專利名稱：基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及布里淵光時域反射計的裝置。
背景技術：
布里淵散射是一種非彈性散射效應，當一束泵浦光正向入射到光纖中時，光纖中的背向自發(fā)布里淵散射包含上頻移的反斯托克斯成分和下頻移的斯托克斯成分，它們對稱分布在泵浦光頻率的兩側，它們與泵浦光之間的頻率差稱之為布里淵頻移。研究發(fā)現(xiàn)布里淵頻移是溫度和應變的函數(shù)，也就是說光纖所處的環(huán)境溫度和所受應變發(fā)生變化會導致布里淵頻移變化，因此通過測量布里淵光譜可以實現(xiàn)溫度和應變的測量。
布里淵光時域反射計(BOTDR)可以實現(xiàn)光纖上任意位置的布里淵光譜的測量，從而實現(xiàn)分布式光纖溫度/應變傳感，它可以應用于土木工程行業(yè)中大型建筑物的結構健康監(jiān)測、電力行業(yè)中電纜溫度和受力監(jiān)測、油氣工業(yè)中油氣管線和存儲罐的溫度和變形監(jiān)測以及各種火災監(jiān)測等。布里淵光時域反射計的工作原理是把一個泵浦脈沖光注入到傳感光纖中，通過測量背向的自發(fā)布里淵散射來獲得傳感光纖每個位置上的布里淵光譜，定位原理是根據(jù)泵浦脈沖光和背向散射光的飛行時間來確定的。因為自發(fā)布里淵散射強度非常微弱，所以如何檢測如此微弱的信號是實現(xiàn)布里淵光時域反射計的難點。為了提高檢測靈敏度，一般采用相干檢測技術，為此需要引入一束本地振蕩光與布里淵散射信號進行混頻。如果采用分出一部分泵浦光作為本地振蕩光的話，那么混頻后的信號頻率大約為十幾GHz，為了對這個信號進行處理需要價格昂貴且結構復雜的頻率為十幾GHz左右的微波信號發(fā)生器。中國專利201010505382. 5提出采用布里淵光纖環(huán)形激光器輸出的激光作為本地振蕩光，由于布里淵激光的頻率比泵浦光低一個布里淵頻移，因此混頻后的信號頻率可以從十幾GHz左右降到幾百MHz，降低了信號處理難度，然而布里淵光纖環(huán)形激光器的輸出不穩(wěn)定，而且輸出頻率不能調諧，導致測量精度低和針對不同的傳感光纖適應性差的問題。中國專利201010604834. 5提出采用微波計數(shù)器鎖定兩臺分布反饋式半導體激光器，其中一臺作為泵浦光，另一臺激光器的頻率鎖定到布里淵散光頻率附近，這樣就可以把信號從十幾GHz左右降到幾百MHz來處理，雖然微波計數(shù)器可以實現(xiàn)兩臺激光器穩(wěn)定的頻率鎖定，然而微波頻率計數(shù)器的價格仍然較高、結構復雜、體積較大。此外，以上兩個專利中本地振蕩光的頻率都是固定的，因此在電信號處理的時候需要中心頻率可調的電濾波器來實現(xiàn)布里淵光譜的掃描和測量，存在電信號處理復雜的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有布里淵光纖環(huán)形激光器的輸出不穩(wěn)定且輸出頻率不能調諧，導致測量精度低；本地振蕩光的頻率固定，在電信號處理的時候需要中心頻率可調的電濾波器來實現(xiàn)布里淵光譜的掃描和測量，存在電信號處理復雜的問題，提供一種基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置。
基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，它由一號激光器、二號激光器、一號光纖耦合器、二號光纖耦合器、三號光纖耦合器、四號光纖耦合器、鎖相環(huán)模塊、電光調制器、擾偏器、環(huán)形器、光學衰減器、一號摻鉺光纖放大器、二號摻鉺光纖放大器、光學濾波器、雙平衡探測器、帶通電濾波器、數(shù)據(jù)采集模塊、探測放大模塊和脈沖發(fā)生器組成，一號激光器的輸出端與一號光纖I禹合器的光信號輸入端連通，一號光纖I禹合器的光信號輸出端同時與電光調制器和三號光纖耦合器的光信號輸入端連通，二號激光器的輸出端與二號光纖耦合器的光信號輸入端連通，二號光