基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)，包括窄線寬光源、拉曼泵浦光源、與窄線寬光源連接的第一調(diào)制模塊和與拉曼泵浦光源連接的第二調(diào)制模塊，所述第一調(diào)制模塊依次通過摻餌光纖放大器、環(huán)形器與波分復(fù)用器連接，所述第二調(diào)制模塊直接與波分復(fù)用器連接，所述波分復(fù)用器連接傳感光纖，所述第一調(diào)制模塊與第二調(diào)制模塊之間通過信號發(fā)生器連接，所述環(huán)形器通過濾波器與探測器、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)依次連接。本發(fā)明通過具有一定延時(shí)量的脈沖調(diào)制泵浦拉曼放大來實(shí)現(xiàn)更長的探測光有效傳感距離。
【專利說明】基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對信息的依賴越來越嚴(yán)重，信息傳輸?shù)男枨蠹眲∨蛎洠蠓忍嵘F(xiàn)有光纖系統(tǒng)的容量，增加無電再生中繼的簡單傳輸距離，已經(jīng)成為光纖通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在這種背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪聲和很寬的帶寬特性而得到廣泛關(guān)注。
[0003]所謂拉曼放大，是將一部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上，如果一個(gè)弱信號波與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，信號光即可以得到放大。
[0004]同向泵浦分布式拉曼放大已被廣泛地用于時(shí)域反射型分布式傳感系統(tǒng)的距離延伸，但其特點(diǎn)是在近泵浦端的放大效應(yīng)最顯著，導(dǎo)致被放大的探測光的非線性效應(yīng)在近泵浦端就迅速地積累，從而劣化探測光信號的質(zhì)量，并進(jìn)而影響傳感距離的延伸。
[0005]分布式傳感系統(tǒng)類型包括:相位敏感光時(shí)域反射儀(Φ-OTDR)、偏振敏感光時(shí)域反射儀(POTDR)以及布里淵光時(shí)域反射儀(BOTDR)等。分布式傳感系統(tǒng)具有抗電磁干擾、靈敏度高、測量距離長等諸多優(yōu)點(diǎn)，在輸油管道、機(jī)場、國界等長距離周界防入侵方面具有不可替代的優(yōu)勢。現(xiàn)有的分布式傳感系統(tǒng)為了延長傳感距離，提高靈敏度，一般采用的方式是增加拉曼泵浦功率，但是單純的提高拉曼泵浦功率，容易引起自相位調(diào)制、調(diào)制不穩(wěn)定等非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，從而降低了信噪比，限制了傳感距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:針對上述存在的問題，提供一種通過具有一定延時(shí)量的脈沖調(diào)制泵浦拉曼放大來實(shí)現(xiàn)更長的探測光有效傳感距離的分布式傳感系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明提供一種基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)，包括窄線寬光源、拉曼泵浦光源、與窄線寬光源連接的第一調(diào)制模塊和與拉曼泵浦光源連接的第二調(diào)制模塊，所述第一調(diào)制模塊依次通過摻餌光纖放大器、環(huán)形器與波分復(fù)用器連接，所述第二調(diào)制模塊直接與波分復(fù)用器連接，所述波分復(fù)用器連接傳感光纖，所述第一調(diào)制模塊與第二調(diào)制模塊之間通過信號發(fā)生器連接，所述環(huán)形器通過濾波器與探測器、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)依次連接。
[0008]對上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，所述環(huán)形器具有端口一、端口 二和端口三，所述端口 一與第二調(diào)制模塊連接，所述端口 二與波分復(fù)用器連接，所述端口三與濾波器連接。
[0009]對上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，所述信號發(fā)生器產(chǎn)生信號同時(shí)觸發(fā)第一調(diào)制模塊和第二調(diào)制模塊產(chǎn)生兩路頻率相同的光脈沖調(diào)制信號，所述拉曼泵浦光源輸出的泵浦光通過第一調(diào)制模塊產(chǎn)生具有一定延時(shí)量的泵浦脈沖后進(jìn)入波分復(fù)用器，所述窄線寬光源輸出的探測光通過第二調(diào)制模塊產(chǎn)生探測脈沖并經(jīng)過摻餌光纖放大器進(jìn)行放大，放大后的探測脈沖通過環(huán)形器進(jìn)入波分復(fù)用器，所述波分復(fù)用器將泵浦脈沖和探測脈沖進(jìn)行耦合進(jìn)入傳感光纖中傳播，傳播到傳感光纖的特定位置時(shí)，泵浦脈沖開始與探測脈沖重合，從該特定位置開始，探測脈沖會(huì)持續(xù)被泵浦脈沖放大，且探測脈沖在傳播過程中不斷地朝傳播方向的逆向發(fā)生瑞利散射，散射光經(jīng)過環(huán)形器的端口三進(jìn)入濾波器濾除噪聲帶來的影響，濾除噪聲后的散射光進(jìn)入探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊采集并傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理得出散射光的特性。
