专利名称：融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式光纤布里渊传感器，尤其是融合光纤布里渊频移器的分布式光 纤布里渊传感器。
背景技术：
在光纤布里渊光时域分析器领域，张在宣提出一种新型的《光纤布里渊光时域 分析器》(中国专利ZL200810063711.8)用光纤宽带非线性光放大效应和相干放大的布 里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析原理制成的光纤布里渊光时域分析器，解决了 T. Horiguchi等发明的布里渊光时域分析器中，窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率 锁定的难题。为了提高布里渊光时域分析器(BOTDA)和布里渊光时域反射器(BOTDR)的测 量精度，国内夕卜学者(GabrieleBolognini, Marcelo A.Soto, and Fabrizio Di Pasquale,, IEEE PHOTONICSTECHN0L0GY LETTERS, 2009, 21 (20) :1523-1525 ；张在宣等中国专禾丨J : ZL200710156868. O,ZL 200810063711. 8 ；Mohammad Belal，Yuh Tat Cho，MortenIbsen and Trevor P Newson, Meas. Sci. Technol. 2010, 21,015204 (7pp)；宋牟平等，中国激光，2010， 37(3) :757-762;路元刚等提出的发明专利，授权公告号CN100504309C)采用微波发生器 或通过电光或声光调制器微波频移器等降低本地激光器信号(Vtl)频率的技术方案，实现相 干检测技术，由于光纤的布里渊声子的频率(Vb)约为1 IGHz，采用带有应变或温度信息的光 纤布里渊回波信号(VctvbO与本地激光器信号(Vo)外差相干检测在微波十吉赫芝频段。但 是，在微波波段(IlGHz)电子学检测难度大，而且很昂贵；陈方，万生鹏提出《双光纤相干外 差检测布里渊频移的传感系统》方案(传感器与微系统，2006，47 (8) :18-23)，采用与传感 光纤是同一批生产的，10. 3km参量都相同的光纤作为参考光纤实现相干检测，省略了光的 频移调节环节，简化了光路和滤波，降低了对光源的稳频要求，但在远程布里渊时域反射仪 中采用与传感光纤相同参量的光纤作为参考光纤是不现实的，缺乏实用性，而且仅用于中 程IOkm传感系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种简单、低价位、测量精度高、稳定性好的融合光纤布里渊 频移器的分布式光纤布里渊传感器。本发明的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，包括窄线宽单频光 纤激光器，第一光纤分路器，脉冲调制器，光纤布里渊频移器，第一光纤环行器，掺饵光纤放 大器，偏振扰模器，第二光纤环行器，光纤窄带反射滤波器，第二光纤分路器，光纤拉曼泵浦 激光器，单模传感光纤，光纤滤波器，第三光纤分路器，光电接收、放大器模块，第一数字信 号处理器，光电外差接收、放大器模块，第二数字信号处理器和计算机，其中光纤布里渊频 移器是由环行器，单模光纤和光纤F-P滤波器依次相连组成。第一光纤分路器的输入端与 窄线宽单频光纤激光器相连，第一光纤分路器的一个输出端与光纤布里渊频移器中的环行 器输入端相连，第一光纤分路器的另一个输出端与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端经光纤放大器与偏振扰模器的输入端相连，偏振扰模器的输出端与第二光纤环行 器的输入端相连，第二光纤环行器的一个输出端接光纤窄带反射滤波器的输入端，第二光 纤环行器的另一个输出端接光纤滤波器的输入端，光纤窄带反射滤波器的输出端与第二光 纤分路器的输入端相连，第二光纤分路器的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器，第二光纤 分路器的另一个输出端与单模传感光纤连接，光纤拉曼泵浦激光器与单模传感光纤构成前 向泵浦光纤拉曼放大器，光纤滤波器的输出端与第三光纤分路器的输入端相连，第三光纤 分路器的一个输出端与光电接收、放大器模块的输入端相连，光电接收、放大器模块的输出 端与第一数字信号处理器的输入端相连，第一数字信号处理器的输出端接计算机，第三光 纤分路器的另一个输出端与第一光纤环行器一个输入端相连，第一光纤环行器的另一个输 入端与光纤布里渊频移器中的环行器输出端相连，第一光纤环行器的输出端与光电外差接 收、放大器模块的输入端相连，光电外差接收、放大器模块的输出端与第二数字信号处理器 的输入端相连，第二数字信号处理器的输出端接计算机。