[发明专利]基于布里渊和拉曼散射的长距离多参量测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于布里渊和拉曼散射的长距离多参量测量装置，其特征在于：包括半导体激光器（1）、第一1×2光纤耦合器（2）、光纤偏振控制器（3）、高速电光调制器（4）、微波信号源（5）、第二1×2光纤耦合器（6）、光扰偏器（7）、光开关（8）、第三1×2光纤耦合器（9）、带通滤波器（10）、第一掺铒光纤放大器（11）、第一光环形器（12）、第一光纤光栅（13）、传感光纤（14）、半导体光放大器（15）、第二掺铒光纤放大器（16）、第二光环形器（17）、第二光纤光栅（18）、第三光环形器（19）、波分复用器（20）、第一雪崩光电二极管（21）、光电探测器（22）、第二雪崩光电二极管（23）、第一信号放大器（24）、第二信号放大器（25）、数据采集与处理系统（26）；

其中，半导体激光器（1）的出射端与第一1×2光纤耦合器（2）的入射端连接；

第一1×2光纤耦合器（2）的第一个出射端与光纤偏振控制器（3）的入射端连接，光纤偏振控制器（3）出射端与高速电光调制器（4）的入射端连接，微波信号源（5）的输出端与高速电光调制器（4）的输入端连接，高速电光调制器（4）的出射端与第二1×2光纤耦合器（6）的入射端连接；

第二1×2光纤耦合器（6）的第一个出射端与光扰偏器（7）的入射端连接，光扰偏器（7）的出射端与光开关（8）的入射端连接，光开关（8）的出射端与第三1×2光纤耦合器（9）的一路入射端连接；

第二1×2光纤耦合器（6）的第二个出射端与带通滤波器（10）的入射端连接，带通滤波器（10）的出射端与第一掺铒光纤放大器（11）的入射端连接，第一掺铒光纤放大器（11）的出射端与第一光环形器（12）的入射端连接，第一光环形器（12）的反射端与第一光纤光栅（13）连接，第一光环形器（12）的出射端与第三1×2光纤耦合器（9）的另一路入射端连接，第三1×2光纤耦合器（9）的出射端与传感光纤（14）一端连接；

第一1×2光纤耦合器（2）的第二个出射端与半导体光放大器（15）的入射端连接，半导体光放大器（15）的出射端与第二掺铒光纤放大器（16）的入射端连接，第二掺铒光纤放大器（16）的出射端与第二光环形器（17）的入射端连接，第二光环形器（17）的反射端与第二光纤光栅（18）连接，第二光环形器（17）的出射端与第三光环形器（19）的入射端连接，第三光环形器（19）的反射端与传感光纤（14）另一端连接；

第三光环形器（19）的出射端与波分复用器（20）的入射端连接，波分复用器（20）的第一个出射端与第一雪崩光电二极管（21）的入射端连接，第一雪崩光电二极管（21）的输出端与第一信号放大器（24）连接，第一信号放大器（24）的输出端与数据采集与处理系统（26）连接，波分复用器（20）的第二个出射端与光电探测器（22）的入射端连接，光电探测器（22）的输出端与数据采集与处理系统（26）连接，波分复用器（20）的第三个出射端与第二雪崩光电二极管（23）的入射端连接，第二雪崩光电二极管（23）的输出端与与第二信号放大器（25）连接，第二信号放大器（25）的输出端与数据采集与处理系统（26）连接。

2.一种基于布里渊和拉曼散射的长距离多参量测量方法，其特征在于：该方法在如下长距离多参量测量装置中实现，所述长距离多参量测量装置包括半导体激光器（1）、第一1×2光纤耦合器（2）、光纤偏振控制器（3）、高速电光调制器（4）、微波信号源（5）、第二1×2光纤耦合器（6）、光扰偏器（7）、光开关（8）、第三1×2光纤耦合器（9）、带通滤波器（10）、第一掺铒光纤放大器（11）、第一光环形器（12）、第一光纤光栅（13）、传感光纤（14）、半导体光放大器（15）、第二掺铒光纤放大器（16）、第二光环形器（17）、第二光纤光栅（18）、第三光环形器（19）、波分复用器（20）、第一雪崩光电二极管（21）、光电探测器（22）、第二雪崩光电二极管（23）、第一信号放大器（24）、第二信号放大器（25）、数据采集与处理系统（26）；

其中，半导体激光器（1）的出射端与第一1×2光纤耦合器（2）的入射端连接；

第一1×2光纤耦合器（2）的第一个出射端与光纤偏振控制器（3）的入射端连接，光纤偏振控制器（3）出射端与高速电光调制器（4）的入射端连接，微波信号源（5）的输出端与高速电光调制器（4）的输入端连接，高速电光调制器（4）的出射端与第二1×2光纤耦合器（6）的入射端连接；