[0010]對上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，泵浦脈沖的延時(shí)量取決于探測光與泵浦光的相對走離程度以及傳感系統(tǒng)的具體參數(shù)，由信號發(fā)生器的控制程序或延時(shí)線控制。
[0011]對上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，為了確保探測光得到足夠的分布式拉曼放大，則泵浦脈沖的脈寬應(yīng)顯著大于探測光，即為了確保泵浦脈沖在與探測脈沖相遇后，可以持續(xù)地與探測脈沖重合直至傳感光纖末端，因此需要分別使用兩個(gè)調(diào)制模塊對探測光和泵浦光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生具有不同脈寬的探測脈沖和泵浦脈沖。
[0012]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明采用具有一定延時(shí)量的脈沖泵浦拉曼放大代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)光泵浦拉曼放大，分別對探測光與泵浦光進(jìn)行脈沖調(diào)制，并在兩者之間產(chǎn)生一定的延時(shí)量；經(jīng)由摻餌光纖放大器放大的探測脈沖，在傳感光纖的前段信號足夠強(qiáng)，不需要被放大，隨著傳感距離的延長，探測脈沖強(qiáng)度降低，此時(shí)具有一定延時(shí)的泵浦脈沖才開始與探測脈沖產(chǎn)生受激拉曼散射，確保探測脈沖在較長的傳感光纖上都有足夠強(qiáng)的信號，同時(shí)減緩了探測脈沖頻譜的展寬，并保證了探測光的相干性，減小非線性效應(yīng)所帶來的影響。
[0013]2.根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對探測光沿著光纖的功率分布進(jìn)行仿真，拉曼泵浦與探測光分別在Okm處和IOkm處開始發(fā)生作用時(shí)，設(shè)定相對應(yīng)的探測光峰值功率分別為337mW、500mW，注入泵浦的功率分別為1110mW、600mW。通過計(jì)算得出該系統(tǒng)的非線性相移顯著小于連續(xù)光拉曼放大，即引起的非線性累積效應(yīng)較小，有利于減小探測光脈沖頻譜的展寬，確保了探測光的相干性，從而延長了探測光的傳感距離，具有重要的實(shí)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明所述基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的具有延時(shí)量的泵浦脈沖與探測脈沖相互作用的示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中在不同位置注入泵浦光時(shí)的探測光的功率分布圖。
[0015]圖1中:1為窄線寬光源；2為拉曼泵浦光源；3為第一調(diào)制模塊；4為摻餌光纖放大器；5為信號發(fā)生器；6為第二調(diào)制模塊；7為波分復(fù)用器；8為傳感光纖；9為環(huán)形器；10為濾波器；11為探測器；12為數(shù)據(jù)采集模塊；13為計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0017]如圖1所示為本發(fā)明所述基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括窄線寬光源1、拉曼泵浦光源2、與窄線寬光源I連接的第一調(diào)制模塊3和與拉曼泵浦光源2連接的第二調(diào)制模塊6，所述第一調(diào)制模塊3依次通過摻餌光纖放大器4、環(huán)形器9與波分復(fù)用器7連接，所述第二調(diào)制模塊6直接與波分復(fù)用器7連接，所述波分復(fù)用器I連接傳感光纖8，所述第一調(diào)制模塊3與第二調(diào)制模塊6之間通過信號發(fā)生器5連接，所述環(huán)形器9通過濾波器10與探測器11、數(shù)據(jù)采集模塊12、計(jì)算機(jī)13依次連接。 [0018]所述環(huán)形器9具有端口一、端口二和端口三，所述端口一與第二調(diào)制模塊6連接，所述端口二與波分復(fù)用器7連接，所述端口三與濾波器10連接。
