[发明专利]一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪

说明书

技术领域

本发明涉及光时域反射仪领域，尤其涉及一种基于单端操作、且无须远端供能的掺饵光纤中继远距离分布式振动探测系统。

背景技术

分布式光纤传感技术近年来受到广泛的关注和研究。其中，相位敏感的光时域反射仪因其超远的探测距离，超高的灵敏度，较高的频率响应，以及多点同时探测和定位能力而颇受瞩目。相位敏感的光时域反射仪主要应用于管道安全预警，周界安防，结构健康监测等需要进行大规模监测和传感的领域。由于光纤本身的无源衰减和光纤中较低的非线性光学效应阈值，的探测距离遇到了瓶颈，使得其应用受到了限制。为了增加系统的探测距离，文献中主要通过两类方法进行探测距离的提升。

第一类方法：在探测光纤的发射端使用掺饵光纤放大器(EDFA)提升发射探测脉冲的峰值功率，或在光纤接受端使用EDFA放大瑞利后向散射信号。

但是这种方法由于无法在脉冲传播过程中进行能量补充，没有改变探测脉冲功率随着传播单调衰减的缺点，因而只能在一定程度上提升探测距离，无法突破当前的瓶颈。

第二类方法：基于分布式放大。这其中包括：分布式布里渊放大，分布式拉曼放大，分布式高阶拉曼放大，以及结合了二者的分布式混合放大。此类方法可以有效的对探测脉冲的能量损耗进行补充，并且已被证明可以有效的延长系统的探测距离，其最高的探测距离可以超过100km。

但是此类方法存在如下若干缺点：

(1)基于分布式放大的长距离系统通常需要双端操作，即其需要在传感光纤的两端加泵浦光。尤其是那些使用分布式布里渊放大的系统，由于受激布里渊散射只能产生在与泵浦方向相反的方向，因此必须要求双端操作。双端操作无可避免的提升了系统的复杂度，操作难度，维护成本，以及易实施性等。

(2)由于受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)对环境变量，如温度，应变等敏感，因此基于这两种非线性效应的分布式放大，其过程本质上是不稳定的。如果温度或者应变存在明显的漂移，分布式放大的过程会给被放大信号引入严重的外加噪声。

发明内容

本发明提供了一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，本发明在简化系统复杂度的同时，以更高的可行性实现系统探测距离的提升，并可以在单端操作模式下工作，详见下文描述：

一种基于无源中继放大的远距离相位敏感光时域反射仪，包括：1550nm超窄线宽激光器产生连续光，经声光调制器、第一掺饵光纤放大器进行功率放大；

放大后脉冲光经1550nm光环形器、1550nm/1480nm波分复用器注入光纤；1480nm的光纤耦合泵浦光源，泵浦光经波分复用器的1480nm端注入光纤；

光纤中的背向散射光经波分复用器后进入环形器，经第二个掺饵光纤放大器进行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被另一环形器和光纤布拉格光栅构成的滤波器滤波，滤掉第二个掺饵光纤放大器的自发辐射噪声、以及残存的1480nm泵浦光的后向散射光；

滤波后的瑞利后向散射光进入PIN光电探测器，相应的光信号经采集卡采集后存入电脑进行后续的数据分析；

所述光纤由一段50km的标准单模光纤、一段10m的掺饵光纤、以及一段25km的标准单模光纤构成；实现了75km的探测距离。

其中，所述50km和25km的标准单模光纤为传感光纤，10m的掺饵光纤为增益光纤。

其中，所述标准单模光纤为：sm28e标准单模光纤。

其中，所述1550nm超窄线宽激光器为100Hz的NKT超窄线宽激光器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1.基于单端光脉冲发射及信号接收的架构实现了系统探测距离的提升；

2.避免了传统中继技术中需要在传感区域(通常为野外环境)中额外建造供电设施提供泵浦能量的麻烦，极大地提升了系统的可行性和易操作性，降低了维护成本；

3.本发明结构简单，仅需增加一个1480nm泵浦光源，一个1550nm/1480nm的波分复用器、以及一段10m长的掺饵光纤。相比于基于分布式布里渊放大和分布式拉曼放大的分布式放大手段，具有非常简单的系统结构和非常低的成本；

4.本发明实现了单端操作架构下75km的探测距离，是目前为止单端操作模式中最远的探测距离。

附图说明

图1为基于的分布式振动探测系统的结构示意图；

图2为不开泵浦和开泵浦条件下的瑞利散射曲线(RBS)的示意图；

图3为空频能量分布的示意图；