專利名稱：一種脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，屬于分布式光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
[0002]在光纖布里淵光時(shí)域分析器領(lǐng)域，光纖布里淵光時(shí)域反射器采用光纖自發(fā)的布里淵散射，因此背向布里淵散射信號(hào)很弱，利用光纖布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度比來(lái)測(cè)量應(yīng)變和溫度的精度很低，測(cè)程短，空間分辨率較低。T.Horiguchi等發(fā)明了布里淵光時(shí)域分析器，在光纖的另一端加一個(gè)相干泵浦激光器，實(shí)現(xiàn)布里淵放大，采用相干放大的受激布里淵散射，增強(qiáng)了信號(hào)，改善了系統(tǒng)的信噪比。但是，光纖布里淵光時(shí)域分析器要求嚴(yán)格地鎖定窄帶探測(cè)激光器和窄帶泵浦激光器的頻率，在技術(shù)上很困難。而近年來(lái)石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測(cè)，對(duì)超遠(yuǎn)程全分布式光纖應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)有著迫切需求。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實(shí)用新型的目的是提出一種易于操作，增益高，系統(tǒng)信噪比強(qiáng)，測(cè)量精度高的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器。[0004]本實(shí)用新型的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，包括脈沖編碼波形發(fā)生器，窄帶單頻光纖激光器，光纖分路器，光脈沖編碼調(diào)制器，兩個(gè)光纖環(huán)行器，外差接收器，數(shù)字信號(hào)處理器，光纖光柵濾波器，傳感光纖，光纖拉曼泵浦激光器和工控機(jī)，脈沖編碼波形發(fā)生器的輸入端與工控機(jī)相連，脈沖編碼波形發(fā)生器的輸出端與光脈沖編碼調(diào)制器的一個(gè)輸入端相連，光纖分路器的輸入端與窄帶單頻光纖激光器相連，光纖分路器的一個(gè)輸出端與光脈沖編碼調(diào)制器的另一個(gè)輸入端相連，光纖分路器的另一個(gè)輸出端與第二光纖環(huán)行器的輸入端相連，光脈沖編碼調(diào)制器的輸出端與第一光纖環(huán)行器的輸入端相連，第一光纖環(huán)行器的公共端依次與光纖光柵濾波器，傳感光纖和光纖拉曼泵浦激光器相連，第一光纖環(huán)行器的輸出端與第二光纖環(huán)行器的公共端相連，第二光纖環(huán)行器的輸出端依次與外差接收器， 數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)相連，數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得傳感光纖所在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。[0005]本實(shí)用新型中，所說(shuō)的窄帶單頻光纖激光器是中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜帶寬為 200kHz的IOOmW連續(xù)運(yùn)行光纖激光器。[0006]本實(shí)用新型中，所述的光編碼調(diào)制器是鈮酸鋰馬赫-澤德?tīng)栒{(diào)制器 (Mach-Zehnder modulator (MZM))。[0007]本實(shí)用新型中，所述的外差接收器是頻率響應(yīng)為12(ihZ以上的光電探測(cè)器。[0008]本實(shí)用新型中，所說(shuō)的光纖光柵濾波器的中心波長(zhǎng)為1455nm，光譜帶寬為0. 3nm, 隔離度大于35dB。[0009]本實(shí)用新型中，所說(shuō)的傳感光纖為IOOkm單模通訊G652光纖或100km LEAF光纖。[0010]本實(shí)用新型中，所說(shuō)的所說(shuō)的光纖拉曼泵浦激光器的波長(zhǎng)為1455nm，功率在1 OOmw-1200mw 范圍可調(diào)。