[发明专利]基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置

说明书

技术领域

本发明涉及布里渊光时域反射计的装置。

背景技术

布里渊散射是一种非弹性散射效应，当一束泵浦光正向入射到光纤中时，光纤中的背向自发布里渊散射包含上频移的反斯托克斯成分和下频移的斯托克斯成分，它们对称分布在泵浦光频率的两侧，它们与泵浦光之间的频率差称之为布里渊频移。研究发现布里渊频移是温度和应变的函数，也就是说光纤所处的环境温度和所受应变发生变化会导致布里渊频移变化，因此通过测量布里渊光谱可以实现温度和应变的测量。

布里渊光时域反射计（BOTDR）可以实现光纤上任意位置的布里渊光谱的测量，从而实现分布式光纤温度/应变传感，它可以应用于土木工程行业中大型建筑物的结构健康监测、电力行业中电缆温度和受力监测、油气工业中油气管线和存储罐的温度和变形监测以及各种火灾监测等。布里渊光时域反射计的工作原理是把一个泵浦脉冲光注入到传感光纤中，通过测量背向的自发布里渊散射来获得传感光纤每个位置上的布里渊光谱，定位原理是根据泵浦脉冲光和背向散射光的飞行时间来确定的。因为自发布里渊散射强度非常微弱，所以如何检测如此微弱的信号是实现布里渊光时域反射计的难点。为了提高检测灵敏度，一般采用相干检测技术，为此需要引入一束本地振荡光与布里渊散射信号进行混频。如果采用分出一部分泵浦光作为本地振荡光的话，那么混频后的信号频率大约为十几GHz，为了对这个信号进行处理需要价格昂贵且结构复杂的频率为十几GHz左右的微波信号发生器。中国专利201010505382.5提出采用布里渊光纤环形激光器输出的激光作为本地振荡光，由于布里渊激光的频率比泵浦光低一个布里渊频移，因此混频后的信号频率可以从十几GHz左右降到几百MHz，降低了信号处理难度，然而布里渊光纤环形激光器的输出不稳定，而且输出频率不能调谐，导致测量精度低和针对不同的传感光纤适应性差的问题。

中国专利201010604834.5提出采用微波计数器锁定两台分布反馈式半导体激光器，其中一台作为泵浦光，另一台激光器的频率锁定到布里渊散光频率附近，这样就可以把信号从十几GHz左右降到几百MHz来处理，虽然微波计数器可以实现两台激光器稳定的频率锁定，然而微波频率计数器的价格仍然较高、结构复杂、体积较大。

此外，以上两个专利中本地振荡光的频率都是固定的，因此在电信号处理的时候需要中心频率可调的电滤波器来实现布里渊光谱的扫描和测量，存在电信号处理复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有布里渊光纤环形激光器的输出不稳定且输出频率不能调谐，导致测量精度低；本地振荡光的频率固定，在电信号处理的时候需要中心频率可调的电滤波器来实现布里渊光谱的扫描和测量，存在电信号处理复杂的问题，提供一种基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置。

基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，它由一号激光器、二号激光器、一号光纤耦合器、二号光纤耦合器、三号光纤耦合器、四号光纤耦合器、锁相环模块、电光调制器、扰偏器、环形器、光学衰减器、一号掺铒光纤放大器、二号掺铒光纤放大器、光学滤波器、双平衡探测器、带通电滤波器、数据采集模块、探测放大模块和脉冲发生器组成，一号激光器的输出端与一号光纤耦合器的光信号输入端连通，一号光纤耦合器的光信号输出端同时与电光调制器和三号光纤耦合器的光信号输入端连通，二号激光器的输出端与二号光纤耦合器的光信号输入端连通，二号光纤耦合器的光信号输出端同时与光学衰减器和三号光纤耦合器的光信号输入端连通，三号光纤耦合器的光信号输出端与探测放大模块的光信号输入端连通，探测放大模块的电信号输出端与锁相环模块的电信号输入端连通，锁相环模块的控制信号输出端与二号激光器的注入电流控制端连通，脉冲发生器的脉冲信号输出端与电光调制器的脉冲信号输入端连通，电光调制器的光信号输出端与扰偏器的光信号输入端连通，扰偏器的光信号输出端与一号掺铒光纤放大器的光信号输入端连通，环形器包括一号光信号端口、二号光信号端口和三号光信号端口，一号掺铒光纤放大器的光信号输出端与环形器的一号光信号端口连通，环形器的三号光信号端口与二号掺铒光纤放大器的光信号输入端连通，环形器的二号光信号输出/输入端口与待测光纤的输入/输出端连通；二号掺铒光纤放大器的光信号输出端与光学滤波器的光信号输入端连通，光学滤波器的光信号输出端与四号光纤耦合器的一个光信号输入端连通，光学衰减器的光信号输出端与四号光纤耦合器的另一个光信号输入端连通，四号光纤耦合器的二个输出端分别与双平衡探测器的二个光信号输入端连通，双平衡探测器的信号输出端与带通电滤波器的信号的输入端连通，带通电滤波器的信号输出端与数据采集模块的采集信号输入端连通。