán)形 器、光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊、高速數(shù)字采集模塊和PC機(jī)，所述的偏振控制器的輸入端與 所述的光纖放大器的輸出端連接，所述的偏振控制器的輸出端與所述的光環(huán)形器的輸入端 連接，所述的光環(huán)形器第一輸出端與所述的探測光纖模塊連接，所述的光環(huán)形器的第二輸 出端與所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊連接，所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊依次連接所 述的高速數(shù)字采集模塊和所述的PC機(jī)，所述的泵浦光輸出模塊包括光衰減器和光隔離器， 所述的光衰減器的輸入端與所述的第二光耦合器的一個輸出端連接，所述的光衰減器的輸 出端與所述的光隔離器的輸入端連接，所述的光隔離器的輸出端與所述的探測光纖模塊連 接。另一種情況也可以如下所述的探測光輸出及信號處理模塊包括光環(huán)形器、光電 轉(zhuǎn)換與信號放大模塊、高速數(shù)字采集模塊和PC機(jī)，所述的光環(huán)形器的輸入端與所述的光纖 放大器的輸出端連接，所述的光環(huán)形器第一輸出端與所述的探測光纖模塊連接，所述的光 環(huán)形器的第二輸出端與所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊連接，所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大 模塊依次連接所述的高速數(shù)字采集模塊和所述的PC機(jī)，所述的泵浦光輸出模塊包括偏振 控制器、光衰減器和光隔離器，所述的偏振控制器的輸入端與所述的第二光耦合器的一個 輸出端連接，所述的偏振控制器的輸出端與所述的光衰減器的輸入端連接，所述的光衰減 器的輸出端與所述的光隔離器的輸入端連接，所述的光隔離器的輸出端與所述的探測光纖 模塊連接。所述的泵浦光源模塊包括泵浦光源驅(qū)動電路和泵浦光源，所述的泵浦光源為頻率 固定的半導(dǎo)體激光器，所述的泵浦光源中心頻率與所述的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的中 心頻率相差8 ，所述的窄線寬可調(diào)諧激光器的頻率調(diào)諧范圍大于2GHZ。
所述的頻率控制模塊包括依次連接的寬帶光電探測器、微波頻率計和“比例-積 分-微分”控制器，所述的寬帶光電探測器的輸入端與所述的第一耦合器輸出端連接，所述 的“比例-積分-微分”控制器的差分信號輸出端與所述的泵浦光源驅(qū)動電路連接，所述的 “比例-積分-微分”控制器的頻率鎖定輸出端與所述的激光驅(qū)動電路連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、使用窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器作為 探測光源，由激光驅(qū)動電路產(chǎn)生脈沖信號電流直接內(nèi)調(diào)制半導(dǎo)體激光器來形成較短寬度 (IOns量級)的穩(wěn)定脈沖輸出，在利用布里淵光時域分析儀作為DTS時，可省去昂貴的光外 調(diào)制器件，同時整個布里淵光時域分析儀內(nèi)不再需要保偏器件，使布里淵光時域分析儀成 本降低約80% ；2、現(xiàn)有的內(nèi)調(diào)制技術(shù)可保證新型布里淵光時域分析儀空間分辨率達(dá)到米量 級，完全滿足分布式溫度傳感領(lǐng)域需求；3、激光驅(qū)動電路是一種成熟技術(shù)，可采用高精度、 低噪聲電子元器件，保證探測光源輸出脈沖穩(wěn)定，確保布里淵光時域分析儀的高測量精度； 4、新型布里淵光時域分析儀成本與傳統(tǒng)DTS接近，性能卻絕對優(yōu)于傳統(tǒng)DTS，且測量光纖可 以使用普通單模光纖，因此可在分布式測量領(lǐng)域完全替代傳統(tǒng)DTS。


圖1為傳統(tǒng)布里淵光時域分析儀的脈沖探測光產(chǎn)生模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一的新型布里淵光時域分析儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明新型布里淵光時域分析儀的脈沖探測光產(chǎn)生模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明新型布里淵光時域分析儀的頻率控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例二的新型布里淵光時域分析儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實施例一如圖2 4所示，一種新型布里淵光時域分析儀，包括脈沖探測光產(chǎn)生 模塊1、泵浦光源模塊2、頻率控制模塊3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、泵浦光輸出模塊 6、探測光輸出及信號處理模塊7和探測光纖模塊8，探測光輸出及信號處理模塊7包括偏 振控制器71，光環(huán)形器72，光電轉(zhuǎn)換及信號放大模塊73，高速采集模塊74和PC機(jī)75，偏振 控制器71的輸出端與光環(huán)形器72的輸入端721連接，光環(huán)形器72第一輸出端722與探測 光纖模塊8輸入端連接，光環(huán)形器72的第二輸出端723與光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊73連 接，光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊73依次連接高速數(shù)字采集模塊74和PC機(jī)75，泵浦光輸出模 塊6包括光衰減器61和光隔離器62，光衰減器61的輸入端與第二光耦合器5的一個輸出 端連接，光衰減器61的輸出端與光隔離器62的輸入端連接，光隔離器62的輸出端與探測 光纖模塊8輸出端連接。