[0011]工作時(shí)，波形發(fā)生器在工控機(jī)控制下，輸出按255X255S矩陣轉(zhuǎn)換規(guī)則排列的序列255位編碼脈沖控制光編碼調(diào)制器，窄帶單頻光纖激光器輸出的連續(xù)激光經(jīng)光纖分路器分成兩束，其中一束激光經(jīng)過(guò)光脈沖編碼調(diào)制器調(diào)制成時(shí)間序列編碼脈沖光，通過(guò)光纖光柵濾波器進(jìn)入單模光纖，與單模光纖發(fā)生非線性相互作用，產(chǎn)生背向布里淵散射光，布里淵散射光的頻率與強(qiáng)度度受單模光纖各段的溫度和應(yīng)變調(diào)制。由單模光纖末端光纖拉曼泵浦激光器產(chǎn)生的強(qiáng)激光泵浦，在單模光纖里產(chǎn)生非線性放大，具有拉曼放大和布里淵放大的雙重放大，總增益達(dá)55dB，被放大的受激布里淵散射光Vtl士 Vb經(jīng)光纖光柵濾波器，濾除 1455nm光纖拉曼泵浦激光器在單模光纖里激光泵浦后殘存的光通過(guò)第一光纖環(huán)行器，進(jìn)入第二光纖環(huán)行器與來(lái)自光纖分路器的另一束本地光ν ^混頻，混頻后的輸出經(jīng)外差接收器， 數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)解碼解調(diào)后，得到在光纖中各點(diǎn)的應(yīng)變和溫度量，應(yīng)變和溫度變化速度和方向。利用光時(shí)域反射對(duì)單模光纖上各段的位置進(jìn)行定位(光纖雷達(dá)定位)。經(jīng)過(guò)應(yīng)變和溫度定標(biāo)，得到單模光纖各點(diǎn)的應(yīng)力和溫度變化量，測(cè)應(yīng)變精度為10μ ε，測(cè)溫精度士 1°C，由工控機(jī)顯示器顯示或通過(guò)通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸。[0012]脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器的編碼解碼原理[0013]本傳感器的序列脈沖編碼是通過(guò)S矩陣轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，S矩陣轉(zhuǎn)換是標(biāo)準(zhǔn)哈達(dá)馬得(Hadamard)轉(zhuǎn)換的一種變式，也可稱為哈達(dá)馬得轉(zhuǎn)換。S矩陣的元素均由“0”和“ 1”組成，這一特點(diǎn)很適用于激光序列脈沖編碼，在實(shí)際應(yīng)用中可用“0”代表激光器關(guān)閉，用“ 1” 代表激光器開(kāi)啟。這種采用“0”、“1”的編碼方式又可稱為簡(jiǎn)單編碼。而解碼的過(guò)程是對(duì)應(yīng)的逆S矩陣轉(zhuǎn)換。[0014]由編碼原理推導(dǎo)得知，采用N位的序列脈沖編碼解碼可獲得的信噪比改善為[0015]^NRlir = -J=(1)[0016]由⑴式可知，信噪比改善隨著編碼位數(shù)的提高而提高。[0017]當(dāng)N取255時(shí):廁扮=^= M 8 02[0018]光纖傳感器的空間定位分辨率由單位的窄脈沖寬度決定，由于采用多脈沖發(fā)射， 在提高發(fā)射光子數(shù)的同時(shí)又可通過(guò)壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率，并且不必提高單個(gè)激光脈沖的峰值功率從而又有效地防止了光纖非線性效應(yīng)造成背向反斯托克斯拉曼光時(shí)域反射(OTDR)曲線的變形。[0019]布里淵時(shí)域分析器的工作原理[0020]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)生頻率下移的布里淵散射光，在光纖中產(chǎn)生的背向布里淵散射的頻移^為··[0021]νΒ=2ην/λ(2)[0022]其中η為入射光波長(zhǎng)λ處的折射率，ν為光纖中聲速，對(duì)石英光纖，在λ = 1550nm 附近，vB 約為 IlGHz0[0023]If =Vi^ -丨φ )+蕓Γ(: C)在光纖中的布里淵散射光頻移vB具有應(yīng)變和4溫度效應(yīng)布里淵散射光的頻移[0024](3)[0025]δ Vb = Cve δ ε+Cvt δ T(4)[0026]其中頻移的應(yīng)變系數(shù)Cv ε和溫度系數(shù)Cvt為[0027]Cv ε = 0. 0482士0· 004ΜΗζ/ μ ε，CvT = 1. 