本发明中，所说的窄线宽单频光纤激光器是中心波長为1550nm，光谱线宽为 3kHz，边模抑制比> 65dB，输出功率达0-20mW可调的连续运行光纤激光器。本发明中，光纤布里渊频移器中的单模光纤可以是2km、3km或5km单模光纤。光 纤布里渊频移器中的光纤F-P滤波器是窄带反射F-P滤波器，只反射单模光纤中的斯托克 斯布里渊散射信号。本发明中，所说的光纤拉曼泵浦激光器是中心波长为1465nm连续运行的光纤拉 曼激光器，光谱宽度为0. lnm，功率100mW-1200mW范围可调。它与单模传感光纤组成一个C 波段增益可调的前向泵浦光纤拉曼放大器，取代BOTDA中的光纤布里渊放大器对光纤中传 输的布里渊散射信号进行相干放大，增强了信号，降低了光纤传输损耗。本发明中，所说的第一光纤分路器的分光比为50 50;第二光纤分路器的分光比 为95 5;第三光纤分路器的分光比为50 50。本发明中，所说的单模传感光纤可以是60km或80km的G652通讯单模光纤或LEAF 光纤。本发明中，所说的光纤窄带反射滤光器的中心波长为1465nm，光谱宽度为0. 3nm, 对1465nm瑞利散射光的隔离度> 45dB。光纤窄带反射滤光器抑制1465nm光纤拉曼泵浦激 光器在单模传感光纤中产生的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干扰传感光纤中1450·波 段的反斯托克斯拉曼散射的影响。本发明中，所说的光电接收、放大器模块和光电外差接收、放大器模块分别是 InGaAs光电雪崩二极管与放大器组成的模块。由于本地信号Vci-Vb与回波信号V(i-Vb，差频 的频率处于百兆赫芝频段，普通的^GaAs光电雪崩二极管频率响应能满足检测要求。本发明中，脉冲调制器使连续运行的窄线宽单频光纤激光器，通过调制器产生重 复频率为1kHz，脉宽为50ns的脉冲激光，经掺铒光纤放大器作为光纤布里渊时域分析器的 探测激光源并连结偏振扰模器PS，用来减小偏振相关度。光纤布里渊频移器的工作原理窄线宽单频光纤激光器发出的激光进入光纤布里渊频移器中的单模光纤，激光与 光纤相互作用，产生瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。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)，产生布里渊散射光子，称为光纤布里渊(Brillouin)散射效应。光纤布 里渊散射是入射光子Vtl与光纤分子相互作用的非弹性碰撞，参与的是声学声子，声子的频 率为11GHz，高频端Vtl+Δ ν为反斯托克斯布里渊散射，低频端ν(ΓΔ ν为斯托克斯布里渊散 射。斯托克斯布里渊散射的阈值远低于反斯托克斯布里渊散射，当入射激光达到一定阈值 时，入射光绝大部分转化为背向斯托克斯布里渊散射光Vtl-Δν，实现了入射光的频移，将探 测激光频移了 Δν，构成光纤布里渊频移器。光纤受激拉曼放大工作原理当入射激光Vtl与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子称为斯托克 斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子Δν，光纤分子的声子频率为 13. 2ΤΗζ0ν = ν0 士 Δ ν(1)放大器的开关增益为Ga = exp (gEP0Leff/Aeff) (2)其中P。= I0Aeff是放大器的泵浦光输入功率，gE是拉曼增益系数Aeff是光纤的有 效截面，Leff为光纤的有效作用长度(考虑了光纤对泵浦的吸收损耗)，其表达式如下
权利要求
1.融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征是包括窄线宽单频光纤 激光器(10)，第一光纤分路器(11)，脉冲调制器(12)，光纤布里渊频移器(13)，第一光纤环 行器(14)，掺饵光纤放大器(15)，偏振扰模器(16)，第二光纤环行器(17)，光纤窄带反射滤 波器(18)，第二光纤分路器(19)，光纤拉曼泵浦激光器(20)，单模传感光纤(21)，光纤滤波 器(22)，第三光纤分路器(23)，光电接收、放大器模块(M)，第一数字信号处理器(25)，光 电外差接收、放大器模块(沈)，第二数字信号处理器(XT)和计算机( )，其中光纤布里渊 频移器(1 是由环行器(13-1)，单模光纤(13- 和光纤F-P滤波器(13- 依次相连组 成。