泵浦光源模塊2包括泵浦光源驅(qū)動電路(圖未顯示)和泵浦光源 (圖未顯示)，泵浦光源為頻率固定的半導(dǎo)體激光器，泵浦光源與第二光耦合器5的輸入端 連接，第二光耦合器5的一個輸出端與第一光耦合器4的一個輸入端連接，脈沖探測光產(chǎn)生模塊1如圖3所示，包括可產(chǎn)生電脈沖信號的激光驅(qū)動電路11、窄 線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12、第三光耦合器13和光纖放大器14，第三光耦合器13的輸入 端與窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12連接，第三光耦合器13的一個輸出端與光纖放大器14 的輸入端連接，第三光耦合器13的另一個輸出端與第一光耦合器4的另一個輸入端連接，
5第一光耦合器4的輸出端與寬帶光電探測器31的輸入端連接，偏振控制器71的輸入端與 光纖放大器14的輸出端連接，探激光驅(qū)動電路11用于產(chǎn)生電脈沖信號，并通過調(diào)整窄線寬 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12的驅(qū)動電流控制窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12輸出光脈沖信號， 激光驅(qū)動電路11需采用高精度、低噪聲電路元器件，使輸出光脈沖達(dá)到最大功率對應(yīng)的光 頻率穩(wěn)定，第三光耦合器13、光纖放大器14均不需要具有保偏性能，窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體 激光器12、第三光耦合器13、光纖放大器14之間的連接光纖15、16可采用普通單模光纖；頻率控制模塊3如圖4所示，包括依次連接的寬帶光電探測器31、微波頻率計32 和“比例_積分_微分”控制器33?！氨壤?積分-微分”控制器33的差分信號輸出端37 與泵浦光源驅(qū)動電路連接，用于調(diào)整泵浦光源輸出光功率，“比例_積分_微分”控制器33 的頻率鎖定輸出端38與脈沖探測光產(chǎn)生模塊1中的激光驅(qū)動電路11輸入端17連接，用于 控制窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12工作在連續(xù)輸出或脈沖輸出狀態(tài)；微波頻率計是一個 成熟的現(xiàn)有產(chǎn)品，如Phase Matrix公司的EIP575B。泵浦光源為頻率固定的半導(dǎo)體激光器， 其中心頻率與窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12的中心頻率相差10. 5GHZ，窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo) 體激光器12的頻率調(diào)諧范圍為4GHZ。脈沖探測光產(chǎn)生模塊1輸出的脈沖探測光一部分輸 入到探測光輸出及信號處理模塊7，另一部分輸入到第一光耦合器4進(jìn)行光源頻率控制。泵 浦光源模塊2的輸出端與第二光耦合器5輸入端連接，一部分光輸入到泵浦光輸出模塊6， 另一部分光輸入到第一耦合器4進(jìn)行光源頻率控制。從第二光耦合器5和脈沖探測光產(chǎn)生 模塊1輸出到第一光耦合器4的兩路光經(jīng)第一光耦合器4合并后進(jìn)入頻率控制模塊3。測 量時，頻率控制模塊3頻率鎖定輸出端38首先輸出電壓信號，令脈沖探測光產(chǎn)生模塊1工 作在連續(xù)光模式；之后利用頻率控制模塊3計算窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12與泵浦光源 的頻率差；若頻率差在設(shè)定范圍之外，則頻率控制模塊3差分信號輸出端37輸出電壓控制 信號調(diào)整泵浦光源的輸出光頻率，直到窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器12與泵浦光源的頻率 差在設(shè)定范圍之內(nèi)；之后，頻率控制模塊3頻率鎖定輸出端38輸出電壓信號令脈沖探測光 產(chǎn)生模塊1工作在脈沖光模式，輸出光脈沖進(jìn)行布里淵頻譜測量。布里淵光放大信號經(jīng)光 電轉(zhuǎn)換及信號放大模塊73轉(zhuǎn)換為模擬電信號后，輸入到高速采集模塊74轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 之后進(jìn)入到PC機(jī)75，首先計算測量光纖各位置布里淵頻移值，最終計算出測量光纖各位置 溫度、應(yīng)力變化情況。實施例二 如圖5所示，其它結(jié)構(gòu)與實施例相同，不同之處在于將探測光輸出及信 號處理模塊7中的偏振控制器71移動到泵浦光輸出模塊6中，此時，脈沖探測光產(chǎn)生模塊1 的光纖放大器14的輸出端與光環(huán)形器72的輸入端口 721連接，第二光耦合器5的一個輸 出端與泵浦光輸出模塊6中的偏振控制器61的輸入端連接，使偏振態(tài)對布里淵放大效應(yīng)的 影響降到最低，偏振控制器61的輸出端與光衰減器62的輸入端連接，光衰減器62為可調(diào) 光衰減器，經(jīng)過光衰減器62后，光功率衰減到合適值，使布里淵光放大信號達(dá)到最佳。
權(quán)利要求