10士0· 02MHz/K[0028]光纖中布里淵散射的強(qiáng)度也具有應(yīng)變和溫度效應(yīng)，光纖中布里淵散射的強(qiáng)度比 (Landau-Plazcek比)也依賴于光纖的應(yīng)變和溫度[0029]J1;(5)[0030]其中強(qiáng)度比的應(yīng)變系數(shù)Cpe和溫度系數(shù)Cp^[0031]ri; r --..(. 士] 4) J04%,、:f.c)r Il >>ι0 ι·.:Τ[0032]由( 式和(4)式，只要測(cè)量出光纖上各段頻移和強(qiáng)度比可解調(diào)出此段光纖的應(yīng)變?chǔ)?ε和溫度差δτ。[0033]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)[0034]本實(shí)用新型提出的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，采用時(shí)間序列編碼激光脈沖，在提高發(fā)射光子數(shù)的同時(shí)又可通過(guò)壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率；連續(xù)運(yùn)行的高功率光纖拉曼激光器作為新型布里淵光時(shí)域分析器的泵浦光源，取代了相干泵浦窄帶激光器，克服了光纖布里淵光時(shí)域分析器中要求嚴(yán)格地鎖定探測(cè)激光器和泵浦激光器頻率的困難，連續(xù)運(yùn)行的高功率光纖拉曼激光器產(chǎn)生的強(qiáng)激光在單模光纖中實(shí)現(xiàn)了受激拉曼散射光放大取代了窄帶布里淵放大，增加了背向相干放大的受激布里淵散射光的增益，拉曼放大與布里淵放大的總增益達(dá)^dB,提高了系統(tǒng)的信噪比，增加了測(cè)量長(zhǎng)度，改善了應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的精度。


[0035]圖1為本實(shí)用新型的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器的示意圖。
具體實(shí)施方式
[0036]參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，包括脈沖編碼波形發(fā)生器10，窄帶單頻光纖激光器11，光纖分路器12，光脈沖編碼調(diào)制器13，兩個(gè)光纖環(huán)行器 14、15，外差接收器16，數(shù)字信號(hào)處理器17，光纖光柵濾波器18，傳感光纖19，光纖拉曼泵浦激光器20和工控機(jī)21，脈沖編碼波形發(fā)生器10的輸入端與工控機(jī)21相連，脈沖編碼波形發(fā)生器10的輸出端與光脈沖編碼調(diào)制器13的一個(gè)輸入端相連，光纖分路器12的輸入端與窄帶單頻光纖激光器11相連，光纖分路器12的一個(gè)輸出端與光脈沖編碼調(diào)制器13的另一個(gè)輸入端相連，光纖分路器12的另一個(gè)輸出端與第二光纖環(huán)行器15的輸入端相連，光脈沖編碼調(diào)制器13的輸出端與第一光纖環(huán)行器14的輸入端相連，第一光纖環(huán)行器14的公共端依次與光纖光柵濾波器18，傳感光纖19和光纖拉曼泵浦激光器20相連，光纖拉曼激光器 20與傳感光纖19構(gòu)成背向泵浦光纖拉曼放大器。第一光纖環(huán)行器14的輸出端與第二光纖環(huán)行器15的公共端相連，第二光纖環(huán)行器15的輸出端依次與外差接收器16，數(shù)字信號(hào)處理器17和工控機(jī)21相連，數(shù)字信號(hào)處理器17和工控機(jī)21將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得傳感光纖19所在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。 數(shù)字信號(hào)處理器采用頻譜分析儀，例如安捷倫(Agilent)公司的頻譜分析儀 ESA(E4407B)，頻譜范圍 9kHz_26. 5GHz。