纖耦合器的光信號輸出端同時與光學衰減器和三號光纖耦合器的光信號輸入端連通，三號光纖耦合器的光信號輸出端與探測放大模塊的光信號輸入端連通，探測放大模塊的電信號輸出端與鎖相環(huán)模塊的電信號輸入端連通，鎖相環(huán)模塊的控制信號輸出端與二號激光器的注入電流控制端連通，脈沖發(fā)生器的脈沖信號輸出端與電光調制器的脈沖信號輸入端連通，電光調制器的光信號輸出端與擾偏器的光信號輸入端連通，擾偏器的光信號輸出端與一號摻鉺光纖放大器的光信號輸入端連通，環(huán)形器包括一號光信號端口、二號光信號端口和三號光信號端口，一號摻鉺光纖放大器的光信號輸出端與環(huán)形器的一號光信號端口連通，環(huán)形器的三號光信號端口與二號摻鉺光纖放大器的光信號輸入端連通，環(huán)形器的二號光信號輸出\輸入端口與待測光纖的輸入\輸出端連通；二號摻鉺光纖放大器的光信號輸出端與光學濾波器的光信號輸入端連通，光學濾波器的光信號輸出端與四號光纖耦合器的一個光信號輸入端連通，光學衰減器的光信號輸出端與四號光 纖耦合器的另一個光信號輸入端連通，四號光纖耦合器的二個輸出端分別與雙平衡探測器的二個光信號輸入端連通，雙平衡探測器的信號輸出端與帶通電濾波器的信號的輸入端連通，帶通電濾波器的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊的采集信號輸入端連通。本發(fā)明提出的光學鎖相環(huán)提供兩臺激光器之間精確地、快速的、大范圍的頻率差鎖定，為布里淵光時域反射計提供一個穩(wěn)定的本地振蕩光；光學鎖相環(huán)中使用分頻技術把混頻后的信號從十幾GHz降到幾十到幾百MHz，從而可以使用較低頻的器件和參考信號源，極大地降低成本，簡化系統(tǒng)；通過掃描本地振蕩光頻率的方法測量布里淵光譜，因而在電信號處理的時候不需要中心頻率可調的電濾波器，解決了電信號處理復雜的問題。


圖I為本發(fā)明的組成結構示意圖，圖2為實施方式二的鎖相環(huán)模塊的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖I說明本實施方式，本實施方式所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，它由一號激光器1-1、二號激光器1-2、一號光纖耦合器2-1、二號光纖稱合器2-2、三號光纖稱合器2-3、四號光纖稱合器2-4、鎖相環(huán)模塊3、電光調制器
4、擾偏器5、環(huán)形器6、光學衰減器7、一號摻鉺光纖放大器8-1、二號摻鉺光纖放大器8-2、光學濾波器9、雙平衡探測器10、帶通電濾波器11、數(shù)據(jù)采集模塊12、探測放大模塊13和脈沖發(fā)生器14組成,一號激光器1-1的輸出端與一號光纖稱合器2-1的光信號輸入端連通，一號光纖稱合器2-1的光信號輸出端同時與電光調制器4和三號光纖稱合器2-3的光信號輸入端連通，二號激光器1-2的輸出端與二號光纖稱合器2-2的光信號輸入端連通,二號光纖率禹合器2-2的光信號輸出端同時與光學衰減器7和三號光纖稱合器2-3的光信號輸入端連通，三號光纖耦合器2-3的光信號輸出端與探測放大模塊13的光信號輸入端連通，探測放大模塊13的電信號輸出端與鎖相環(huán)模塊3的電信號輸入端連通，鎖相環(huán)模塊3的控制信號輸出端與二號激光器1-2的注入電流控制端連通,脈沖發(fā)生器14的脈沖信號輸出端與電光調制器4的脈沖信號輸入端連通，電光調制器4的光信號輸出端與擾偏器5的光信號輸入端連通，擾偏器5的光信號輸出端與一號摻鉺光纖放大器8-1的光信號輸入端連通,環(huán)形器6包括一號光信號端口 6-1、二號光信號端口 6-2和三號光信號端口 6-3,—號摻鉺光纖放大器8-1的光信號輸出端與環(huán)形器6的一號光信號端口 6-1連通,環(huán)形器6的三號光信號端口 6-3與二號摻鉺光纖放大器8-2的光信號輸入端連通,環(huán)形器6的二號光信號輸出\輸入端口 6-2與待測光纖的輸入\輸出端連通；二號摻鉺光纖放大器8-2的光信號輸出端與光學濾波器9的光信號輸入端連通,光學濾波器9的光信號輸出端與四號光纖I禹合器
