基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統技術方案

本發明專利技術涉及分布式光纖傳感系統，具體是一種基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統。本發明專利技術解決了現有分布式光纖傳感系統探測靈敏度低且無法調節的問題。基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統，包括可調單頻激光器、半導體激光器、鎖相環、第一偏振控制器、第二偏振控制器、電光調制器、單向摻鉺光纖放大器、光環行器、可調光濾波器、光電探測器、數據采集卡、諧振腔；所述諧振腔包括雙向摻鉺光纖放大器、第一雙向光分路器、第二雙向光分路器、單模傳感光纖。本發明專利技術適用于分布式光纖傳感領域。

【技術實現步驟摘要】


本專利技術涉及分布式光纖傳感系統，具體是一種基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統。

技術介紹

分布式光纖傳感系統因具有顯著的連續性優點（即只需一根光纖就可以準確感知光纖上任一點的信息），已被廣泛應用于通信、交通、國防、土木、電力等領域。現有的分布式光纖傳感系統主要分為三種：基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統、基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統、基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統。其中，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統由于其在溫度和應變測量上所能達到的測量精度、傳感距離、空間分辨率相比另外兩種分布式光纖傳感系統具有明顯的優勢，并且能實現對溫度和應變的同時測量，而成為該領域的研究熱點。然而實踐表明，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統由于在探測溫度和應變時僅使用一階斯托克斯波的頻移量來進行表征，導致其存在探測靈敏度低且無法調節的問題（溫度靈敏度僅為1.1MHZ/oC，應變靈敏度僅為0.05MHz/με）。基于此，有必要專利技術一種全新的分布式光纖傳感系統，以解決現有分布式光纖傳感系統存在的上述問題。