一種新型布里淵光時域分析儀，包括脈沖探測光產(chǎn)生模塊、泵浦光源模塊、第一光耦合器、第二光耦合器、頻率控制模塊、探測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊，所述的泵浦光源模塊與所述的第二光耦合器的輸入端連接，所述的第二光耦合器的兩個輸出端分別與所述的泵浦光輸出模塊和所述的第一光耦合器的一個輸入端連接，所述的第一光耦合器的輸出端與所述的頻率控制模塊連接，所述的探測光輸出及信號處理模塊和所述的泵浦光輸出模塊分別連接探測光纖模塊的兩端，其特征在于所述的脈沖探測光產(chǎn)生模塊包括可產(chǎn)生電脈沖信號的激光驅(qū)動電路、窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、第三光耦合器和光纖放大器，所述的激光驅(qū)動電路與所述的頻率控制模塊連接，所述的第三光耦合器的輸入端與所述的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器連接，所述的第三光耦合器的兩個輸出端分別與所述的光纖放大器的輸入端和所述的第一光耦合器的另一個輸入端連接，所述的光纖放大器的輸出端與所述的探測光輸出及信號處理模塊連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種新型布里淵光時域分析儀，其特征在于所述的探測光輸出 及信號處理模塊包括偏振控制器、光環(huán)形器、光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊、高速數(shù)字采集模塊 和PC機(jī)，所述的偏振控制器的輸入端與所述的光纖放大器的輸出端連接，所述的偏振控制 器的輸出端與所述的光環(huán)形器的輸入端連接，所述的光環(huán)形器第一輸出端與所述的探測光 纖模塊連接，所述的光環(huán)形器的第二輸出端與所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊連接，所述 的光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊依次連接所述的高速數(shù)字采集模塊和所述的PC機(jī)，所述的泵 浦光輸出模塊包括光衰減器和光隔離器，所述的光衰減器的輸入端與所述的第二光耦合器 的一個輸出端連接，所述的光衰減器的輸出端與所述的光隔離器的輸入端連接，所述的光 隔離器的輸出端與所述的探測光纖模塊連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種新型布里淵光時域分析儀，其特征在于所述的探測光輸 出及信號處理模塊包括光環(huán)形器、光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊、高速數(shù)字采集模塊和PC機(jī)， 所述的光環(huán)形器的輸入端與所述的光纖放大器的輸出端連接，所述的光環(huán)形器第一輸出端 與所述的探測光纖模塊連接，所述的光環(huán)形器的第二輸出端與所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大 模塊連接，所述的光電轉(zhuǎn)換與信號放大模塊依次連接所述的高速數(shù)字采集模塊和所述的PC 機(jī)，所述的泵浦光輸出模塊包括偏振控制器、光衰減器和光隔離器，所述的偏振控制器的輸 入端與所述的第二光耦合器的一個輸出端連接，所述的偏振控制器的輸出端與所述的光衰 減器的輸入端連接，所述的光衰減器的輸出端與所述的光隔離器的輸入端連接，所述的光 隔離器的輸出端與所述的探測光纖模塊連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種新型布里淵光時域分析儀，其特征在于所述的泵浦光源模 塊包括泵浦光源驅(qū)動電路和泵浦光源，所述的泵浦光源為頻率固定的半導(dǎo)體激光器，所述 的泵浦光源中心頻率與所述的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的中心頻率相差8 13GHZ，所 述的窄線寬可調(diào)諧激光器的頻率調(diào)諧范圍大于2GHZ。
5.如權(quán)利要求1所述的一種新型布里淵光時域分析儀，其特征在于所述的頻率控制模 塊包括依次連接的寬帶光電探測器、微波頻率計和“比例_積分_微分”控制器，所述的寬 帶光電探測器的輸入端與所述的第一耦合器輸出端連接，所述的“比例-積分-微分”控制 器的差分信號輸出端與所述的泵浦光源驅(qū)動電路連接，所述的“比例_積分-微分”控制器 的頻率鎖定輸出端與所述的激光驅(qū)動電路連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型布里淵光時域分析儀，包括脈沖探測光產(chǎn)生模塊、泵浦光源模塊、第一光耦合器、第二光耦合器、頻率控制模塊、探測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊，特點是脈沖探測光產(chǎn)生模塊包括可產(chǎn)生電脈沖信號的激光驅(qū)動電路、窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、第三光耦合器和光纖放大器，激光驅(qū)動電路與頻率控制模塊連接，第三光耦合器的輸入端與窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器連接，第三光耦合器的兩個輸出端分別與光纖放大器的輸入端和第一光耦合器的另一個輸入端連接，光纖放大器的輸出端與探測光輸出及信號處理模塊連接，優(yōu)點是成本低、空間分辨率高、測量精度高且測量距離長。
文檔編號G01K11/32GK101949743SQ20101025145
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者任尚今, 劉航杰, 張婕, 李浩泉 申請人:寧波諾馳光電科技發(fā)展有限公司