专利名称：一种长距离光纤布里渊光时域分析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种分布式光纤传感器，尤其是涉及ー种长距离光纤布里渊光时域分析器。
背景技术：
分布式光纤传感器在电カ设备、土木工程、水利设施和通信光缆等领域的安全监控中有着广泛的应用。基于布里渊散射的分布式光纤传感器具有測量距离长、測量精度高，并且可实现温度和应カ测量等优点，因此备受人们关注。光纤布里渊传感技术主要包括以下两类布里渊光时域反射(BOTDR, Brillouin Opitcal Time Domain Reflectometry)技 术和布里渊光时域分析(BOTDA,Brillouin Opitcal Time Domain Analysis)技术。其中，布里渊光时域反射技术为单端測量，其探測微弱的自发布里渊散射光，因此难以实现长距离测量；布里渊光时域分析技术则为双端測量，其探测较强的受激布里渊散射光，因此测量距离与測量精度均优于布里渊光时域反射技术，是目前最具应用前景的光纤传感技木。布里渊光时域分析器是利用泵浦光和探測光的相互作用实现分布式温度、应变传感的。为实现泵浦光和探測光的控制以及频率扫描，现有的布里渊光时域分析器均将泵浦光源和探測光源均设置于传感光纤的ー侧，传感光纤采用U型往返配置(环路结构)。这样，泵浦光和探測光均需经历两倍于传感距离的光纤长度才能实现测量，具体而言，如果要实现50km的传感距离，则泵浦光和探測光需经历IOOkm的光纤长度，这不仅浪费了泵浦光和探測光的能量以及测量时间，更关键的是受光纤非线性效应限制，随着光纤长度的増加，泵浦光的输入光功率受到限制，从而影响了传感器的測量精度。对于长距离光纤布里渊光时域分析器，目前亦有相关研究报道，如加拿大X. Bao等人在SPIE会议论文中介绍了利用脉冲编码技术的布里渊光时域分析器可以提高测量长度和空间分辨率，可实现50km测量距离、Im空间分辨率的高精度测量(X. Bao，H. LiangjY.Dong，W. Li，Y. Li,and L. ChenZiPushing the limit of the distributed Brillouinsensors for the sensing length and the spatial resolution，，，Proceedings ofSPIE，vol. 7677，pp. 767702 -767702-13,2010)。另タ卜，西班牙的 Marcelo A. Soto等人利用类似技术实现了环路(即常规的传感光纤U型往返配置)120km的布里渊光时域分析器(Marcelo A. Soto, Gabriele Bolognini, and Fabrizio Di Pasquale,“Long-range simplex-coded BOTDA sensor over 120km distance employing optica丄preamplification”，Optics Letters, vol. 36, Issue 2, pp. 232-234, 2011),其最大测量距离将不超过60km，是目前报道的最高值。电カ架空线路、长输油气管道属于重大基础设施，其运营安全关系国计民生，亟需新型的在线监测技术。无论是电カ架空线路还是长输油气管道，其节点很长，典型监测距离为80km，有的甚至超过120km，然而常规的传感光纤U型往返配置的布里渊光时域分析器无法满足该监测需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其能够有效增加系统的传感距离，并且不牺牲空间分辨率和測量精度。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于包括传感光纤、主要由探测光源、频率测量及信号输出模块、主设备控制器、第一远程通信模块组成的主设备以及主要由泵浦光源、扰偏器、从设备控制器、第二远程通信模块组成的从设备，所述的探測光源的输出端与所述的频率測量及信号输出模块的输入端相连接，所述的频率測量及信号输出模块的输出端与所述的传感光纤的一端相连接，所述的主设备控制器分别与所述的探測光源、所述的频率測量及信号输出模块、所述的第一远程通信模块相连接，所述的泵浦光源的输出端与所述的扰偏器的输入端相连接，所述的扰偏器的输出端与所述的传感光纤的另一端相连接，所述的从设备控制器分别与所述的泵浦光源、所述的扰偏器、所述的第二远程通信模块相连接，所述的第一远程通信模块与所述的第二远程通信模块通信交互；所述的频率測量及信号输出模块用于对所述的探測光 源和所述的泵浦光源输出的连续光进行频率测量并将所述的探測光源输出的连续光调制成脉冲光以及接收所述的传感光纤的背向散射信号。所述的第一远程通信模块为独立的无线通信模块或为嵌设于所述的主设备控制器中的无线通信模块，所述的第二远程通信模块为独立的无线通信模块或为嵌设于所述的从设备控制器中的无线通信模块，所述的主设备和所述的从设备通过所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块以无线方式远程通信交互。