专利名称：一种脉冲编码光纤布里渊光时域分析器的制作方法
技术领域：
一种脉冲编码光纤布里渊光时域分析器技术领域[0001]本实用新型涉及脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，属于分布式光纤传感器技术领域。
背景技术：
[0002]在光纤布里渊光时域分析器领域，光纤布里渊光时域反射器采用光纤自发的布里渊散射，因此背向布里渊散射信号很弱，利用光纤布里渊散射光的频移和强度比来测量应变和温度的精度很低，测程短，空间分辨率较低。T.Horiguchi等发明了布里渊光时域分析器，在光纤的另一端加一个相干泵浦激光器，实现布里渊放大，采用相干放大的受激布里渊散射，增强了信号，改善了系统的信噪比。但是，光纤布里渊光时域分析器要求严格地锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率，在技术上很困难。而近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程全分布式光纤应变、温度传感网有着迫切需求。发明内容[0003]本实用新型的目的是提出一种易于操作，增益高，系统信噪比强，测量精度高的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器。[0004]本实用新型的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，包括脉冲编码波形发生器，窄带单频光纤激光器，光纤分路器，光脉冲编码调制器，两个光纤环行器，外差接收器，数字信号处理器，光纤光栅滤波器，传感光纤，光纤拉曼泵浦激光器和工控机，脉冲编码波形发生器的输入端与工控机相连，脉冲编码波形发生器的输出端与光脉冲编码调制器的一个输入端相连，光纤分路器的输入端与窄带单频光纤激光器相连，光纤分路器的一个输出端与光脉冲编码调制器的另一个输入端相连，光纤分路器的另一个输出端与第二光纤环行器的输入端相连，光脉冲编码调制器的输出端与第一光纤环行器的输入端相连，第一光纤环行器的公共端依次与光纤光栅滤波器，传感光纤和光纤拉曼泵浦激光器相连，第一光纤环行器的输出端与第二光纤环行器的公共端相连，第二光纤环行器的输出端依次与外差接收器， 数字信号处理器和工控机相连，数字信号处理器和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得传感光纤所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。[0005]本实用新型中，所说的窄带单频光纤激光器是中心波长为1550nm，光谱带宽为 200kHz的IOOmW连续运行光纤激光器。[0006]本实用新型中，所述的光编码调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器 (Mach-Zehnder modulator (MZM))。[0007]本实用新型中，所述的外差接收器是频率响应为12(ihZ以上的光电探测器。[0008]本实用新型中，所说的光纤光栅滤波器的中心波长为1455nm，光谱带宽为0. 3nm, 隔离度大于35dB。[0009]本实用新型中，所说的传感光纤为IOOkm单模通讯G652光纤或100km LEAF光纤。[0010]本实用新型中，所说的所说的光纤拉曼泵浦激光器的波长为1455nm，功率在1 OOmw-1200mw 范围可调。[0011]工作时，波形发生器在工控机控制下，输出按255X255S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲控制光编码调制器，窄带单频光纤激光器输出的连续激光经光纤分路器分成两束，其中一束激光经过光脉冲编码调制器调制成时间序列编码脉冲光，通过光纤光栅滤波器进入单模光纤，与单模光纤发生非线性相互作用，产生背向布里渊散射光，布里渊散射光的频率与强度度受单模光纤各段的温度和应变调制。由单模光纤末端光纤拉曼泵浦激光器产生的强激光泵浦，在单模光纤里产生非线性放大，具有拉曼放大和布里渊放大的双重放大，总增益达55dB，被放大的受激布里渊散射光Vtl士 Vb经光纤光栅滤波器，滤除 1455nm光纤拉曼泵浦激光器在单模光纤里激光泵浦后残存的光通过第一光纤环行器，进入第二光纤环行器与来自光纤分路器的另一束本地光ν ^混频，混频后的输出经外差接收器， 数字信号处理器和工控机解码解调后，得到在光纤中各点的应变和温度量，应变和温度变化速度和方向。利用光时域反射对单模光纤上各段的位置进行定位(光纤雷达定位)。经过应变和温度定标，得到单模光纤各点的应力和温度变化量，测应变精度为10μ ε，测温精度士 1°C，由工控机显示器显示或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。[0012]脉冲编码光纤布里渊光时域分析器的编码解码原理[0013]本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的，S矩阵转换是标准哈达马得(Hadamard)转换的一种变式，也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“ 1”组成，这一特点很适用于激光序列脉冲编码，在实际应用中可用“0”代表激光器关闭，用“ 1” 代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。[0014]由编码原理推导得知，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为[0015]^NRlir = -J=(1)[0016]由⑴式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。[0017]当N取255时:厕扮=^= M 8 02[0018]光纤传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定，由于采用多脉冲发射， 在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成背向反斯托克斯拉曼光时域反射(OTDR)曲线的变形。[0019]布里渊时域分析器的工作原理[0020]在光纤中，入射光纤的探测激光与光纤中声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的周期性调制(折射率光栅)，产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移^为··[0021]νΒ=2ην/λ(2)[0022]其中η为入射光波长λ处的折射率，ν为光纤中声速，对石英光纤，在λ = 1550nm 附近，vB 约为 IlGHz0[0023]If =Vi^ -丨φ )+芸Γ(: C)在光纤中的布里渊散射光频移vB具有应变和4温度效应布里渊散射光的频移[0024](3)[0025]δ Vb = Cve δ ε+Cvt δ T(4)[0026]其中频移的应变系数Cv ε和温度系数Cvt为[0027]Cv ε = 0. 0482士0· 004ΜΗζ/ μ ε，CvT = 1. 10士0· 02MHz/K[0028]光纤中布里渊散射的强度也具有应变和温度效应，光纤中布里渊散射的强度比 (Landau-Plazcek比)也依赖于光纤的应变和温度[0029]J1;(5)[0030]其中强度比的应变系数Cpe和温度系数Cp^[0031]ri; r --..