2-4的一個光信號輸入端連通，光學衰減器7的光信號輸出端與四號光纖耦合器2-4的另一個光信號輸入端連通，四號光纖耦合器2-4的二個輸出端分別與雙平衡探測器10的二個光信號輸入端連通，雙平衡探測器10的信號輸出端與帶通電濾波器11的信號的輸入端連通，帶通電濾波器11的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊12的采集信號輸入端連通。 本發(fā)明提出的光學鎖相環(huán)提供兩臺激光器之間精確地、快速的、大范圍的頻率差鎖定，為布里淵光時域反射計提供一個穩(wěn)定的本地振蕩光；光學鎖相環(huán)中使用分頻技術把混頻后的信號從十幾GHz降到幾十到幾百MHz，從而可以使用較低頻的器件和參考信號源，極大地降低成本，簡化系統(tǒng)；通過掃描本地振蕩光頻率的方法測量布里淵光譜，因而在電信號處理的時候不需要中心頻率可調的電濾波器，解決了電信號處理復雜的問題。
具體實施方式
二 結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，鎖相環(huán)模塊3由定向耦合器
3-1、分頻器3-2、相位/頻率鑒別器3-3、參考信號源3-4、環(huán)路濾波器3_5和頻率計數(shù)單元3-6組成,定向f禹合器3-1的電信號輸入端為鎖相環(huán)模塊3的電信號輸入端,定向I禹合器3-1的一個信號的輸出端與分頻器3-2的信號的輸入端連通，定向耦合器3-1的另一個信號的輸出端與頻率計數(shù)單元3-6的輸入端連通；分頻器3-2的信號的輸出端與相位/頻率鑒別器3-3的一個信號輸入端連通，參考信號源3-4的信號輸出端與相位/頻率鑒別器3-3的另一個信號輸入端連通，相位/頻率鑒別器3-3的信號輸出端與環(huán)路濾波器3-5的信號輸入端連通，環(huán)路濾波器3-5的信號輸出端為鎖相環(huán)模塊3的控制信號輸出端。定向耦合器3-1把拍頻信號一部分功率耦合出來用于實時監(jiān)測兩臺激光器的頻率差，另一部分信號接分頻器，分頻器的功能是對拍頻信號進行降頻，其輸出頻率等于拍頻信號的頻率除以分頻器的分頻比N。相位/頻率鑒別器通過比較分頻器輸出的信號和參考信號后給出一個誤差信號，誤差信號通過一個環(huán)路濾波器后加載到其中一臺激光器的注入電流控制端口，當環(huán)路鎖定以后分頻器輸出信號的頻率就等于參考信號的頻率f；，兩臺激光器之間的頻率差等于NXf；。由于拍頻信號的頻率大約為十幾GHz，對其直接處理難度較大，通過分頻器后可以把信號頻率降到幾百MHz，這樣就可以使用較低的低頻的器件來處理，而且，參考信號源的頻率也大為降低，從十幾GHz降到幾十到幾百MHz使成本降低、結構簡化。相位/頻率鑒別器具有較快的響應和較寬的帶寬，因此可以實現(xiàn)兩臺激光器之間頻率差的快速鎖定和大范圍掃描，一般掃描范圍是8 12GHz。在頻率鎖定的兩臺激光器中，其中一臺激光器提供泵浦光，通過脈沖發(fā)生器和電光調制器獲得泵浦脈沖光，通過擾偏器隨機改變泵浦脈沖的偏振態(tài)，通過摻鉺光纖放大器把泵浦脈沖放大到所需的功率，再通過環(huán)形器與傳感光纖相連，后向散射的布里淵信號通過環(huán)形器后被另一臺摻鉺光纖放大器放大，再通過一個窄帶光學濾波器濾除ASE噪聲和瑞利散射噪聲。另一臺激光器提供連續(xù)的本地振蕩光，通過光學衰減器來獲得所需的功率，本地振蕩光和布里淵散射信號輸入到50:50的四號光纖耦合器2-4進行混頻，并由雙平衡探測器探測，輸出的信號經過一個帶通電濾波器后由數(shù)據(jù)采集卡收集。把兩臺激光器的頻率差鎖定到布里淵頻移附近，通過掃描頻率差，就可以獲得傳感光纖上的布里淵光譜。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號激光器1-1和二號激光器1-2均采用單頻窄線寬光纖激光器、分布反饋式半導體激光器或外腔式半導體激光器。