權(quán)利要求1.一種脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是包括脈沖編碼波形發(fā)生器(10)， 窄帶單頻光纖激光器(11)，光纖分路器(12)，光脈沖編碼調(diào)制器(13)，兩個(gè)光纖環(huán)行器 (14、15)，外差接收器(16)，數(shù)字信號(hào)處理器(17)，光纖光柵濾波器(18)，傳感光纖(19)，光纖拉曼泵浦激光器00)和工控機(jī)(21)，脈沖編碼波形發(fā)生器(10)的輸入端與工控機(jī)相連，脈沖編碼波形發(fā)生器(10)的輸出端與光脈沖編碼調(diào)制器(1 的一個(gè)輸入端相連，光纖分路器(1 的輸入端與窄帶單頻光纖激光器(11)相連，光纖分路器(1 的一個(gè)輸出端與光脈沖編碼調(diào)制器(1 的另一個(gè)輸入端相連，光纖分路器(1 的另一個(gè)輸出端與第二光纖環(huán)行器(1 的輸入端相連，光脈沖編碼調(diào)制器(1 的輸出端與第一光纖環(huán)行器(14) 的輸入端相連，第一光纖環(huán)行器(14)的公共端依次與光纖光柵濾波器(18)、傳感光纖(19) 和光纖拉曼泵浦激光器OO)相連，第一光纖環(huán)行器(14)的輸出端與第二光纖環(huán)行器(15) 的公共端相連，第二光纖環(huán)行器(1 的輸出端依次與外差接收器(16)，數(shù)字信號(hào)處理器 (17)和工控機(jī)相連，數(shù)字信號(hào)處理器(17)和工控機(jī)將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得傳感光纖(1 所在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征在于窄帶單頻光纖激光器(11)是中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜帶寬為200kHz的IOOmW連續(xù)運(yùn)行光纖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是光編碼調(diào)制器 (13)是鈮酸鋰馬赫-澤德?tīng)栒{(diào)制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是外差接收器 (16)是頻率響應(yīng)為12(ihZ以上的光電探測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是光纖光柵濾波器(18)的中心波長(zhǎng)為1455nm，光譜帶寬為0. 3nm，隔離度大于35dB。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是傳感光纖(19) 為IOOkm單模通訊G652光纖或100km LEAF光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是所說(shuō)的光纖拉曼泵浦激光器00)的波長(zhǎng)為1455nm，功率在1 OOmw-1200mw范圍可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器，其特征是所說(shuō)的數(shù)字信號(hào)處理器是頻譜范圍9kHz46. 5GHz的頻譜分析儀。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)的脈沖編碼光纖布里淵光時(shí)域分析器包括脈沖編碼波形發(fā)生器，窄帶單頻光纖激光器，光纖分路器，光脈沖編碼調(diào)制器，兩個(gè)光纖環(huán)行器，外差接收器，數(shù)字信號(hào)處理器，光纖光柵濾波器，傳感光纖，光纖拉曼泵浦激光器和工控機(jī)。該傳感器采用時(shí)間序列編碼激光脈沖，在提高發(fā)射光子數(shù)的同時(shí)又可通過(guò)壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率；連續(xù)運(yùn)行的光纖拉曼激光器作為泵浦光源，克服了光纖布里淵光時(shí)域分析器中要求嚴(yán)格鎖定探測(cè)激光器和泵浦激光器頻率的困難，連續(xù)運(yùn)行的光纖拉曼激光器產(chǎn)生的強(qiáng)激光在傳感光纖中實(shí)現(xiàn)了受激拉曼散射光放大取代了窄帶布里淵放大，可增加背向相干放大的受激布里淵散射光的增益，提高信噪比，測(cè)量精度，增加測(cè)量長(zhǎng)度。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202255424SQ20112028637
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者余向東, 張?jiān)谛? 王劍鋒, 龔華平 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院