进ー步，所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块均为光纤远程通信模块，所述的主设备和所述的从设备通过所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块以有线方式远程通信交互，所述的第一远程通信模块包括第一光波分复用器和第一光纤收发器，所述的第二远程通信模块包括第二光波分复用器和第二光纤收发器，所述的第一光波分复用器和所述的第二光波分复用器均具有三个输入端和ー个输出端，所述的第一光纤收发器和所述的第二光纤收发器均具有一个控制端以及ー个激光发射端和ー个信号接收端，或均具有一个控制端以及ー个激光发射和信号接收共用端，所述的第一光波分复用器的一个输入端与所述的频率測量及信号输出模块的输出端相连接，所述的第一光波分复用器的另两个输入端与所述的第一光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第一光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第一光波分复用器的输出端与所述的传感光纤的一端相连接，所述的第一光纤收发器的控制端与所述的主设备控制器相连接，所述的第二光波分复用器的一个输入端与所述的扰偏器的输出端相连接，所述的第二光波分复用器的另两个输入端与所述的第二光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第二光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第二光波分复用器的输出端与所述的传感光纤的另一端相连接，所述的第二光纤收发器的控制端与所述的从设备控制器相连接；在此，利用第一光波分复用器和第二光波分复用器将光纤布里渊传感部分和光纤通信部分复用到ー个传感光纤上，不仅节约了光纤资源，而且提高了光纤利用率。作为优选，所述的第一光纤收发器的激光发射端和所述的第二光纤收发器的激光发射端的波长不相同；此时，可通过第一光波分复用器和第二光波分复用器在同一根光纤上实现两个光纤收发器(即第一光纤收发器和第二光纤收发器)的双向交互，节省了光纤资源。所述的频率測量及信号输出模块包括第一光纤耦合器、脉冲调制器、光环形器、第ニ光纤耦合器、第三光纤耦合器、频率探測器和光电转换电路，所述的第一光纤耦合器具有一个输入端和两个输出端，所述的第二光纤稱合器和所述的第三光纤稱合器均具有两个输入端和ー个输出端，所述的光环形器具有三个端ロ，所述的第一光纤稱合器的输入端与所述的探測光源的输出端相连接，所述的第一光纤耦合器的ー个输出端与所述的脉冲调制器的输入端相连接，所述的第一光纤耦合器的另ー个输出端与所述的第三光纤耦合器的ー个输入端相连接，所述的脉冲调制器的输出端与所述的光环形器的第一个端ロ相连接，所述的光环形器的第二个端ロ与所述的第二光纤耦合器的一个输入端相连接，所述的光环形器的第三个端ロ与所述的光电转换电路的输入端相连接，所述的第二光纤耦合器的另ー个输 入端与所述的第三光纤耦合器的另ー个输入端相连接，所述的第二光纤耦合器的输出端与所述的传感光纤的一端相连接，所述的第三光纤耦合器的输出端与所述的频率探測器的输入端相连接，所述的频率探測器的输出端和所述的光电转换电路的输出端分别与所述的主设备控制器连接。作为优选，所述的第二光纤耦合器与所述的第三光纤耦合器之间设置有光放大器，所述的第二光纤耦合器的另ー个输入端与所述的光放大器的输入端相连接，所述的光放大器的输出端与所述的第三光纤耦合器的另ー个输入端相连接；在此，由于从设备中的泵浦光源发出的连续光经过长距离光纤传输后，信号能量衰减较大，因此在第二光纤耦合器和第三光纤耦合器之间设置一个光放大器，这样信号经过光放大器放大后，更有利于频率探測。作为优选，所述的探測光源和所述的泵浦光源中的一个为频率可调的窄线宽激光器且另ー个为频率固定的窄线宽激光器。作为优选，本发明的长距离光纤布里渊光时域分析器还包括一根与所述的传感光纤并行设置的通信光纤，所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块均为光纤远程通信模块，所述的主设备和所述的从设备通过所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块以有线方式远程通信交互，所述的第一远程通信模块包括第一光波分复用器和第一光纤收发器，所述的第二远程通信模块包括第二光波分复用器和第二光纤收发器，所述的第一光波分复用器和所述的第二光波分复用器均具有两个输入端和ー个输出端，所述的第一光纤收发器和所述的第二光纤收发器均具有一个控制端以及ー个激光发射端和一个信号接收端，或均具有一个控制端以及ー个激光发射和信号接收共用端，所述的第一光波分复用器的两个输入端与所述的第一光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第一光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第一光波分复用器的输出端与所述的通信光纤的一端相连接，所述的第一光纤收发器的控制端与所述的主设备控制器相连接，所述的第二光波分复用器的两个输入端与所述的第二光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第二光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第二光波分复用器的输出端与所述的通信光纤的另一端相连接，所述的第二光纤收发器的控制端与所述的从设备控制器相连接；在此，由于传感光纤的两端没有与第一光波分复用器和第二光波分复用器连接，因此能够有效减少光纤链路损耗，提高传感光纤尾端的背向散射信号，能够进ー步提高系统的测量精度。