[0019]所述信號發(fā)生器5產(chǎn)生信號同時(shí)觸發(fā)第一調(diào)制模塊3和第二調(diào)制模塊6產(chǎn)生兩路頻率相同的光脈沖調(diào)制信號，所述拉曼泵浦光源2輸出的泵浦光通過第一調(diào)制模塊3產(chǎn)生具有一定延時(shí)量的泵浦脈沖后進(jìn)入波分復(fù)用器7，所述窄線寬光源I輸出的探測光通過第二調(diào)制模塊6產(chǎn)生探測脈沖并經(jīng)過摻餌光纖放大器4進(jìn)行放大，放大后的探測脈沖通過環(huán)形器9進(jìn)入波分復(fù)用器7，所述波分復(fù)用器7將泵浦脈沖和探測脈沖進(jìn)行耦合進(jìn)入傳感光纖8中傳播，傳播到傳感光纖8的特定位置時(shí)，泵浦脈沖開始與探測脈沖重合，從該特定位置開始，探測脈沖會(huì)持續(xù)被泵浦脈沖放大，且探測脈沖在傳播過程中不斷地朝傳播方向的逆向發(fā)生瑞利散射，散射光經(jīng)過環(huán)形器9的端口三進(jìn)入濾波器10濾除噪聲帶來的影響，濾除噪聲后的散射光進(jìn)入探測器11進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊12采集并傳送給計(jì)算機(jī)13進(jìn)行分析處理得出散射光的特性。
[0020]上述方案中，產(chǎn)生的周期性的泵浦脈沖，其脈沖寬度主要取決于傳感光纖8的長度。
[0021]泵浦脈沖的延時(shí)量取決于探測光與泵浦光的相對走離程度以及該傳感系統(tǒng)的具體參數(shù)，由信號發(fā)生器5的控制程序或延時(shí)線控制。
[0022]探測脈沖的放大與泵浦脈沖的延時(shí)量緊密相關(guān)。
[0023]由于傳感光纖8中的群速度色散和泵浦光與探測光之間的頻率差，使得泵浦脈沖與探測脈沖之間的傳播速度存在差距，故可通過設(shè)定延時(shí)量來調(diào)諧泵浦脈沖與探測脈沖在傳感光纖8中重合的位置。
[0024]為了確保探測光得到足夠的分布式拉曼放大，則泵浦脈沖的脈寬應(yīng)顯著大于探測光，即為了確保泵浦脈沖在與探測脈沖相遇后，可以持續(xù)地與探測脈沖重合直至傳感光纖末端，因此需要分別使用兩個(gè)調(diào)制模塊對探測光和泵浦光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生具有不同脈寬的探測脈沖和泵浦脈沖。
實(shí)施例
[0025]為了更加具體的說明提高泵浦功率所引起的非線性效應(yīng)，以50km的G.652光纖為例。由于不同波長的脈沖在光纖中以不同的速度傳輸，1550nm的探測光與1455nm
的泵浦光產(chǎn)生群速度失配，這一特性導(dǎo)致了走離現(xiàn)象，其色散參量為
^,因此，對于速度較快的泵浦脈沖與傳輸?shù)幂^慢的探測脈沖發(fā)生作用，必
須保證泵浦脈沖存在一定的延時(shí)。以延時(shí)IOns為例，那么泵浦脈沖將在IOkm處與探測脈沖發(fā)生受激拉曼散射，從而放大探測光信號。如圖2所示為具有延時(shí)量的泵浦脈沖與探測脈沖相互作用的示意圖。
[0026]為了進(jìn)一步地說明該基于延時(shí)脈沖拉曼放大的分布式傳感系統(tǒng)有助于減小非線性效應(yīng)，將泵浦脈沖與探測脈沖的重合延遲到IOkm處，與在Okm處泵浦脈沖與探測脈沖發(fā)生作用(即泵浦光為連續(xù)光)的效果相比較，通過計(jì)算機(jī)對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到1550nm探測光的功率分布圖，如圖3所示。此時(shí)，在Okm處和IOkm處拉曼泵浦與探測光開始發(fā)生作用時(shí)，所對應(yīng)的探測光峰值功率分別為337mW、500mW，注入泵浦的功率分別為1110mW、600mW。
[0027]根據(jù)非線性相移的計(jì)算公式:
【權(quán)利要求】
1.一種基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括窄線寬光源(I)、拉曼泵浦光源(2)、與窄線寬光源(I)連接的第一調(diào)制模塊(3)和與拉曼泵浦光源(2)連接的第二調(diào)制模塊(6)，所述第一調(diào)制模塊(3)依次通過摻餌光纖放大器(4)、環(huán)形器(9)與波分復(fù)用器(7)連接，所述第二調(diào)制模塊(6)直接與波分復(fù)用器(7)連接，所述波分復(fù)用器(7)連接傳感光纖(8)，所述第一調(diào)制模塊(3)與第二調(diào)制模塊(6)之間通過信號發(fā)生器(5)連接，所述環(huán)形器(9)通過濾波器(10)與探測器(11)、數(shù)據(jù)采集模塊(12)、計(jì)算機(jī)(13)依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于延時(shí)脈沖拉曼放大分布式傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述環(huán)形器(9)具有端口一、端口二和端口三，所述端口一與第二調(diào)制模塊(6)連接，所述端口 二與波分復(fù)用器(7)連接，所述端口三與濾波器(10)連接。
【文檔編號】G01D5/36GK103727969SQ201410010974
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】王子南, 黎進(jìn), 范孟秋, 饒?jiān)平? 申請人:電子科技大學(xué)