[发明专利]基于光纤参量放大的分布式脉冲光放大器和放大及性能表征方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤参量放大的分布式脉冲光放大器，它包括泵浦脉冲光源、传感脉冲光源、同步设备、二合一光耦合器、光环形器、参量放大光纤、第一光滤波器、光电检测器和信号采集设备。本发明利用高功率脉冲光作为泵浦光，在光纤零色散波长附近产生光纤参量放大效应，实现对另一传感脉冲光的功率放大。同时，由于泵浦脉冲光存续时间段以外的低功率漏光无法实现有效的光纤参量放大，因此传感脉冲光的漏光不会被放大，因而能同时达到放大脉冲消光比的效果。

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，具体地指一种基于光纤参量放大的分布式脉冲光放大器和放大及性能表征方法。

背景技术

光纤具有现场无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、恶劣环境适应性强、信号传输损耗低、传输过程安全性高、可以在一根光纤中集成数万个传感单元等特性，因此特别适用于对超大型、长线型结构或装备的长期不间断监测，如高速铁路、油气管道、城市管网等；以及对信息安全要求高、环境恶劣的关键领域，如国防军事、航空航天、电力工业等。

在分布式光纤传感中，不仅要实现对温度、应变、振动等环境物理量的测量，还要能进行信号定位，而其中目前应用最广泛的是光时域反射(Optical time-domainreflectometry，OTDR)技术：以脉冲光作为输入，利用背向传输的传感信号返回输入端的时间反演计算传感点位置而实现传感信号定位。由于传感信号依赖于输入的脉冲光产生，因此当光纤损耗和环境噪声使得长距离传输后的脉冲功率衰减、消光比下降时，就会引起传感信号信噪比劣化，导致传感精度下降。从光纤本身出发，可以通过增强散射效率来提高传感信号的信噪比。然而，增强散射必然导致光纤传输损耗上升，限制光纤传输距离。采用光纤光栅阵列增强信号反射率同样可以提高传感信号信噪比。但是这类方法还会造成信号串扰，也会限制传输距离。提高输入脉冲消光比是另一种提升信噪比的方法，主要靠采用具有更高消光比的光调制器或多级光调制器实现。这一方法的主要缺陷在于系统复杂、能耗高，也并不能从根本上解决光纤传输引起的功率衰减和消光比下降问题。第三种方法是进行分布式放大，利用包括受激布里渊散射和受激拉曼散射在内的光纤非线性散射效应产生的放大作用实现传感脉冲的放大。这类方法信号放大效果显著，但是不仅对脉冲本身有放大效果，也会放大非脉冲存续区间本应无光、但实际上有微弱漏光的区域，造成脉冲消光比下降，最终导致传感信号信噪比下降。可以看到，现有方法均不能达到同时对脉冲功率和消光比进行分布式放大的效果。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于光纤参量放大的分布式脉冲光放大器和放大及性能表征方法，本发明利用高功率脉冲光作为泵浦光，在光纤零色散波长附近产生光纤参量放大效应，实现对另一传感脉冲光的功率放大。同时，由于泵浦脉冲光存续时间段以外的低功率漏光无法实现有效的光纤参量放大，因此传感脉冲光的漏光不会被放大，因而能同时达到放大脉冲消光比的效果。

为实现此目的，本发明所设计的基于光纤参量放大的分布式脉冲光放大器，它包括泵浦脉冲光源、传感脉冲光源、同步设备、二合一光耦合器、光环形器、参量放大光纤、第一光滤波器、光电检测器和信号采集设备，其中，泵浦脉冲光源和传感脉冲光源的输出经由二合一光耦合器合路后进入光环形器的第一通信端，由光环形器的第二通信端输出后进入参量放大光纤；同步设备用于保证泵浦脉冲光源输出的泵浦脉冲光和传感脉冲光源输出的传感脉冲光在脉冲时间上同步，信号采集设备用于对同步设备进行脉冲同步触发信号采集，参量放大光纤中的瑞利散射效应使泵浦脉冲光和传感脉冲光产生与脉冲传输方向相反的散射光，与脉冲传输方向相反的散射光经光环形器的第二通信端输入后由光环形器的第三通信端输出，经第一光滤波器后仅保留传感脉冲散射光信号，光电检测器用于对传感脉冲散射光信号进行光电转换，信号采集设备用于根据脉冲同步触发信号对传感脉冲散射光电信号进行采集，并根据传感脉冲散射光电信号获得随参量放大光纤长度变化的信号功率以及信噪比，通过调节泵浦脉冲光源的泵浦脉冲功率和波长以及传感脉冲光源的传感脉冲功率和波长，使随参量放大光纤长度变化的信号功率和信噪比均达到对应的信号功率和信噪比预设值。

本发明的有益效果：