作为优选，本发明的长距离光纤布里渊光时域分析器，在所述的第一光波分复用器和所述的第二光波分复用器还设置有第三输入端，所述的扰偏器与所述的传感光纤的另一端之间设置有第四光纤I禹合器，所述的第四光纤I禹合器具有一个输入端和两个输出端，所述的扰偏器的输出端与所述的第四光纤耦合器的输入端相连接，所述的第四光纤耦合器的ー个输出端与所述的传感光纤的另一端相连接，所述的第四光纤耦合器的另ー个输出端与所述的第二光波分复用器的第三输入端相连接，所述的频率測量及信号输出模块包括第一光纤耦合器、脉冲调制器、光环形器、第三光纤耦合器、频率探測器和光电转换电路，所述的第一光纤稱合器具有一个输入端和两个输出端，所述的第三光纤稱合器具有两个输入端和ー个输出端,所述的光环形器具有三个端ロ，所述的第一光纤稱合器的输入端与所述的探測光源的输出端相连接，所述的第一光纤耦合器的ー个输出端与所述的脉冲调制器的输入端相连接，所述的第一光纤耦合器的另ー个输出端与所述的第三光纤耦合器的一个输入端相连接，所述的脉冲调制器的输出端与所述的光环形器的第一个端ロ相连接，所述的光环形器的第二个端ロ与所述的传感光纤的一端相连接，所述的光环形器的第三个端ロ与所述的光电转换电路的输入端相连接，所述的第三光纤耦合器的另ー个输入端与所述的第一光波分复用器的第三输入端相连接，所述的第三光纤耦合器的输出端与所述的频率探測器的输入端相连接，所述的频率探測器的输出端和所述的光电转换电路的输出端分别与所述的主设备控制器连接；在此，光纤布里渊传感部分要求泵浦光源的功率不能太大；而频率探測部分则要求泵浦光源的功率较高，因此可使从设备中的泵浦光源发出的连续光经第四光纤耦合器分光后进入通信光纤，即频率测量以及光纤远程通信部分复用ー个光纤，光纤布里渊传感部分単独占用一个光纤，这样既可以提高传感光纤尾端的背向散射信号，从而提高系统的测量精度，又可以提高频率测量的准确性。作为优选，所述的第三光纤耦合器与所述的第一光波分复用器之间设置有光放大器，所述的第一光波分复用器的第三输入端与所述的光放大器的输入端相连接，所述的光放大器的输出端与所述的第三光纤耦合器的另ー个输入端相连接。与现有技术相比，本发明的优点在于
I)本发明的光纤布里渊光时域分析器将泵浦光源和探測光源置于长距离传感光纤的 两端，通过主设备的频率測量及信号输出模块实现探測光源和泵浦光源输出的连续光的频率测量以及接收传感光纤的背向散射信号，并且通过第一远程通信模块与的第二远程通信模块通信交互实现从设备的控制，这样在不牺牲空间分辨率、測量精度以及测量时间的前提下，能够有效増加有效测量距离(可増加I倍)，最大测量距离可达120公里以上，从而有效扩大了光纤布里渊光时域分析器的适用范围，能够很好地满足电力架空线路、长输油气管道等重大基础设施的监测需求。2)本发明的光纤布里渊光时域分析器利用含光波分复用器的光纤远程通信模块实现光纤布里渊传感与光纤通信复用，复用形式可根据测量距离以及应用エ况灵活配置，操作方便。3)本发明的光纤布里渊光时域分析器结构简单，实现成本低。
图I为本发明的长距离光纤光时域分析器的总体结构示意 图2为本发明实施例一的光纤布里渊光时域分析器的结构示意 图3为本发明实施例ニ的光纤布里渊光时域分析器的结构示意 图4为本发明实施例一和实施例ニ的光纤布里渊光时域分析器中的频率测量及信号输出模块的结构示意 图5为图4中増加光放大器后组成的新的频率测量及信号输出模块的结构示意 图6为本发明实施例三的光纤布里渊光时域分析器的结构示意 图7为本发明实施例四的光纤布里渊光时域分析器的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进ー步详细描述。实施例一
本实施例提出的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，如图I、图2、图4和图5所示，其包括传感光纤3、主要由探測光源102、频率测量及信号输出模块103、主设备控制器104、第一远程通信模块101组成的主设备I以及主要由泵浦光源202、扰偏器203、从设备控制器204、第二远程通信模块201组成的从设备2，探測光源102的输出端与频率测量及信号输出模块103的输入端相连接，频率测量及信号输出模块103的输出端与传感光纤3的一端相连接，主设备控制器104分别与探測光源102、频率测量及信号输出模块103、第一远程通信模块101相连接，探測光源102、频率测量及信号输出模块103、第一远程通信模块101由主设备控制器104控制，泵浦光源202的输出端与扰偏器203的输入端相连接，扰偏器203的输出端与传感光纤3的另一端相连接，从设备控制器204分别与泵浦光源202、扰偏器203、第二远程通信模块201相连接，泵浦光源202、扰偏器203、第二远程通信模块201由从设备控制器204控制，第一远程通信模块101与第二远程通信模块201通信交互。在此，频率测量及信号输出模块103用于对探測光源102输出的连续光和泵浦光源202输出的连续光进行频率测量并将探測光源102输出的连续光调制成脉冲光以及接收传感光纤3的背向散射信号。在此具体实施例中，如图2所示，第一远程通信模块101和第二远程通信模块201均为光纤远程通信模块，主设备I和从设备2通过第一远程通信模块101和第二远程通信模块201以有线方式(即通过传感光纤3)远程通信交互，第一远程通信模块101包括第一光波分复用器1011和第一光纤收发器1012，第二远程通信模块201包括第二光波分复用器2011和第二光纤收发器2012，第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011均具有三个输入端和ー个输出端，第一光纤收发器1012和第二光纤收发器2012均具有ー个控制端以及ー个激光发射端和ー个信号接收端，第一光波分复用器1011的一个输入端与频率测量及信号输出模块103中的第二光纤I禹合器1034的输出端相连接,第一光波分复用器1011的另两个输入端与第一光纤收发器1012的激光发射端和信号接收端一一对应连接，第一光波分复用器1011的输出端与传感光纤3的一端相连接，第一光纤收发器1012的控制端与主设备控制器104相连接,第二光波分复用器2011的一个输入端与扰偏器203的输出端相连接，第二光波分复用器2011的另两个输入端与第二光纤收发器2012的激光发射端和信号接收端一一对应连接，第二光波分复用器2011的输出端与传感光纤3的另一端相连接，第二光纤收发器2012的控制端与从设备控制器204相连接。