[发明专利]基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置，以及一种增加光纤布里渊散射阈值的方法，主要应用于长距离连续分布式布里渊光纤传感等技术领域。

背景技术

在连续分布式光纤传感中，以自发布里渊散射为基础的布里渊光时域反射仪(BOTDR)在各种结构安全的诊断和监测上有着非常重要的应用，BOTDR主要是利用光纤中自发布里渊散射光谱频移量与光纤温度和所受应力的线性关系来获取光纤沿线温度与应力的分布情况。因为布里渊光时域反射仪利用的是自发布里渊散射，这就要求入射光不能超过一定的阈值功率，如果注入光功率超过一定阈值的时候，布里渊散射迅速增强，散射就变成受激布里渊散射，受激布里渊散射将把绝大部分输入光转换为后向斯托克斯光，降低了入射光的前向传输距离，限制了传感的距离。传感距离的增加，一方面需要高的注入光功率，另一方面降低了布里渊阈值，而布里渊阈值的降低，又限制了传感的距离。人们对提高光纤布里渊阈值做了一些研究，但设计的抑制布里渊光纤主要是在短距离的布里渊光纤激光器上。同时，对BOTDR而言，由于利用的自发布里渊散射光比较弱，且在普通单模光纤中对于1550nm的入射光，布里渊频移约为11GHz，所以利用直接探测的方法很难获得准确的布里渊散射信号，这就带来了较大的测量误差。随着探测器带宽的增加，等效噪声功率值越大，即可探测到的最小功率越大，影响了BOTDR系统的温度和应变的分辨率。此外，BOTDR系统的空间分辨率受探测脉冲宽度和探测器的带宽限制，要提高空间分辨率必须减小探测脉冲宽度，且需要增加探测器的带宽，而探测器带宽越宽，因此系统的空间分辨率和温度、应变的分辨率难以同时提高。由于普通单模光纤自身结构的限制，使得在普通单模光纤的受激布里渊阈值较低，当发生受激布里渊散射时，绝大部分入射光转换成背向散射光，这就影响了传感的距离。为了增加传感距离，必须提高探测信号的功率；而随着传感距离的增加，受激布里渊散射的阈值在降低，越容易产生受激布里渊散射，这就限制了BOTDR中的传感距离。路元刚等提出的发明专利，授权号:CN100504309C采用微波源和电光调制器的方法降低了探测器的带宽，但是，在微波段11GHz电子学检测难度较大，而且价格很昂贵。有的学者提出了取代相干检测系统中的微波信号源的方案，2007年美国的J.Geng(J.Geng,S.Staines,M.Blake,and S.Jiang,“Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering,”App.Opt.46,5928-5932,2007)报道了一种不需要微波信号源的布里渊时域反射仪，其核心是利用一个布里渊激光器作为本振光，这种方法可以降低探测器的带宽，但是该本振光的系统比较复杂，而且必须采用另外一个高精度的微波源和电光调制器，微波源和调制器的精度限制了系统的性能，也增加了系统的成本。2009年日本NTT公司的D.Iida(D.Iida and F.Ito,“Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin optical time domain reflectometry using a reference Brillouin scattering beam,”App.Opt.48,4302-4309,2009)报道了另外一种不需要微波源的布里渊光时域反射仪，利用的是一根与传感光纤不同的光纤产生的布里渊散射光作为本振光，通常在光纤中布里渊散射光(约30MHz)的线宽比一般的DFB激光器的线宽(1-5MHz)宽好几倍，由于本振光的线宽较宽影响了测量的精度。张旭苹等提出的发明专利，授权号:CN102393182A，三层结构传感光纤结合布里渊激光器单元的布里渊光时域反射仪，降低了探测器的带宽，但是该发明在实施过程中没有指明扫频的方法。

发明内容

本发明目的是：为了克服现有技术的缺点，提高布里渊光时域反射仪的测量精度和传感长度，以及降低探测器的电子带宽等问题，本发明提供一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法及其基于多段不同布里渊频移光纤结构的传感光纤，提出的传感光纤不仅能够提高布里渊阈值增加传感距离，而且能够降低布里渊频移减小探测器的带宽；同时，通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，大大降低了探测器的带宽，本振光单元利用设计的基于TEC温度控制单元进行扫频控制，提高布里渊光时域反射仪的测量精度。