具體實施方式
四本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號光纖耦合器2-1、二號光纖耦合器2-2和三號光纖耦合器2-3均采用保偏光纖型的光纖耦合器。
具體實施方式
五本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，四號光纖耦合器2-4采用單模光纖型的光纖耦合器。
具體實施方式
六本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號光纖耦合器2-1與二號光纖耦合器2-2的耦合比的值相同，所述耦合比的值范圍是95 :5和80 :20之間。
具體實施方式
七本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，分頻器3-2的分頻比N為8彡N彡200，IOGHz信號對應分頻比N的混頻后的信號范圍是1. 25GHz至100MHz。
具體實施方式
八本實施方式是對具體實施方式
一所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置進一步限定，一號激光器1-1與二號激光器1-2之間頻率差的鎖定范圍是8 12GHz。
權利要求
1.基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征是，它由一號激光器(1-1)、二號激光器(1-2)、一號光纖I禹合器(2-1)、二號光纖I禹合器(2-2)、三號光纖I禹合器(2-3)、四號光纖耦合器(2-4)、鎖相環(huán)模塊(3)、電光調制器(4)、擾偏器(5)、環(huán)形器(6)、光學衰減器(7)、一號摻鉺光纖放大器(8-1)、二號摻鉺光纖放大器(8-2)、光學濾波器(9)、雙平衡探測器(10)、帶通電濾波器(11)、數(shù)據(jù)采集模塊(12)、探測放大模塊(13)和脈沖發(fā)生器(14)組成，一號激光器(1-1)的輸出端與一號光纖稱合器(2-1)的光信號輸入端連通，一號光纖率禹合器(2-1)的光信號輸出端同時與電光調制器(4)和三號光纖I禹合器(2-3)的光信號輸入端連通，二號激光器(1-2)的輸出端與二號光纖耦合器(2-2)的光信號輸入端連通，二號光纖I禹合器(2-2)的光信號輸出端同時與光學衰減器(7)和三號光纖I禹合器(2-3)的光信號輸入端連通，三號光纖耦合器(2-3)的光信號輸出端與探測放大模塊(13)的光信號輸入端連通，探測放大模塊(13)的電信號輸出端與鎖相環(huán)模塊(3)的電信號輸入端連通，鎖相環(huán)模塊(3)的控制信號輸出端與二號激光器(1-2)的注入電流控制端連通，脈沖發(fā)生器(14)的脈沖信號輸出端與電光調制器⑷的脈沖信號輸入端連通，電光調制器⑷的光信號輸出端與擾偏器(5)的光信號輸入端連通，擾偏器(5)的光信號輸出端與一號摻鉺光纖放大器(8-1)的光信號輸入端連通，環(huán)形器(6)包括一號光信號端口(6-1)、二號光信號端口(6-2)和三號光信號端口(6-3),—號摻鉺光纖放大器(8-1)的光信號輸出端與環(huán)形器(6)的一號光信號端口(6-1)連通,環(huán)形器(6)的三號光信號端口(6-3)與二號摻鉺光纖放大器(8-2)的光信號輸入端連通,環(huán)形器(6)的二號光信號輸出\輸入端口(6-2)與待測光纖的輸入\輸出端連通；二號摻鉺光纖放大器(8-2)的光信號輸出端與光學濾波器(9)的光信號輸入端連通，光學濾波器(9)的光信號輸出端與四號光纖耦合器(2-4)的一個光信號輸入端連通，光學衰減器(7)的光信號輸出端與四號光纖耦合器(2-4)的另一個光信號輸入端連通，四號光纖耦合器(2-4)的二個輸出端分別與雙平衡探測器(10)的二個光信號輸入端連通，雙平衡探測器(10)的信號輸出端與帶通電濾波器(11)的信號的輸入端連通，帶通電濾波器(11)的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊(12)的采集信號輸入端連通。