在此，第一光纤收发器1012和第二光纤收发器2012均采用了具有一个控制端、一个激光发射端和ー个信号接收端的光纤收发器，且第一光纤收发器1012的激光发射端和第二光纤收发器2012的激光发射端的波长不相同，具体而言，当第一光纤收发器1012的激光发射端选用中心波长为1310nm附近的半导体激光器时，则第二光纤收发器2012的激光发射端可选用中心波长为1490nm附近的半导体激光器。在此，第一光纤收发器1012和第二光纤收发器2012也可均采用具有一个控制端以及ー个激光发射和信号接收共用端的光纤收发器，即激光发射端和信号接收端合并成ー个共用端，此时光纤收发器内部预置有ー个波分复用膜片(以1310nm反射、1490nm通过为例)，连接时第一光波分复用器1011的另两个输入端中的ー个输出端与第一光纤收发器1012的激光发射和信号接收共用端相连接，第二光波分复用器2011的另两个输入端中的一个输出与第二光纤收发器2012的激光发射和信号接收共用端相连接，即第一光纤收发 器1012的激光发射端发出的激光(以1310nm为例)经第一光纤收发器1012内置的波分复用膜片反射至激光发射和信号接收共用端，并经第一光波分复用器1011、传感光纤3以及第二光波分复用器2011后进入第二光纤收发器2012的激光发射和信号接收共用端，然后被第二光纤收发器2012内部预置的波分复用膜片反射至信号接收端；同理，第二光纤收发器2012的激光发射端发出的激光(以1490nm为例)经第二光纤收发器2012内置的波分复用膜片透射至激光发射和信号接收共用端，并经第二光波分复用器2011、传感光纤3以及第一光波分复用器1011后进入第一光纤收发器1012的激光发射和信号接收共用端，然后被第一光纤收发器1012内部预置的波分复用膜片透射至信号接收端。在此，第一光纤收发器1012和第二光纤收发器2012用于传感光纤3两端的设备之间的通信交互，可实时获取各个模块信息，并进行相应控制。在此具体实施例中，频率测量及信号输出模块103如图4所示，其包括第一光纤耦合器1031、脉冲调制器1032、光环形器1033、第二光纤耦合器1034、第三光纤耦合器1035、频率探测器1036和光电转换电路1037,第一光纤稱合器1031具有一个输入端和两个输出端，第二光纤稱合器1034和第三光纤稱合器1035均具有两个输入端和ー个输出端,光环形器1033具有三个端ロ，第一光纤耦合器1031的输入端与探测光源102的输出端相连接，第一光纤稱合器1031的ー个输出端与脉冲调制器1032的输入端相连接,第一光纤稱合器
1031的另ー个输出端与第三光纤稱合器1035的一个输入端相连接,脉冲调制器1032的输出端与光环形器1033的第一个端ロ相连接,光环形器1033的第二个端ロ与第二光纤I禹合器1034的一个输入端相连接，光环形器1033的第三个端ロ与光电转换电路1037的输入端相连接，第二光纤稱合器1034的另ー个输入端与第三光纤稱合器1035的另ー个输入端相连接，第二光纤耦合器1034的输出端通过第一远程通信模块101的第一光波分复用器1011与传感光纤3的一端相连接，即第一光波分复用器1011的一个输入端与第二光纤稱合器
1034的输出端相连接,也即第二光纤I禹合器1034的输出端与传感光纤3的一端间接连接，第三光纤耦合器1035的输出端与频率探测器1036的输入端相连接，频率探测器1036的输出端和光电转换电路1037的输出端分别与主设备控制器104连接。在此具体实施例中，在图4所示的频率测量及信号输出模块103中，还可在第二光纤率禹合器1034与第三光纤稱合器1035之间设置有光放大器1038,如图5所不,第二光纤率禹合器1034的另ー个输入端与光放大器1038的输入端相连接,光放大器1038的输出端与第三光纤耦合器1035的另ー个输入端相连接；在此，増加了光放大器1038后可以放大因经长距离传输而产生衰减的泵浦光源202发出的连续光，从而能够增加频率测量的准确性。在此具体实施例中，探測光源102和泵浦光源202中的一个为频率可调的窄线宽激光器且另ー个 为频率固定的窄线宽激光器，即如果探測光源102为频率可调的激光器，则泵浦光源202为频率固定的激光器，如果泵浦光源202为频率可调的激光器，则探测光源102为频率固定的激光器。在此，窄线宽激光器可选用窄线宽半导体激光器，也可选用窄线宽光纤激光器。在本实施例中，探測光源102选用低噪音窄线宽半导体激光器，中心波长为1550. 12nm，功率为IOmW ;泵浦光源202选用低噪音窄线宽半导体激光器，中心波长为1550. 20nm，功率为 10mW。在本实施例中，扰偏器203米用现有技术；第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011均为常规的光纤无源器件，可分离、复用第一光纤收发器1012的激光波长、第ニ光纤收发器2012的激光波长以及泵浦光源和探測光源的激光波长，它们可以选用熔融拉锥型的光纤波分复用器，也可以选用滤波片型的光纤波分复用器。本实施例优选滤波片型的1X3光纤波分复用器，其可实现(1310±20)nm、(1490±20)nm以及(1550±0. 5)nm波段激光的分离与复用；第一光纤耦合器1031和第二光纤耦合器1034均采用分光比为10:90的稱合器,第三光纤稱合器米用分光比为50:50的稱合器,均为成熟的现有器件；脉冲调制器1032、光环形器1033、频率探测器1036和光电转换电路1037、光放大器1038均采用现有技术。