[發明專利]一種基于無源中繼放大的遠距離相位敏感光時域反射儀

在審

• 申請號: 201710312951.6
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107192439A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 封皓;沙洲;施羿;嚴雪瑩;曾周末
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李林娟

技術領域

本發明涉及光時域反射儀領域，尤其涉及一種基于單端操作、且無須遠端供能的摻餌光纖中繼遠距離分布式振動探測系統。

背景技術

分布式光纖傳感技術近年來受到廣泛的關注和研究。其中，相位敏感的光時域反射儀因其超遠的探測距離，超高的靈敏度，較高的頻率響應，以及多點同時探測和定位能力而頗受矚目。相位敏感的光時域反射儀主要應用于管道安全預警，周界安防，結構健康監測等需要進行大規模監測和傳感的領域。由于光纖本身的無源衰減和光纖中較低的非線性光學效應閾值，的探測距離遇到了瓶頸，使得其應用受到了限制。為了增加系統的探測距離，文獻中主要通過兩類方法進行探測距離的提升。

第一類方法：在探測光纖的發射端使用摻餌光纖放大器(EDFA)提升發射探測脈沖的峰值功率，或在光纖接受端使用EDFA放大瑞利后向散射信號。

但是這種方法由于無法在脈沖傳播過程中進行能量補充，沒有改變探測脈沖功率隨著傳播單調衰減的缺點，因而只能在一定程度上提升探測距離，無法突破當前的瓶頸。

第二類方法：基于分布式放大。這其中包括：分布式布里淵放大，分布式拉曼放大，分布式高階拉曼放大，以及結合了二者的分布式混合放大。此類方法可以有效的對探測脈沖的能量損耗進行補充，并且已被證明可以有效的延長系統的探測距離，其最高的探測距離可以超過100km。

但是此類方法存在如下若干缺點：

(1)基于分布式放大的長距離系統通常需要雙端操作，即其需要在傳感光纖的兩端加泵浦光。尤其是那些使用分布式布里淵放大的系統，由于受激布里淵散射只能產生在與泵浦方向相反的方向，因此必須要求雙端操作。雙端操作無可避免的提升了系統的復雜度，操作難度，維護成本，以及易實施性等。

(2)由于受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)對環境變量，如溫度，應變等敏感，因此基于這兩種非線性效應的分布式放大，其過程本質上是不穩定的。如果溫度或者應變存在明顯的漂移，分布式放大的過程會給被放大信號引入嚴重的外加噪聲。

發明內容

本發明提供了一種基于無源中繼放大的遠距離相位敏感光時域反射儀，本發明在簡化系統復雜度的同時，以更高的可行性實現系統探測距離的提升，并可以在單端操作模式下工作，詳見下文描述：

一種基于無源中繼放大的遠距離相位敏感光時域反射儀，包括：1550nm超窄線寬激光器產生連續光，經聲光調制器、第一摻餌光纖放大器進行功率放大；

放大后脈沖光經1550nm光環形器、1550nm/1480nm波分復用器注入光纖；1480nm的光纖耦合泵浦光源，泵浦光經波分復用器的1480nm端注入光纖；

光纖中的背向散射光經波分復用器后進入環形器，經第二個摻餌光纖放大器進行功率放大，放大后的瑞利后向散射光被另一環形器和光纖布拉格光柵構成的濾波器濾波，濾掉第二個摻餌光纖放大器的自發輻射噪聲、以及殘存的1480nm泵浦光的后向散射光；

濾波后的瑞利后向散射光進入PIN光電探測器，相應的光信號經采集卡采集后存入電腦進行后續的數據分析；

所述光纖由一段50km的標準單模光纖、一段10m的摻餌光纖、以及一段25km的標準單模光纖構成；實現了75km的探測距離。

其中，所述50km和25km的標準單模光纖為傳感光纖，10m的摻餌光纖為增益光纖。

其中，所述標準單模光纖為：sm28e標準單模光纖。

其中，所述1550nm超窄線寬激光器為100Hz的NKT超窄線寬激光器。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

1.基于單端光脈沖發射及信號接收的架構實現了系統探測距離的提升；

2.避免了傳統中繼技術中需要在傳感區域(通常為野外環境)中額外建造供電設施提供泵浦能量的麻煩，極大地提升了系統的可行性和易操作性，降低了維護成本；

3.本發明結構簡單，僅需增加一個1480nm泵浦光源，一個1550nm/1480nm的波分復用器、以及一段10m長的摻餌光纖。相比于基于分布式布里淵放大和分布式拉曼放大的分布式放大手段，具有非常簡單的系統結構和非常低的成本；

4.本發明實現了單端操作架構下75km的探測距離，是目前為止單端操作模式中最遠的探測距離。

附圖說明

圖1為基于的分布式振動探測系統的結構示意圖；

圖2為不開泵浦和開泵浦條件下的瑞利散射曲線(RBS)的示意圖；

圖3為空頻能量分布的示意圖；