第二1×2光纤耦合器（6）的第一个出射端与光扰偏器（7）的入射端连接，光扰偏器（7）的出射端与光开关（8）的入射端连接，光开关（8）的出射端与第三1×2光纤耦合器（9）的一路入射端连接；

第二1×2光纤耦合器（6）的第二个出射端与带通滤波器（10）的入射端连接，带通滤波器（10）的出射端与第一掺铒光纤放大器（11）的入射端连接，第一掺铒光纤放大器（11）的出射端与第一光环形器（12）的入射端连接，第一光环形器（12）的反射端与第一光纤光栅（13）连接，第一光环形器（12）的出射端与第三1×2光纤耦合器（9）的另一路入射端连接，第三1×2光纤耦合器（9）的出射端与传感光纤（14）一端连接；

第一1×2光纤耦合器（2）的第二个出射端与半导体光放大器（15）的入射端连接，半导体光放大器（15）的出射端与第二掺铒光纤放大器（16）的入射端连接，第二掺铒光纤放大器（16）的出射端与第二光环形器（17）的入射端连接，第二光环形器（17）的反射端与第二光纤光栅（18）连接，第二光环形器（17）的出射端与第三光环形器（19）的入射端连接，第三光环形器（19）的反射端与传感光纤（14）另一端连接；

第三光环形器（19）的出射端与波分复用器（20）的入射端连接，波分复用器（20）的第一个出射端与第一雪崩光电二极管（21）的入射端连接，第一雪崩光电二极管（21）的输出端与第一信号放大器（24）连接，第一信号放大器（24）的输出端与数据采集与处理系统（26）连接，波分复用器（20）的第二个出射端与光电探测器（22）的入射端连接，光电探测器（22）的输出端与数据采集与处理系统（26）连接，波分复用器（20）的第三个出射端与第二雪崩光电二极管（23）的入射端连接，第二雪崩光电二极管（23）的输出端与与第二信号放大器（25）连接，第二信号放大器（25）的输出端与数据采集与处理系统（26）连接；

具体长距离多参量测量方法包括如下步骤：

（1）、半导体激光器（1）发出的激光经第一1×2光纤耦合器（2）分为两路：第一路激光作为探测光信号和泵浦补偿光信号，第二路激光作为泵浦光信号；第一路激光信号先经过光纤偏振控制器（3）、高速电光调制器（4），微波信号源（5）驱动高速电光强度调制器（4）以载波抑制、双边带的模式进行调制，使得该路光信号的频移在布里渊频移附近，然后再经过第二1×2光纤耦合器（6）分为两路：第一分路光信号作为探测光信号，第二分路光信号作为泵浦补偿光信号；探测光依次经过光扰偏器（7）和光开关（8）后进入第三1×2光纤耦合器（9）的一路入射端；泵浦补偿光信号依次经过带通滤波器（10）、第一掺铒光纤放大器（11）、第一光环形器（12）和第一光纤光栅（13）进行滤出高频边带光信号、放大、滤除由第一掺铒光纤放大器（11）引入的自发辐射噪声后进入第三1×2光纤耦合器（9）的另一路入射端；探测光信号和泵浦补偿光信号经过第三1×2光纤耦合器（9），入射到传感光纤（14）的一端；泵浦光信号先经过半导体光放大器（15），调制出差分脉冲对，然后依次经过第二掺铒光纤放大器（16）、第二光环形器（17）、第二光纤光栅（18）和第三光环形器（19）进行放大、滤除由第二掺铒光纤放大器（16）引入的自发辐射噪声、环行后进入传感光纤（14）的另一端；

（2）、将光开关（8）断开时，差分脉冲对作为泵浦光在传感光纤（14）中发生拉曼散射，携带温度信息的后向拉曼散射光经第三环形器（19）入射到波分复用器（20），波分复用器（20）将斯托克斯光和反斯托克斯光滤出，再分别入射至第一雪崩光电二极管（21）、第一信号放大器（24）和第二雪崩光电二极管（23）、第二信号放大器（25）后进入数据采集与处理系统（26）；其中高频的泵浦补偿光信号在传感光纤（14）中与反向泵浦光发生受激布里渊放大，在该过程中泵浦补偿光信号的能量转移给泵浦光，从而实现对泵浦光的同步在线放大；

将光开关（8）闭合时，差分脉冲对作为泵浦光与探测光在传感光纤（14）中发生受激布里渊散射，携带温度和应变信息的后向布里渊散射光经第三环形器（19）入射到波分复用器（20），波分复用器（20）将斯托克斯光滤出，入射至光电探测器（22）后进入数据采集与处理系统（26）；其中高频的泵浦补偿光信号在传感光纤（14）中与反向泵浦光发生受激布里渊放大，在该过程中泵浦补偿光信号的能量转移给泵浦光，从而实现对泵浦光的同步在线放大。