在本实施例中，主设备控制器104和从设备控制器204均采用现有的控制器，在具体实施过程中可采用美国微芯公司的高性能16位数字控制器(dsPIC33F)为基础的控制电路。主设备控制器104主要用于控制探測光源102的输出波长以及输出光功率，控制第一光纤收发器1012的工作状态，并根据频率测量及信号输出模块103的信号解调出光纤各点的布里渊频谱信息，进而获得光纤分布式温度、应变信息。其中控制探測光源102输出波长部分可利用现有的PID (比例-积分-微分)控制器，能够根据频率探測器1036输出电平值调整探測光源102的波长；控制探測光源102输出光功率可利用标准激光器控制电路，通过调节光源驱动电流调整输出光功率。从设备控制器204主要用于控制泵浦光源202的エ作状态，控制扰偏器203，控制第二光纤收发器2012的工作状态。其中控制泵浦光源202可利用现有的可精确调整驱动电流和工作温度的控制电路，控制扰偏器203主要是优化扰偏频率用于消除背向散射信号的偏振噪声以及消除频率探測的偏振相关性。本实施例的长距离光纤布里渊光时域分析器的工作原理为主设备控制器104通过第一光纤收发器1012的控制端控制第一光纤收发器1012的激光发射端发出按一定规则编码的1310nm的激光，激光经第一光纤通信复用器1011复用后进入传感光纤3，然后经第ニ光纤通信复用器2011解复用后，进入第二光纤收发器2012的信号接收端，接收信号通过第二光纤收发器2012的控制端进入从设备控制器204，从设备控制器204解析来自主设备控制器104发生的命令參数。类似的，从设备控制器204通过第二光纤收发器2012的激光发射端发出按一定规则编码的1490nm的激光，激光经第二光纤通信复用器2011复用后进入传感光纤3，然后经第一光纤通信复用器1011解复用后，进入第一光纤收发器1012的信号接收端，主设备控制器104解析来自从设备控制器104发生的状态信息。如此，第一远程通信模块101与第二远程通信模块201实现通信交互。主设备I控制从设备2中的泵浦光源202和扰偏器203的初始状态。探測光源102发出的连续激光经脉冲调制器1032调制后形成脉冲激光，脉冲激光经光环形器1033和第一光波分复用器1011后进入传感光纤3 ;泵浦光源202发出的连续激光与第二光纤收发器2012发出的信号经第二光波分复用器2011波分复用经传感光纤3传输，之后再利用第一光波分复用器1011解波分复用。其中泵浦光源202发出的连续泵浦光经光放大器1038放大后或直接与探测光源102发出的探测光在第三光纤耦合器1035拍频，经频率探測器1036探測拍频频率后通过主设备控制器104调整探測光源频率，以实现传感光纤布里渊频谱的扫描。泵浦光以及来自传感光纤3的背向散射信号光经光纤环形器1033进入光电转换电路1037,进而进入主设备控制器104,主设备控制器104通过分析计算得到传感光纤3各处的布里渊频移以及温度、应カ信息。本实施例利用波分复用技术将光纤布里渊传感部分与光通信部分复用到同一根 传感光纤，同时利用含有光放大单元的频率测量及信号输出模块103测量频率，在不牺牲布里渊传感部分空间分辨率、測量精度和測量时间的前提下，将光纤布里渊光时域分析器的測量距离增加了 I倍，不仅节约了光纤资源，提高了光纤利用率，而且结构简单、成本低。实施例ニ
本实施例提出的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，如图I、图3、图4和图5所示，本实施例的光纤布里渊光时域分析器与实施例一的光纤布里渊光时域分析器的区别在于増加了一根通信光纤4 ;频率测量及信号输出模块103的输出端不是通过第一远程通信模块101与传感光纤3的一端相连接，而是直接与传感光纤3的一端相连接，并且第一远程通信模块101与通信光纤4相连接；类似的，扰偏器203的输出端不是通过第二远程通信模块201与传感光纤3的另一端相连接，而是直接与传感光纤3的另一端相连接，并且第二远程通信模块201与通信光纤4相连接。本实施例的长距离光纤布里渊光时域分析器如图3所示，其还包括一根与传感光纤3并行设置的通信光纤4，主设备I和从设备2通过第一远程通信模块101和第二远程通信模块201以有线方式(即通过通信光纤4)远程通信交互，第一远程通信模块101包括第一光波分复用器1011和第一光纤收发器1012,第二远程通信模块201包括第二光波分复用器2011和第二光纤收发器2012，第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011均具有两个输入端和ー个输出端，第一光纤收发器1012和第二光纤收发器2012均具有一个控制端以及ー个激光发射端和ー个信号接收端，第一光波分复用器1011的两个输入端与第一光纤收发器1012的激光发射端和信号接收端一一对应连接，第一光波分复用器1011的输出端与通信光纤4的一端相连接，第一光纤收发器1012的控制端与主设备控制器104相连接，第二光波分复用器2011的两个输入端与第二光纤收发器2012的激光发射端和信号接收端对应连接，第二光波分复用器2011的输出端与通信光纤4的另一端相连接,第二光纤收发器2012的控制端与从设备控制器204相连接。在此,第一光纤收发器1012和第ニ光纤收发器2012均采用了具有一个控制端、一个激光发射端和ー个信号接收端的光纤收发器，且第一光纤收发器1012的激光发射端和第二光纤收发器2012的激光发射端的波长不相同；第一光纤收发器1012和第二光纤收发器2012也可均采用具有一个控制端以及一个激光发射和信号接收共用端的光纤收发器，即激光发射端和信号接收端合并成ー个共用端，连接时第一光波分复用器1011的另两个输入端均与第一光纤收发器1012的激光发射和信号接收共用端相连接，第二光波分复用器2011的另两个输入端与第二光纤收发器2012的激光发射和信号接收共用端相连接。