[发明专利]一种基于超长环形激光泵浦的布里渊光时域分析传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种基于超长环形激光泵浦的布里渊光时域分析传感系统。

背景技术

布里渊光时域分析仪（BOTDA）可实现温度、应变的长距离传感，已经发展成实用化的光纤传感技术，目前广泛应用于输油管道、高压电缆以及桥梁建筑的温度和应变的监测。

BOTDA的物理机制基于光纤的受激布里渊散射（SBS）。布里渊探测光和泵浦光从传感光纤两端输入，其拍频产生以声速移动的光栅，在多普勒效应下，该光栅对布里渊泵浦产生频移约10-12GHz的散射光，最终探测光由于布里渊增益而被放大。布里渊增益大小取决于信号光和泵浦光之间的频率差和光纤的固有布里渊频移，当信号光和泵浦光之间的频率差与布里渊频移一致时，SBS增益最强。布里渊频移与温度及应变之间呈线性关系，通过测得布里渊增益谱沿光纤的分布，即可获知温度及应变沿光纤的分布。

常规BOTDA一般采用掺铒光纤放大器(EDFA)进行泵浦，其传感距离典型值为20-30km。首先，传感距离受光纤衰减限制，增加了末端的信噪比（SNR）及测量不确定度；此外，脉冲宽度变窄能够提高空间分辨率，但将会减少SBS增益，同时脉冲过窄将导致频谱展宽，进一步增加了测量不确定度。因此，传感距离与空间分辨率相互制约。

拉曼放大是一种有效的延长传感距离方法。一阶拉曼放大技术一定程度上削弱了信号功率前后端分布不均。但是在更长距离（>75km）布里渊光传感系统中，由于拉曼增益也沿光纤呈指数衰减，使该方法不能彻底消除功率分布不均现象，且传感距离愈长，波动愈严重。其结果是在传感信号分布上出现大范围、低信噪比区域。J. D. Ania-Casta??ón等人报道了一种利用光纤光栅（FBG）和线形腔二阶拉曼放大实现的长距离BOTDA (参见S. Martin-Lopez, M. Alcon-Camas, F. Rodriguez, P.Corredera, J.D. Ania-Casta??on, L.Thévenaz, and M. Gonzalez-Herraez, “Brillouin optical time-domain analysis assisted by second-order Raman amplification,” Opt. Express, 18, No. 18, 18769-18778, 2010) 。该方案中，1455nm激射光由FBG提供的线形腔反馈产生。

但是，对于>100km的传输距离，信号光分布也出现明显波动，重新出现大范围低信噪比区域，严重影响传感质量的全程一致性。此外，为保证光纤末端信噪比，需采用双向泵浦，但同时会引起与布里渊探测光同向激射分量的泵浦-信号相对强度噪声RIN转移问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于超长环形激光泵浦的布里渊光时域分析传感系统，其旨在有效改善传感性能的全程一致性，同时克服泵浦-信号相对强度噪声RIN转移问题以及能广泛应用于长距离温度/应变传感，大幅提高整个传感光纤的测量精度及空间分辨率。 

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超长环形激光泵浦的布里渊光时域分析传感系统，包括激光器1、分束器2、偏振控制器3、微波源4、电光调制器5、第一掺铒光纤放大器6、声光移频器7、第一衰减器8、隔离器9、第二掺铒光纤放大器10、波形发生器11、声光调制器12、扰偏器13、第二衰减器14和第一光环形器15，其特征在于，还包括波长为13xxnm的一阶拉曼泵浦光16、波分复用器WDM对17、传感光纤18；

所述激光器1产生光束，光束经分束器分为两束，一束布里渊探测光，另一束为布里渊泵浦光；布里渊探测光传至电光调制器产生频移为10～11GHz的布里渊探测光，所述偏振控制器设置在光束器与电光调制器间克服电光调制器的偏振相关性，频移为10～11GHz的布里渊探测光为经第一掺铒光纤放大器放大，放大后的布里渊探测光经声光移频器7产生与声光调制器一致的频移以克服泵浦消耗效应，频移后的布里渊探测光再经第一衰减器优化其输入功率，优化后的布里渊探测光经隔离器隔离掉反射光；布里渊泵浦光经所述第二掺铒光纤放大器10放大，放大后的布里渊泵浦光再经声光调制器调制，所述声光调制器由波形发生器11产生编码脉冲串驱动，调制后的布里渊泵浦光传至扰偏器13抑制增益的偏振相关性并输出偏振度<5%的布里渊泵浦光；所述优化后的布里渊探测光和偏振度<5%的布里渊泵浦光经波分复用器WDM耦合进传感光纤18；