[實用新型]一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計系統

有效

• 申請號: 201320804436.7
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN203642943U
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 杜江兵;何祖源;樊昕昱;劉慶文;謝峰;馬麟
• 申請（專利權）人: 何祖源;上海正海資產管理有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01M11/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 邵驊

技術領域

本實用新型涉及電光調制、非線性光纖光學、分布式光纖傳感、光學反射計等技術領域，特別是涉及一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計系統。

背景技術

光纖傳感技術是伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。電子傳感器數十年來一直作為測量物理與機械現象的標準機制。盡管已受到廣泛應用，電子傳感器卻存在局限性，在許多應用中不夠安全、不切實際或無法使用。光纖的特點是絕緣、無源、不受電磁干擾產生的噪聲的影響，并且能在極少損失甚至不損失信號完整性的前提下遠距離傳輸數據。光纖傳感技術相比較于傳統的電子傳感技術，具有無可比擬的技術優勢，是近年來國際上迅速發展的高新技術之一。光纖傳感特別適合于分布式以及多點式的網絡化應用。

光纖分布反射計是分布式光纖傳感技術的核心，能夠對光纖進行非破壞性檢測，提供被測量參數沿光纖長度分布的各類細節。目前最具有代表性的光纖分布反射計是采用光脈沖技術的光時域反射計(Optical?Time?Domain?Reflectometer，OTDR)。該技術通過測試光纖反射、背向散射的分布來判斷光纖鏈路上的“事件點”，例如光纖鏈路中的熔接點、連接器、彎曲、斷裂等可以引起光傳輸特性變化的缺陷。OTDR技術的空間分辨率取決于測試光脈沖的寬度，而可用的光脈沖寬度則受限于光電探測器的頻率響應以及噪聲基底，實際空間分辨率很難達到一米以下。如果相鄰的“事件點”很接近，基于OTDR技術的光纖傳感器就無法給出準確的測試結果。

OTDR技術由于空間分辨率受到限制，不能滿足許多高端監測的需求。為了提高空間分辨率和測量敏感度等性能，背向散射法被應用于光頻域，研制出了光頻域反射計(Optical?Frequency?Domain?Reflectometer，OFDR)。OFDR系統的空間分辨率取決于光源的波長可調范圍，只要光源具有足夠寬的波長可調范圍，就能實現足夠高的空間分辨率。OFDR的高空間分辨率將使其更加廣泛地應用于眾多對測量精度有高要求的領域?[Opt.?Express?19,?19790-19796?(2011)]。可以通過光源內部調制或外部調制實現掃頻，內部調制掃描速度較慢并且可能出現非線性掃頻的情況，這將影響系統性能?[Electron.?Letters?33,?408-410?(1997)]。利用外部調制，比如通過射頻信號對窄線寬激光器進行單邊帶調制，得到線性掃頻的光信號，用于相應的OFDR系統，已經實現了長距離和高空間分辨率的線路檢測?[J.?Lightwave?Technol.?6,?3287-3294?(2008)]。然而，射頻掃頻信號的掃描范圍受限于電子元件，一般只能達到GHz量級。OFDR的高空間分辨率需要寬掃頻范圍，因此，研究新型的寬帶掃頻光源技術成為必要。

實用新型內容

本實用新型目的在于在OFDR系統中，為了克服光源內部調制速度較慢以及可能產生非線性掃頻等問題，可以使用光源外部調制如利用電光調制器進行單邊帶調制實現掃頻。但是由于受器件電子瓶頸的限制，射頻信號掃描頻率范圍有限，為了擴大掃頻范圍從而提高空間分辨率，本實用新型基于四波混頻的頻率啁啾放大效應，提供了一種提高掃頻帶寬的方法，從而得到高空間分辨率的光頻域反射計系統。

本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案：

一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計系統，包括掃頻光源系統、測試光路系統、接收機及信號處理系統；其特征在于：所述掃頻光源系統包括第一激光器、馬赫曾德爾調制器、射頻信號發生器、射頻放大器、環行器、光纖布拉格光柵、多個摻鉺光纖放大器、光濾波器、第二激光器和非線性介質；

所述第一激光器發出的窄線寬激光根據射頻信號發生器發出、射頻放大器放大的射頻信號并加載偏置電壓后連接到所述馬赫曾德爾調制器進行調制，形成一個擁有多邊帶的光梳；將得到的光梳導入連接了光纖布拉格光柵的環行器，反射回來的光波經過摻鉺光纖放大器放大和光濾波器濾波后作為泵浦光，與第二激光器產生的信號光通過非線性介質發生四波混頻過程；四波混頻產生的閑頻光再經過光學濾波器濾波和摻鉺光纖放大器放大后作為掃頻載波光源導入測試光路系統，與本地光發生干涉并最終由接收機接收，和信號處理系統處理。

其進一步特征在于：所述非線性介質為高非線性光纖或高非線性硅波導。

上述高非線性光纖長度不低于100m，光纖損耗不高于1dB/km，光纖的非線性系數不低與10/W/km。