本实施例中，第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011可分离、复用第一光纤收发器1012的激光波长和第二光纤收发器2012的激光波长，它们可以选用熔融拉锥型的光纤波分复用器，也可以选用滤波片型的光纤波分复用器。本实施例优选熔融拉锥型的I X 2光纤波分复用器，其可实现(1310±20) nm和(1490±20) nm波段激光的分离与复用。本实施例的其它器件与实施例ー类似。本实施例的长距离光纤布里渊光时域分析器的工作原理与实施例ー类似。本实施例中，第一远程通信模块101与第二远程 通信模块201直接通过单独的通信光纤4实现主设备101和从设备201之间的通信交互，由于传感光纤3的两端没有与第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011连接，因此减少了光纤链路损耗，提高了传感光纤3尾端的背向散射信号，从而进一步提高了光纤布里渊光时域分析器的測量精度。实施例三
本实施例提出的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，如图I和图6所示，本实施例的光纤布里渊光时域分析器与实施例ニ的光纤布里渊光时域分析器的区别在于本实施例中频率测量及信号输出模块的结构(如图6所示)与实施例一和实施例ニ给出的频率测量及信号输出模块的结构(如图4和图5所示)不相同，与其它模块或其它光学器件的连接方式也不相同；并在从设备2中増加了一个第四光纤耦合器205，同时在第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011上还设置有第三输入端。本实施例的长距离光纤布里渊光时域分析器如图6所示，其在第一光波分复用器1011和第二光波分复用器2011上还设置有第三输入端，在从设备2中的扰偏器203与传感光纤3的另一端之间设置有第四光纤I禹合器205,第四光纤f禹合器205具有一个输入端和两个输出端，扰偏器203的输出端与第四光纤I禹合器205的输入端相连接,第四光纤I禹合器205的ー个输出端与传感光纤3的另一端相连接，第四光纤耦合器205的另ー个输出端与第二光波分复用器2011的第三输入端相连接，频率测量及信号输出模块103包括第一光纤耦合器1031、脉冲调制器1032、光环形器1033、第三光纤耦合器1035、频率探测器1036和光电转换电路1037,第一光纤稱合器1031具有一个输入端和两个输出端,第三光纤稱合器
1035具有两个输入端和ー个输出端,光环形器1033具有三个端ロ，第一光纤稱合器1031的输入端与探测光源102的输出端相连接,第一光纤I禹合器1031的ー个输出端与脉冲调制器
1032的输入端相连接,第一光纤稱合器1031的另ー个输出端与第三光纤稱合器1035的一个输入端相连接，脉冲调制器1032的输出端与光环形器1033的第一个端ロ相连接，光环形器1033的第二个端ロ与传感光纤3的一端相连接，光环形器1033的第三个端ロ与光电转换电路1037的输入端相连接,第三光纤稱合器1035的另ー个输入端与第一光波分复用器1011的第三输入端相连接，第三光纤耦合器1035的输出端与频率探测器1036的输入端相连接，频率探测器1036的输出端和光电转换电路1037的输出端分别与主设备控制器104连接。在本实施例中，探测光源102选用低噪音窄线宽半导体激光器，中心波长为1550. 12nm，功率为IOmW;泵浦光源202选用低噪音窄线宽光纤激光器，中心波长为1550. 20nm，功率为大于IOOmW ;第四光纤耦合器205采用分光比为1:99的光纤耦合器，其中1%的泵浦光进入传感光纤3，99%的泵浦光进入通信光纤4，此时，经过IOOkm通信光纤4的衰减，进入第三光纤耦合器1035的另ー输入端的泵浦光的功率仍有ImW左右，从而保证了频率探測器1036的測量准确性。本实施例的其它器件与实施例一和实施例ニ类似。本实施例的长距离光纤布里渊光时域分析器的工作原理与实施例一、实施例ニ类似。由于光纤布里渊传感部分要求泵浦光源的功率不能太大；而频率探測部分则要求泵浦光源的功率较高，因此可使得从设备2中的泵浦光源202发出的连续光经第四光纤耦合器205分光后进入通信光纤4，即频率测量以及光纤远程通信部分复用ー个光纤，光纤布里渊传感部分単独占用一个光纤，这样既可提高传感光纤3尾端的背向散射信号，从而提高光纤布里渊光时域分析器的測量精度，又可提高频率测量的准确性。实施例四
本实施例提出的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，如图I和图7所示，本实施例的 光纤布里渊光时域分析器与实施例三的光纤布里渊光时域分析器的区别在于在第一光波分复用器1011的第三输入端与第三光纤稱合器1035的另ー个输入端之间增加了一个光放大器1038，并且探測光源102和泵浦光源202均选用低噪音窄线宽半导体激光器，第四光纤耦合器205的分光比为10 :90。本实施例中，第一光波分复用器1011的第三输入端与光放大器1038的输入端相连接，光放大器1038的输出端与第三光纤稱合器1035的另ー个输入端相连接,光放大器1038选用通信上普通采用的EDFA放大器或者SOA放大器；探测光源102选用低噪音窄线宽半导体激光器，中心波长为1550. 12nm，功率为IOmW ;泵浦光源202选用低噪音窄线宽半导体激光器，中心波长为1550. 20nm，功率为10mW。本实施例的其它器件与连接方式与实施例三类似。由于在第三光纤耦合器1035的另ー个输入端増加了光放大器1038，因此对泵浦光源202的输出功率要求较低，这样可选用调制性能更佳的窄线宽半导体激光器。实施例五
