[发明专利]基于随机激光放大和散射增强光纤的分布式声波传感系统

说明书

本发明公开了基于随机激光放大和散射增强光纤的分布式声波传感系统，涉及光纤分布式声波传感领域；系统包括光纤分布式声波传感解调单元、高阶随机激光放大单元及散射增强光纤。本发明采用高阶随机激光放大技术代替传统高阶分布式拉曼放大技术，无需使用多个不同波长泵浦，仅需一个高阶随机光纤激光器及宽带反射镜为级联随机激光提供反馈即可实现对信号光的分布式放大；采用高阶随机激光泵浦结合散射增强光纤，可显著提高随机激光和信号光的后向散射强度，使得本发明可在实现高效率、低阈值随机激光放大的同时，提高放大后脉冲光的后向散射光功率，进一步提高DAS系统的探测信号光信噪比及性能，从而实现长距离、高性能的分布式声波传感。

技术领域

本申请涉及光纤分布式传感领域，尤其涉及基于随机激光放大和散射增强光纤的分布式声波传感系统。

背景技术

光纤分布式声波传感（DAS，distributed acoustic sensing）技术基于相位敏感型光时域反射仪（Ф-OTDR，phase-sensitive optical time-domain reflectometry）、相干光时域反射仪（COTDR，coherent optical time-domain reflectometry）或光频域反射仪（OFDR，optical frequency-domain reflectometry）原理，通过解调光纤中的后向瑞利散射信号光的相位或频率信息可对外界声波信息进行定位及定量还原。DAS技术作为目前光纤传感领域的主流发展方向，具有高可靠性、高灵敏度、大动态范围、高采集密度、高采集效率、低成本、易于布放、耐高温高压、抗电磁干扰等突出特点，已成为新一代的声波传感技术，已广泛应用于周界安防监测、油气勘探开发、管道安全监测、海底地震监测等多个领域，给这些领域正在带来革命性的变化。

在国境线安防监测、油气管道安全监测及海底地震监测等实际应用中，长距离、高性能的无中继光纤分布式传感技术极为重要。然而，一方面，现有长距离DAS技术的传感性能由于光纤传输损耗累积的影响而仍然有限；另一方面，基于标准单模光纤的长距离DAS系统由于后向瑞利散射信号光功率很弱，所以传感性能严重受限；最后，DAS信号在放大过程中受非线性效应的限制，一阶泵浦光对信号光提供的增益有限，导致其传感性能受限。

发明内容

本申请实施例的目的是提供基于随机激光放大和散射增强光纤的分布式声波传感系统，以解决相关技术中存在的DAS系统在长距离传感应用中后向瑞利散射信号光功率很弱而带来的传感性能受限的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于随机激光放大和散射增强光纤的分布式声波传感系统，包括光纤分布式声波传感解调单元、高阶随机激光放大单元及散射增强传感光纤，所述高阶随机激光放大单元包括高阶随机光纤激光器、可调衰减器、反射镜及波分复用器，光纤分布式声波传感解调单元输出的脉冲光通过波分复用器的反射端注入散射增强传感光纤作为探测信号光，高阶随机光纤激光器输出的泵浦光经波分复用器的透射端注入散射增强传感光纤后，高阶随机光纤激光器和反射镜在散射增强传感光纤中形成泵浦结构，通过受激拉曼散射增益与分布式后向反馈共同作用，产生级联随机激光，产生的级联随机激光作为直接泵浦对所述脉冲光进行分布式放大，放大后的脉冲光产生的增强后向散射信号光返回到光纤分布式声波传感解调单元，对所述增强后向散射信号光进行解调，实现高信噪比、长距离分布式声波传感。

进一步地，所述光纤分布式声波传感解调单元通过Ф-OTDR、COTDR或OFDR解调原理对所述增强后向散射信号光进行解调。

进一步地，所述散射增强传感光纤采用连续或间隔飞秒激光刻写方法实现全波段散射增强，或采用连续或间隔光纤布拉格光栅写入方法实现特定波段散射增强。

进一步地，所述高阶随机光纤激光器的输出功率500mW，相对强度噪声-115dB/Hz。

进一步地，所述高阶随机光纤激光器结合可调衰减器可实现泵浦功率任意可调输出。