技術實現思路

本專利技術為了解決現有分布式光纖傳感系統探測靈敏度低且無法調節的問題，提供了一種基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統。
本專利技術是采用如下技術方案實現的：
基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統，包括可調單頻激光器、半導體激光器、鎖相環、第一偏振控制器、第二偏振控制器、電光調制器、單向摻鉺光纖放大器、光環行器、可調光濾波器、光電探測器、數據采集卡、諧振腔；
所述諧振腔包括雙向摻鉺光纖放大器、第一雙向光分路器、第二雙向光分路器、單模傳感光纖；
其中，可調單頻激光器的信號輸入端和半導體激光器的信號輸入端之間通過鎖相環連接；可調單頻激光器的出射端與第一偏振控制器的入射端連接；第一偏振控制器的出射端與電光調制器的入射端連接；電光調制器的出射端與單向摻鉺光纖放大器的入射端連接；單向摻鉺光纖放大器的出射端與光環行器的入射端連接；光環行器的反射端與第一雙向光分路器的第一個下行端口連接；半導體激光器的出射端與第二偏振控制器的入射端連接；第二偏振控制器的出射端與第二雙向光分路器的第一個下行端口連接；第一雙向光分路器的上行端口和第二雙向光分路器的上行端口之間通過單模傳感光纖連接；第一雙向光分路器的第二個下行端口和第二雙向光分路器的第二個下行端口之間通過雙向摻鉺光纖放大器連接；光環行器的出射端與可調光濾波器的入射端連接；可調光濾波器的出射端與光電探測器的入射端連接；光電探測器的信號輸出端與數據采集卡的信號輸入端連接。
具體工作過程如下：可調單頻激光器發出的激光作為泵浦光，該激光依次經第一偏振控制器、電光調制器、單向摻鉺光纖放大器、光環行器進入諧振腔，并在單模傳感光纖中產生受激布里淵散射。與此同時，半導體激光器發出的激光既作為探測光又作為高階斯托克斯波的激勵光，該激光經第二偏振控制器進入諧振腔，并在單模傳感光纖中激發出一階斯托克斯波。一階斯托克斯波在諧振腔中進行諧振，當雙向摻鉺光纖放大器的功率足夠大時，一階斯托克斯波諧振產生二階斯托克斯波。以此類推，雙向摻鉺光纖放大器的功率越大，諧振產生的斯托克斯波的階數越高。高階斯托克斯波與受激布里淵散射在單模傳感光纖中進行拍頻，由此產生拍頻光信號。拍頻光信號依次經光環行器、可調光濾波器進入光電探測器，并經光電探測器轉換為拍頻電信號后進入數據采集卡。數據采集卡對拍頻電信號進行拍頻分析，由此獲取單模傳感光纖的溫度值和應變值。在此過程中，可調單頻激光器和半導體激光器之間通過鎖相環進行鎖定。第一偏振控制器的作用是調節可調單頻激光器發出的激光進入電光調制器的偏振態，以獲得最大的輸出功率。電光調制器的作用是加載脈沖信號。單向摻鉺光纖放大器的作用是保證可調單頻激光器發出的激光具有足夠功率，以使激光在單模傳感光纖中產生受激布里淵散射。可調光濾波器的作用是選擇所需探測的高階斯托克斯波，實現靈敏度的可調。
基于上述過程，與現有分布式光纖傳感系統相比，本專利技術所述的基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統基于全新的光路結構，并利用高階斯托克斯波，實現了對單模傳感光纖的溫度值和應變值進行靈敏度可調的分布式探測，由此具備了如下優點：與基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統相比，本專利技術在探測溫度和應變時使用高階斯托克斯波的頻移量來進行表征，由此大幅提高了探測靈敏度（溫度靈敏度能夠提高至11MHZ/oC，應變靈敏度能夠提高至0.5MHz/με），并可調節靈敏度大小（溫度靈敏度調節步進為1.1MHZ/oC，應變靈敏度調節步進為0.05MHz/με）。
本專利技術結構合理、設計巧妙，有效解決了現有分布式光纖傳感系統探測靈敏度低且無法調節的問題，適用于分布式光纖傳感領域。
附圖說明
圖1是本專利技術的結構示意圖。
圖中：1a-可調單頻激光器，1b-半導體激光器，2-鎖相環，3a-第一偏振控制器，3b-第二偏振控制器，4-電光調制器，5a-單向摻鉺光纖放大器，5b-雙向摻鉺光纖放大器，6-光環行器，7-可調光濾波器，8-光電探測器，9-數據采集卡，10a-第一雙向光分路器，10b-第二雙向光分路器，11-單模傳感光纖。
具體實施方式
基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統，包括可調單頻激光器1a、半導體激光器1b、鎖相環2、第一偏振控制器3a、第二偏振控制器3b、電光調制器4、單向摻鉺光纖放大器5a、光環行器6、可調光濾波器7、光電探測器8、數據采集卡9、諧振腔；
所述諧振腔包括雙向摻鉺光纖放大器5b、第一雙向光分路器10a、第二雙向光分路器10b、單模傳感光纖11；
其中，可調單頻激光器1a的信號輸入端和半導體激光器1b的信號輸入端之間通過鎖相環2連接；可調單頻激光器1a的出射端與第一偏振控制器3a的入射端連接；第一偏振控制器3a的出射端與電光調制器4的入射端連接；電光調制器4的出射端與單向摻鉺光纖放大器5a的入射端連接；單向摻鉺光纖放大器5a的出射端與光環行器6的入射端連接；光環行器6的反射端與第一雙向光分路器10a的第一個下行端口連接；半導體激光器1b的出射端與第二偏振控制器3b的入射端連接；第二偏振控制器3b的出射端與第二雙向光分路器10b的第一個下行端口連接；第一雙向光分路器10a的上行端口和第二雙向光分路器10b的上行端口之間通過單模傳感光纖11連接；第一雙向光分路器10a的第二個下行端口和第二雙向光分路器10b的第二個下行端口之間通過雙向摻鉺光纖放大器5b連接；光環行器6的出射端與可調光濾波器7的入射端連接；可調光濾波器7的出射端與光電探測器8的入射端連接；光電探測器8的信號輸出端與數據采集卡9的信號輸入端連接。
所述可調單頻激光器1a采用可調范圍為1520nm-1630nm、光譜線寬為400kHz、邊摸抑制比>45dB，最大輸出功率為10dBm的連續運行激光器。
所述半導體激光器1b采用中心波長為1550nm、光譜線寬為3MHz、最大輸出功率為5dBm的連續運行激光器。
所述電光調制器4的帶寬為20GHz、插損為3.3dB、消光比為26dB。
所述單向摻鉺光纖放大器5a的輸出功率為0.5-2W、波長本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統，其特征在于：包括可調單頻激光器（1a）、半導體激光器（1b）、鎖相環（2）、第一偏振控制器（3a）、第二偏振控制器（3b）、電光調制器（4）、單向摻鉺光纖放大器（5a）、光環行器（6）、可調光濾波器（7）、光電探測器（8）、數據采集卡（9）、諧振腔；所述諧振腔包括雙向摻鉺光纖放大器（5b）、第一雙向光分路器（10a）、第二雙向光分路器（10b）、單模傳感光纖（11）；其中，可調單頻激光器（1a）的信號輸入端和半導體激光器（1b）的信號輸入端之間通過鎖相環（2）連接；可調單頻激光器（1a）的出射端與第一偏振控制器（3a）的入射端連接；第一偏振控制器（3a）的出射端與電光調制器（4）的入射端連接；電光調制器（4）的出射端與單向摻鉺光纖放大器（5a）的入射端連接；單向摻鉺光纖放大器（5a）的出射端與光環行器（6）的入射端連接；光環行器（6）的反射端與第一雙向光分路器（10a）的第一個下行端口連接；半導體激光器（1b）的出射端與第二偏振控制器（3b）的入射端連接；第二偏振控制器（3b）的出射端與第二雙向光分路器（10b）的第一個下行端口連接；第一雙向光分路器（10a）的上行端口和第二雙向光分路器（10b）的上行端口之間通過單模傳感光纖（11）連接；第一雙向光分路器（10a）的第二個下行端口和第二雙向光分路器（10b）的第二個下行端口之間通過雙向摻鉺光纖放大器（5b）連接；光環行器（6）的出射端與可調光濾波器（7）的入射端連接；可調光濾波器（7）的出射端與光電探測器（8）的入射端連接；光電探測器（8）的信號輸出端與數據采集卡（9）的信號輸入端連接。...