第一光纤分路器(11)的输入端与窄线宽单频光纤激光器(10)相连，第一光纤分路器 (11)的一个输出端与光纤布里渊频移器(1 中的环行器(13-1)输入端相连，第一光纤分 路器(11)的另一个输出端与脉冲调制器(1 的输入端相连，脉冲调制器(1 的输出端 经光纤放大器(1 与偏振扰模器(16)的输入端相连，偏振扰模器(16)的输出端与第二 光纤环行器(17)的输入端相连，第二光纤环行器(17)的一个输出端接光纤窄带反射滤波 器(18)的输入端，第二光纤环行器(17)的另一个输出端接光纤滤波器0 的输入端，光 纤窄带反射滤波器(18)的输出端与第二光纤分路器(19)的输入端相连，第二光纤分路器 (19)的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器(20)，第二光纤分路器(19)的另一个输出端与 单模传感光纤连接，光纤拉曼泵浦激光器00)与单模传感光纤构成前向泵浦光 纤拉曼放大器，光纤滤波器0 的输出端与第三光纤分路器的输入端相连，第三光纤 分路器的一个输出端与光电接收、放大器模块位4)的输入端相连，光电接收、放大器 模块04)的输出端与第一数字信号处理器0 的输入端相连，第一数字信号处理器05) 的输出端接计算机( )，第三光纤分路器的另一个输出端与第一光纤环行器(14) 一 个输入端相连，第一光纤环行器(14)的另一个输入端与光纤布里渊频移器(1 中的环行 器(13-1)输出端相连，第一光纤环行器(14)的输出端与光电外差接收、放大器模块06) 的输入端相连，光电外差接收、放大器模块06)的输出端与第二数字信号处理器(XT)的输 入端相连，第二数字信号处理器(XT)的输出端接计算机08)。
2.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征 在于所说的窄线宽单频光纤激光器(10)是中心波長为1550nm，光谱线宽为3kHz，边模抑制 比> 65dB，输出功率为0-20mW可调的连续运行光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征 在于光纤布里渊频移器(1 中的单模光纤(13- 是2km、3km或5km单模光纤；光纤布里 渊频移器(1 中的光纤F-P滤波器(13- 是窄带反射F-P滤波器。
4.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征 在于光纤拉曼泵浦激光器OO)是中心波长为1465nm连续运行的光纤拉曼激光器，光谱宽 度为0. lnm，功率1 OOmw-1200mw范围可调。
5.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征 在于所说的第一光纤分路器(11)的分光比为50 50;第二光纤分路器(19)的分光比为 95 5;第三光纤分路器03)的分光比为50 50。
6.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征 在于所说的单模传感光纤为60km或80km的G652通讯单模光纤或LEAF光纤。
7.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，其特征在于光纤窄带反射滤波器(18)的中心波长为1465nm，光谱宽度为0. 3nm，对1465nm瑞利散 射光的隔离度> 45dB。
全文摘要
本发明公开的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，是利用光纤的布里渊散射的频移效应、光纤宽带非线性光放大效应和相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析原理制成的分布式光纤传感器，包括窄线宽单频光纤激光器，三个光纤分路器，脉冲调制器，光纤布里渊频移器，两个光纤环行器，掺饵光纤放大器，偏振扰模器，光纤窄带反射滤波器，光纤拉曼泵浦激光器，单模传感光纤，光纤滤波器，光电接收、放大器模块，两个数字信号处理器，光电外差接收、放大器模块和计算机，其中光纤布里渊频移器是由环行器，单模光纤和光纤F-P滤波器依次相连组成。该传感器结构简单、低价位、测量精度高、稳定性好。
文档编号G01D5/353GK102109362SQ20101056651
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者张在宣, 李裔, 金尚忠, 龚华平 申请人:中国计量学院