[发明专利]长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法

说明书

本发明公开了长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法，涉及光纤分布式声波传感领域；系统包括分布式放大单元，其包括大有效面积光纤、泵浦和波分复用器，泵浦的泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤，实现分布式放大；其方法包括步骤1：将光源经调制、放大获取探测脉冲光；步骤2：探测脉冲光和泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤；步骤3：探测脉冲光结合泵浦光在大有效面积光纤中进行分布式放大，产生功率提高的后向瑞利散射光；步骤4：后向瑞利散射光经环形器输出后进行转换和解调，完成分布式传感；本发明采用分布式放大和遥泵放大为探测脉冲光提供足够的增益以克服光纤损耗，提高探测脉冲光功率，大幅延长传感距离。

技术领域

本发明涉及长距离光纤分布式声波传感领域，尤其是长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法。

背景技术

现代社会中，分布式光纤传感(DFOS)技术已经在各个领域得到广泛应用。DFOS抗电磁干扰能力强、灵敏度高、传感距离长，其中，基于相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)的光纤分布式声波传感系统(FODAS)受到了广泛关注，尤其在油气勘探、安防等领域展现出巨大的应用潜力。FODAS原理：在FODAS中，外界声场发生改变时，由于光弹效应，光纤中探测脉冲光的相位差随之发生改变，且与外界声场的频率一致、幅度成正比，通过解调探测脉冲光的后向瑞利散射信号的相位差就可以对外界声场进行还原。

目前FODAS普遍采用普通单模光纤(SMF)作为传感光纤，传感距离较短，主要原因是普通SMF的非线性效应阈值较低，当发射的激光脉冲光功率超过普通SMF中的非线性效应阈值后，大量信号光能量会转移到非线性散射上，导致FODAS传感信噪比降低，因此，必须限制注入到传感光纤里的脉冲光功率。若通过增大脉冲光宽度来提高注入到传感光纤的功率，尽管其后向瑞利散射光强度会提高，但是由于FODAS系统的空间分辨率与脉冲光宽度有关，因此会牺牲FODAS的空间分辨率和频响范围。

大有效面积光纤(LEAF)作为新一代通信光纤应运而生，应用于FODAS系统，其非线性效应阈值得到有效提高，传感距离得到进一步延伸，但是，受光纤损耗及后向瑞利散射的影响，脉冲光沿光纤传输过程中功率仍会呈指数衰减，传感距离提升有限；另一方面，若采用增大脉冲光入纤功率的方式，当脉冲光功率过高时，仍会产生非线性效应。因此，普通的大有效面积光纤分布式声波传感(LEAFFODAS)系统难以实现更长距离的分布式声波传感。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了长距离光纤分布式声波传感的放大系统及方法，解决现有LEAFFODAS系统难以实现更长距离的分布式传感的问题。

本发明采用的技术方案如下：

长距离光纤分布式声波传感的放大系统，包括依次连接的光源、光调制器、光放大器、环形器和光纤，所述环形器还依次连接信号探测单元和信号解调单元，所述光调制器还连接多频率电信号脉冲发生器，还包括用于为探测脉冲光提供增益以提高其功率较低处的后向瑞利散射光功率，实现长距离传感的分布式放大单元，所述分布式放大单元包括大有效面积光纤、泵浦和波分复用器，所述泵浦的泵浦光通过波分复用器进入大有效面积光纤，实现分布式放大。

优选地，所述泵浦包括泵浦A，所述波分复用器包括波分复用器A，所述泵浦A、波分复用器A和大有效面积光纤依次连接，实现单端泵浦分布式放大。

优选地，所述泵浦包括泵浦A和泵浦B，所述波分复用器包括波分复用器A和波分复用器B，所述泵浦A、波分复用器A、大有效面积光纤、波分复用器B和泵浦B依次连接，实现双端泵浦分布式放大。

优选地，还包括遥泵放大单元，所述遥泵放大单元包括设置在大有效面积光纤中部的有源光纤，泵浦光注入有源光纤为探测脉冲光提供更多增益，延长传感距离。

优选地，所述泵浦包括泵浦A，所述波分复用器包括波分复用器A，所述泵浦A、波分复用器A和大有效面积光纤依次连接，所述有源光纤设置在大有效面积光纤中部，实现单端泵浦分布式放大和遥泵放大。