(. 士] 4) J04%,、:f.c)r Il >>ι0 ι·.:Τ[0032]由( 式和(4)式，只要测量出光纤上各段频移和强度比可解调出此段光纤的应变δ ε和温度差δτ。[0033]本实用新型的优点[0034]本实用新型提出的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，采用时间序列编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率；连续运行的高功率光纤拉曼激光器作为新型布里渊光时域分析器的泵浦光源，取代了相干泵浦窄带激光器，克服了光纤布里渊光时域分析器中要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，连续运行的高功率光纤拉曼激光器产生的强激光在单模光纤中实现了受激拉曼散射光放大取代了窄带布里渊放大，增加了背向相干放大的受激布里渊散射光的增益，拉曼放大与布里渊放大的总增益达^dB,提高了系统的信噪比，增加了测量长度，改善了应变和温度同时测量的精度。
[0035]图1为本实用新型的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器的示意图。
具体实施方式
[0036]参照图1，本实用新型的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，包括脉冲编码波形发生器10，窄带单频光纤激光器11，光纤分路器12，光脉冲编码调制器13，两个光纤环行器 14、15，外差接收器16，数字信号处理器17，光纤光栅滤波器18，传感光纤19，光纤拉曼泵浦激光器20和工控机21，脉冲编码波形发生器10的输入端与工控机21相连，脉冲编码波形发生器10的输出端与光脉冲编码调制器13的一个输入端相连，光纤分路器12的输入端与窄带单频光纤激光器11相连，光纤分路器12的一个输出端与光脉冲编码调制器13的另一个输入端相连，光纤分路器12的另一个输出端与第二光纤环行器15的输入端相连，光脉冲编码调制器13的输出端与第一光纤环行器14的输入端相连，第一光纤环行器14的公共端依次与光纤光栅滤波器18，传感光纤19和光纤拉曼泵浦激光器20相连，光纤拉曼激光器 20与传感光纤19构成背向泵浦光纤拉曼放大器。第一光纤环行器14的输出端与第二光纤环行器15的公共端相连，第二光纤环行器15的输出端依次与外差接收器16，数字信号处理器17和工控机21相连，数字信号处理器17和工控机21将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得传感光纤19所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。 数字信号处理器采用频谱分析仪，例如安捷伦(Agilent)公司的频谱分析仪 ESA(E4407B)，频谱范围 9kHz_26. 5GHz。
权利要求1.一种脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是包括脉冲编码波形发生器(10)， 窄带单频光纤激光器(11)，光纤分路器(12)，光脉冲编码调制器(13)，两个光纤环行器 (14、15)，外差接收器(16)，数字信号处理器(17)，光纤光栅滤波器(18)，传感光纤(19)，光纤拉曼泵浦激光器00)和工控机(21)，脉冲编码波形发生器(10)的输入端与工控机相连，脉冲编码波形发生器(10)的输出端与光脉冲编码调制器(1 的一个输入端相连，光纤分路器(1 的输入端与窄带单频光纤激光器(11)相连，光纤分路器(1 的一个输出端与光脉冲编码调制器(1 的另一个输入端相连，光纤分路器(1 的另一个输出端与第二光纤环行器(1 的输入端相连，光脉冲编码调制器(1 的输出端与第一光纤环行器(14) 的输入端相连，第一光纤环行器(14)的公共端依次与光纤光栅滤波器(18)、传感光纤(19) 和光纤拉曼泵浦激光器OO)相连，第一光纤环行器(14)的输出端与第二光纤环行器(15) 的公共端相连，第二光纤环行器(1 的输出端依次与外差接收器(16)，数字信号处理器 (17)和工控机相连，数字信号处理器(17)和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得传感光纤(1 所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。
2.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征在于窄带单频光纤激光器(11)是中心波长为1550nm，光谱带宽为200kHz的IOOmW连续运行光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是光编码调制器 (13)是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。
4.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是外差接收器 (16)是频率响应为12(ihZ以上的光电探测器。
5.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是光纤光栅滤波器(18)的中心波长为1455nm，光谱带宽为0. 3nm，隔离度大于35dB。
6.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是传感光纤(19) 为IOOkm单模通讯G652光纤或100km LEAF光纤。
7.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是所说的光纤拉曼泵浦激光器00)的波长为1455nm，功率在1 OOmw-1200mw范围可调。
8.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器，其特征是所说的数字信号处理器是频谱范围9kHz46. 5GHz的频谱分析仪。
专利摘要本实用新型公开的脉冲编码光纤布里渊光时域分析器包括脉冲编码波形发生器，窄带单频光纤激光器，光纤分路器，光脉冲编码调制器，两个光纤环行器，外差接收器，数字信号处理器，光纤光栅滤波器，传感光纤，光纤拉曼泵浦激光器和工控机。该传感器采用时间序列编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率；连续运行的光纤拉曼激光器作为泵浦光源，克服了光纤布里渊光时域分析器中要求严格锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，连续运行的光纤拉曼激光器产生的强激光在传感光纤中实现了受激拉曼散射光放大取代了窄带布里渊放大，可增加背向相干放大的受激布里渊散射光的增益，提高信噪比，测量精度，增加测量长度。
文档编号G01K11/32GK202255424SQ20112028637
公开日2012年5月30日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者余向东, 张在宣, 王剑锋, 龚华平 申请人:中国计量学院
专业数控铣床产品供应商
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