本实施例提出的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，如图I、图4和图5所示。本实施例的光纤布里渊光时域分析器与上述四个实施例的光纤布里渊光时域分析器的区别在于第一远程通信模块101和第二远程通信模块201采用无线通信方式进行通信交互，且第ー远程通信模块101可以为独立的无线通信模块，也可以为嵌设于主设备控制器104中的无线通信模块，第二远程通信模块201可以为独立的无线通信模块，也可以为嵌设于从设备控制器204中的无线通信模块。在本实施例中，第一远程通信模块101和第二远程通信模块201均可选用エ业级GPRS无线通信模块。本实施例中，第一远程通信模块101和第二远程通信模块201直接采用无线通信模块，可使得本发明的光纤布里渊光时域分析器的结构更为简洁，并且无需占用光纤资源，适合在无线通信网络覆盖良好的区域内的监测。以上所述仅为本发明的较佳实施例，不应理解为对本发明保护范围的限制。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何形式的变形、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于包括传感光纤、主要由探测光源、频率测量及信号输出模块、主设备控制器、第一远程通信模块组成的主设备以及主要由泵浦光源、扰偏器、从设备控制器、第二远程通信模块组成的从设备，所述的探測光源的输出端与所述的频率測量及信号输出模块的输入端相连接，所述的频率測量及信号输出模块的输出端与所述的传感光纤的一端相连接，所述的主设备控制器分别与所述的探測光源、所述的频率測量及信号输出模块、所述的第一远程通信模块相连接，所述的泵浦光源的输出端与所述的扰偏器的输入端相连接，所述的扰偏器的输出端与所述的传感光纤的另一端相连接，所述的从设备控制器分别与所述的泵浦光源、所述的扰偏器、所述的第二远程通信模块相连接，所述的第一远程通信模块与所述的第二远程通信模块通信交互；所述的频率测量及信号输出模块用于对所述的探測光源和所述的泵浦光源输出的连续光进行频率測量并将所述的探測光源输出的连续光调制成脉冲光以及接收所述的传感光纤的背向散射信号。
2.根据权利要求I所述的ー种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的第ー远程通信模块为独立的无线通信模块或为嵌设于所述的主设备控制器中的无线通信模块，所述的第二远程通信模块为独立的无线通信模块或为嵌设于所述的从设备控制器中的无线通信模块，所述的主设备和所述的从设备通过所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块以无线方式远程通信交互。
3.根据权利要求I所述的ー种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的第ー远程通信模块和所述的第二远程通信模块均为光纤远程通信模块，所述的主设备和所述的从设备通过所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块以有线方式远程通信交互，所述的第一远程通信模块包括第一光波分复用器和第一光纤收发器，所述的第二远程通信模块包括第二光波分复用器和第二光纤收发器，所述的第一光波分复用器和所述的第二光波分复用器均具有三个输入端和ー个输出端，所述的第一光纤收发器和所述的第二光纤收发器均具有一个控制端以及ー个激光发射端和ー个信号接收端，或均具有一个控制端以及ー个激光发射和信号接收共用端，所述的第一光波分复用器的一个输入端与所述的频率测量及信号输出模块的输出端相连接，所述的第一光波分复用器的另两个输入端与所述的第一光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第一光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第一光波分复用器的输出端与所述的传感光纤的一端相连接，所述的第一光纤收发器的控制端与所述的主设备控制器相连接，所述的第二光波分复用器的一个输入端与所述的扰偏器的输出端相连接，所述的第二光波分复用器的另两个输入端与所述的第二光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第二光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第二光波分复用器的输出端与所述的传感光纤的另一端相连接，所述的第二光纤收发器的控制端与所述的从设备控制器相连接。
4.根据权利要求I所述的ー种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于还包括一根与所述的传感光纤并行设置的通信光纤，所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块均为光纤远程通信模块，所述的主设备和所述的从设备通过所述的第一远程通信模块和所述的第二远程通信模块以有线方式远程通信交互，所述的第一远程通信模块包括第一光波分复用器和第一光纤收发器，所述的第二远程通信模块包括第二光波分复用器和第二光纤收发器，所述的第一光波分复用器和所述的第二光波分复用器均具有两个输入端和一个输出端，所述的第一光纤收发器和所述的第二光纤收发器均具有一个控制端以及一个激光发射端和一个信号接收端，或均具有一个控制端以及一个激光发射和信号接收共用端，所述的第一光波分复用器的两个输入端与所述的第一光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第一光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第一光波分复用器的输出端与所述的通信光纤的一端相连接，所述的第一光纤收发器的控制端与所述的主设备控制器相连接，所述的第二光波分复用器的两个输入端与所述的第二光纤收发器的激光发射端和信号接收端对应连接，或均与所述的第二光纤收发器的激光发射和信号接收共用端相连接，所述的第二光波分复用器的输出端与所述的通信光纤的另一端相连接，所述的第二光纤收发器的控制端与所述的从设备控制器相连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的第一光纤收发器的激光发射端和所述的第二光纤收发器的激光发射端的波长不相同。