2.根據(jù)權利要求I所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，鎖相環(huán)模塊⑶由定向耦合器(3-1)、分頻器(3-2)、相位/頻率鑒別器(3-3)、參考信號源(3-4)、環(huán)路濾波器(3-5)和頻率計數(shù)單元(3-6)組成，定向耦合器(3-1)的電信號輸入端為鎖相環(huán)模塊(3)的電信號輸入端，定向I禹合器(3-1)的一個信號的輸出端與分頻器(3-2)的信號的輸入端連通，定向耦合器(3-1)的另一個信號的輸出端與頻率計數(shù)單元(3-6)的輸入端連通；分頻器(3-2)的信號的輸出端與相位/頻率鑒別器(3-3)的一個信號輸入端連通，參考信號源(3-4)的信號輸出端與相位/頻率鑒別器(3-3)的另一個信號輸入端連通，相位/頻率鑒別器(3-3)的信號輸出端與環(huán)路濾波器(3-5)的信號輸入端連通，環(huán)路濾波器(3-5)的信號輸出端為鎖相環(huán)模塊(3)的控制信號輸出端。
3.根據(jù)權利要求I所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，一號激光器(1-1)和二號激光器(1-2)均采用單頻窄線寬光纖激光器、分布反饋式半導體激光器或外腔式半導體激光器。
4.根據(jù)權利要求I所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，一號光纖I禹合器(2-1)、二號光纖I禹合器(2-2)和三號光纖I禹合器(2-3)均米用保偏光纖型的光纖耦合器。
5.根據(jù)權利要求I所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，四號光纖耦合器(2-4)采用單模光纖型的光纖耦合器。
6.根據(jù)權利要求I所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，一號光纖耦合器(2-1)與二號光纖耦合器(2-2)的耦合比的值相同，所述耦合比的值范圍是95 :5和80 :20之間。
7.根據(jù)權利要求2所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，分頻器(3-2)的分頻比N為8彡N彡200，IOGHz信號對應分頻比N的混頻后的信號范圍是1. 25GHz 至 IOOMHz ο
8.根據(jù)權利要求2所述基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，其特征在于，一號激光器(1-1)與二號激光器(1-2)之間頻率差的鎖定范圍是8 12GHz。
全文摘要
基于光學鎖相環(huán)的布里淵光時域反射計的裝置，涉及布里淵光時域反射計的裝置，它為了解決現(xiàn)有布里淵光纖環(huán)形激光器的輸出不穩(wěn)定且輸出頻率不能調諧，導致測量精度低；本地振蕩光的頻率固定，在電信號處理的時候需要中心頻率可調的電濾波器來實現(xiàn)布里淵光譜的掃描和測量，存在電信號處理復雜的問題，它由一號激光器、二號激光器、一號光纖耦合器、二號光纖耦合器、三號光纖耦合器、四號光纖耦合器、鎖相環(huán)模塊、電光調制器、擾偏器、環(huán)形器、光學衰減器、一號摻鉺光纖放大器、二號摻鉺光纖放大器、光學濾波器、雙平衡探測器、帶通電濾波器、數(shù)據(jù)采集模塊、探測放大模塊和脈沖發(fā)生器組成。適用于布里淵光時域反射計的裝置。
文檔編號G01J3/28GK102809430SQ20121029978
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權日2012年8月22日
發(fā)明者董永康, 呂志偉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學