[发明专利]一种基于超导纳米线单光子探测器的自发布里渊散射光时域反射仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超导纳米线单光子探测器的自发布里渊散射光时域反射仪，主要应用于光纤传感网技术领域。

背景技术

在目前全分布式光纤传感技术中，基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术能够实现对光纤中的温度和应变的长距离连续分布式测量，可应用于大型建筑、公路、隧道、桥梁、大坝、通信光缆、油气管道等健康状况的监测和测量，有着广阔的应用前景。基于自发布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)相对于其他分布式光纤传感器，具有单端进行传感测量和能对温度和应变同时传感的优点。光纤中的布里渊散射是一种非弹性散射，源于入射光的部分光子与光纤介质的声学声子相互作用。布里渊散射光的强度和频移受光纤所处环境的温度和应力影响，所以通过测量背向布里渊散射信号的强度或频移就可以得到光纤的温度和应变的分布情况。传统BOTDR系统对布里渊散射信号的探测方法相干探测和直接探测两种。直接探测的原理为直接通过解调背向布里渊散射信号强度进行传感的BOTDR采用了光时域反射(OTDR)技术，即向光纤中耦合进一个光脉冲, 通过接收到反射信号与发射光脉冲之间的时间差来确定空间位置,通过直接测量背向布里渊散射信号的强度或测定布里渊散射和瑞利散射信号的强度比(Landau-Placzek ratio)来解调出沿光纤相应位置的温度、应变信息。P.C. Wait等于1996年报道了该方法(P.C. Wait, T.P. Newson, “Landau Placzek  ratio  applied  to distributed  fibre  sensing”, Optics Communications, 1996, 122: pp. 141-146)。对BOTDR而言，虽然具有便捷的单端测量的优点，但由于利用的自发布里渊散射光强微弱，传统探测器测量的信噪比较低，检测困难。 BOTDR系统的空间分辨率受探测脉冲宽度和探测器的带宽限制，要提高空间分辨率必须提高减小探测脉冲宽度并且增加探测器的带宽，而模拟探测器带宽越宽，等效噪声功率值越大，即可探测到的最小功率越大，因此系统的空间分辨率和温度、应变的分辨率难以同时提高。

传统的自发布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)由于采用的是模拟探测器，受到模拟探测器等效噪声功率(NEP)和带宽的限制，对微弱的背向布里渊散射信号的探测能力有限，因此传统基于模拟探测器的BOTDR系统难以同时实现大动态范围，高空间分辨率和高应变/温度测量精度的测量。

目前，国外采用模拟探测器的BOTDR系统已有商业产品，这些产品采用相干探测的探测方法，也有一些相关的专利资料，但是没有发现将超导纳米线单光子探测器应用于BOTDR系统的专利资料和文献。超导纳米线单光子探测器是一种新型的光电探测器，具有低的抖动时间(典型值为50ps)和超低的等效噪声功率(典型值为NEP ≈10^-18WHz^-1/2，比模拟探测器小3-4个数量级)，因此，理论上将超导纳米线单光子探测器作为BOTDR系统的探测单元并采用光子计数技术，可以提高系统的灵敏度，可以同时提高BOTDR系统的空间分辨率和测量精度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于超导纳米线单光子探测器的自发布里渊散射光时域反射仪，用于同时提高BOTDR系统的空间分辨率和测量精度。

为实现本发明的目的，本发明采取以下技术方案：由光脉冲产生单元发出的光脉冲经环形器耦合进传感光纤，从传感光纤散射回的后向散射光经光滤波单元滤除瑞利散射光后得到布里渊散射光，由超导纳米线单光子探测单元探测背向散射光信号，最后从探测单元输出的电信号由数据采集处理单元对信号进行采集和处理，通过一定的解调关系给出结果。与目前已有研究的BOTDR系统不同之处在于，本发明所述的BOTDR系统采用了等效噪声功率(NEP)低和无带宽限制的超导纳米线单光子探测器作为探测单元，并采用了单光子计数技术进行数据采集和处理。

所述基于超导纳米线单光子探测器的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征是所述光脉冲产生单元由窄线宽激光器发射探测光，经偏振控制器后由经脉冲发生器控制的具有高消光比的电光调制器调制成一定脉宽的光脉冲信号，调制频率视传感光纤长度而定。

所述基于超导纳米线单光子探测器的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征是所述光脉冲产生单元也可以是能产生脉冲宽度满足要求的窄线宽脉冲激光器。

所述基于超导纳米线单光子探测器的自发布里渊散射光时域反射仪，其特征是用于传感的光纤一般是标准的单模光纤，也可以是其他类型的单模光纤。