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征 在于所述的频率测量及信号输出模块包括第一光纤耦合器、脉冲调制器、光环形器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、频率探测器和光电转换电路，所述的第一光纤耦合器具有一个输入端和两个输出端，所述的第二光纤耦合器和所述的第三光纤耦合器均具有两个输入端和一个输出端,所述的光环形器具有三个端口，所述的第一光纤稱合器的输入端与所述的探测光源的输出端相连接，所述的第一光纤耦合器的一个输出端与所述的脉冲调制器的输入端相连接，所述的第一光纤耦合器的另一个输出端与所述的第三光纤耦合器的一个输入端相连接，所述的脉冲调制器的输出端与所述的光环形器的第一个端口相连接，所述的光环形器的第二个端口与所述的第二光纤耦合器的一个输入端相连接，所述的光环形器的第三个端口与所述的光电转换电路的输入端相连接，所述的第二光纤耦合器的另一个输入端与所述的第三光纤耦合器的另一个输入端相连接，所述的第二光纤耦合器的输出端与所述的传感光纤的一端直接或间接连接，所述的第三光纤耦合器的输出端与所述的频率探测器的输入端相连接，所述的频率探测器的输出端和所述的光电转换电路的输出端分别与所述的主设备控制器连接。
7.根据权利要求6所述的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的第二光纤耦合器与所述的第三光纤耦合器之间设置有光放大器，所述的第二光纤耦合器的另一个输入端与所述的光放大器的输入端相连接，所述的光放大器的输出端与所述的第三光纤耦合器的另一个输入端相连接。
8.根据权利要求4所述的一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的第一光波分复用器和所述的第二光波分复用器还设置有第三输入端，所述的扰偏器与所述的传感光纤的另一端之间设置有第四光纤耦合器，所述的第四光纤耦合器具有一个输入端和两个输出端，所述的扰偏器的输出端与所述的第四光纤耦合器的输入端相连接，所述的第四光纤耦合器的一个输出端与所述的传感光纤的另一端相连接，所述的第四光纤耦合器的另一个输出端与所述的第二光波分复用器的第三输入端相连接，所述的频率测量及信号输出模块包括第一光纤耦合器、脉冲调制器、光环形器、第三光纤耦合器、频率探测器和光电转换电路，所述的第一光纤耦合器具有一个输入端和两个输出端，所述的第三光纤耦合器具有两个输入端和一个输出端，所述的光环形器具有三个端口，所述的第一光纤稱合器的输入端与所述的探測光源的输出端相连接，所述的第一光纤耦合器的ー个输出端与所述的脉冲调制器的输入端相连接，所述的第一光纤耦合器的另ー个输出端与所述的第三光纤耦合器的一个输入端相连接，所述的脉冲调制器的输出端与所述的光环形器的第一个端ロ相连接，所述的光环形器的第二个端ロ与所述的传感光纤的一端相连接，所述的光环形器的第三个端ロ与所述的光电转换电路的输入端相连接，所述的第三光纤耦合器的另ー个输入端与所述的第一光波分复用器的第三输入端相连接，所述的第三光纤耦合器的输出端与所述的频率探測器的输入端相连接，所述的频率探測器的输出端和所述的光电转换电路的输出端分别与所述的主设备控制器连接。
9.根据权利要求8所述的ー种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的第三光纤稱合器与所述的第一光波分复用器之间设置有光放大器，所述的第一光波分复用器的第三输入端与所述的光放大器的输入端相连接，所述的光放大器的输出端与所述的第三光纤耦合器的另ー个输入端相连接。
10.根据权利要求I所述的ー种长距离光纤布里渊光时域分析器，其特征在于所述的探測光源和所述的泵浦光源中的一个为频率可调的窄线宽激光器且另ー个为频率固定的窄线宽激光器。
全文摘要
本发明公开了一种长距离光纤布里渊光时域分析器，其包括传感光纤、主要由探测光源、频率测量及信号输出模块、主设备控制器、第一远程通信模块组成的主设备以及主要由泵浦光源、扰偏器、从设备控制器、第二远程通信模块组成的从设备，主设备和从设备位于传感光纤的两端，通过主设备的频率测量及信号输出模块实现探测光源和泵浦光源输出的连续光的频率测量以及接收传感光纤的背向散射信号，并且通过第一远程通信模块与的第二远程通信模块通信交互实现从设备的控制，优点在于在不牺牲空间分辨率、测量精度以及测量时间的前提下，能够有效增加1倍的测量距离，最大测量距离可达120公里以上，从而有效扩大了光纤布里渊光时域分析器的适用范围。
文档编号G01D5/26GK102853857SQ20121033712
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者刘航杰, 涂勤昌, 李浩泉, 侯光恩 申请人:宁波诺驰光电科技发展有限公司