【技術特征摘要】
1.一種基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統，其特征在于：包括可調單頻激光器（1a）、半導體激光器（1b）、鎖相環（2）、第一偏振控制器（3a）、第二偏振控制器（3b）、電光調制器（4）、單向摻鉺光纖放大器（5a）、光環行器（6）、可調光濾波器（7）、光電探測器（8）、數據采集卡（9）、諧振腔；
所述諧振腔包括雙向摻鉺光纖放大器（5b）、第一雙向光分路器（10a）、第二雙向光分路器（10b）、單模傳感光纖（11）；
其中，可調單頻激光器（1a）的信號輸入端和半導體激光器（1b）的信號輸入端之間通過鎖相環（2）連接；可調單頻激光器（1a）的出射端與第一偏振控制器（3a）的入射端連接；第一偏振控制器（3a）的出射端與電光調制器（4）的入射端連接；電光調制器（4）的出射端與單向摻鉺光纖放大器（5a）的入射端連接；單向摻鉺光纖放大器（5a）的出射端與光環行器（6）的入射端連接；光環行器（6）的反射端與第一雙向光分路器（10a）的第一個下行端口連接；半導體激光器（1b）的出射端與第二偏振控制器（3b）的入射端連接；第二偏振控制器（3b）的出射端與第二雙向光分路器（10b）的第一個下行端口連接；第一雙向光分路器（10a）的上行端口和第二雙向光分路器（10b）的上行端口之間通過單模傳感光纖（11）連接；第一雙向光分路器（10a）的第二個下行端口和第二雙向光分路器（10b）的第二個下行端口之間通過雙向摻鉺光纖放大器（5b）連接；光環行器（6）的出射端與可調光濾波器（7）的入射端連接；可調光濾波器（7）的出射端與光電探測器（8）的入射端連接；光電探測器（8）的信號輸出端與數據采集卡（9）的信號輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的基于高階斯托克斯波的靈敏度可調分布式光纖傳感系統，其特征在于：所述可調單頻激光器（1a）采用可調范圍為1520...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉毅，張明江，張建忠，王云才，
申請(專利權)人：太原理工大學，
類型：發明
國別省市：山西;14