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1、(10)申请公布号 CN 102607451 A (43)申请公布日 2012.07.25 CN 102607451 A *CN102607451A* (21)申请号 201210064166.0 (22)申请日 2012.03.12 G01B 11/16(2006.01) G01K 11/32(2006.01) (71)申请人 南京大学 （苏州） 高新技术研究院 地址 215123 江苏省苏州市工业园区仁爱路 150 号 申请人 南京大学 (72)发明人 路元刚 赵晓东 张旭苹 王峰 李密 (74)专利代理机构 南京天翼专利代理有限责任 公司 32112 代理人 汤志武 (54) 发明名称 。
2、波长扫描型布里渊光时域反射仪 (57) 摘要 基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布 里渊光时域反射仪， 包括波长可调节窄线宽激光 光源(01)、 耦合器(02)、 脉冲调制单元(03)、 环形 器 (04)、 光纤 (05)、 扰偏器 (06)、 耦合器 (07)、 探 测器(08)、 微波信号源(09)、 混频器(10)、 窄带低 通滤波器 (11)、 信号采集处理单元 (12) ； 波长可 调节窄线宽激光光源产生的激光经耦合器输出两 路， 一路被脉冲调制单元调制成探测脉冲光， 然后 所述探测脉冲光通过环形器注入光纤以激发自发 布里渊散射光 ； 耦合器输出的另一路作为本振参 考光， 经过扰。
3、偏器与自发布里渊散射光通过耦合 器相耦合叠加 ； 所述耦合叠加的光经用于光电转 换的探测器。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反射仪， 其特征是包括波 长可调节窄线宽激光光源 (01)、 耦合器 (02)、 脉冲调制单元 (03)、 环形器 (04)、 光纤 (05)、 扰偏器 (06)、 耦合器 (07)、 探测器 (08)、 微波信号源 (09)、 混频器 (10)、 窄。
4、带低通滤波器 (11)、 信号采集处理单元(12) ； 波长可调节窄线宽激光光源(01)产生的激光经耦合器(02) 输出两路， 一路被脉冲调制单元 (03) 调制成探测脉冲光， 然后所述探测脉冲光通过环形器 注入光纤以激发自发布里渊散射光 ； 耦合器 (02) 输出的另一路作为本振参考光， 经过扰偏 器 (06) 与自发布里渊散射光通过耦合器 (07) 相耦合叠加 ； 所述耦合叠加的光经用于光电 转换的探测器 (08)， 在探测器 (08) 射频输出口得到自发布里渊散射光与本振参考光的相 干电信号 ； 所述相干电信号与固定频率的微波信号源 (09) 发出的微波信号一道接入混频 器(10)， 然。
5、后混频器(10)的输出经滤除高频成分的窄带低通滤波器(11)， 窄带低通滤波器 (11) 输出到信号采集处理单元 (12)， 得到相干电信号的功率位置曲线。 2. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是调节激光光源以改变入射光波长， 波长调节范围达到 20nm 以上。 3. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是保持激光光源输出功率不变， 分别得到不同入射光波长下 的功率曲线， 各个位置处的波长功率曲线用洛伦茨函数拟合， 得到的中心波长对应的布里 渊频移即为微。
6、波信号源的固定频率。 4. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是根据标定的传感光纤的频移波长系数， 计算某个确定波长 下的布里渊功率谱参数， 最终完成对光纤沿线温度应变的传感。 5. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是在某入射波长左右一定范围内， 当温度与应变确定时， 布里 渊频移与波长成线性关系。 6. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是基于自外差相干检测方式， 采用波长可调节窄线。
7、宽激光光 源。 7. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是按照一定的波长间隔， 依次获得相干电信号在某个固定电 频率下的功率曲线， 组成波长功率谱的位置分布图。 8. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪功率谱扫描方式， 其特征是激光光源波长调节范围能保证相干电信号功率谱在频率轴 上平移至少 100MHz， 从而获取完整的布里渊功率谱。 9. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪， 其特征是所述波长可调节窄线宽激光光源 (01) 可集成式。
8、可调谐激光光源， 或是固定 波长激光光源加上波长转换单元。 10. 根据权利要求 1 所述的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反 射仪， 其特征是波长调节范围是 1530nm-1565nm C 波段的子集， 线宽需小于 1MHz。 权 利 要 求 书 CN 102607451 A 2 1/3 页 3 波长扫描型布里渊光时域反射仪 技术领域 0001 本发明涉及一种波长扫描型布里渊光时域反射仪， 属于光纤传感领域。 背景技术 0002 通过测量脉冲光在光纤沿线激发的后向自发布里渊散射光， 布里渊光时域反射仪 (BPTDR) 可获得光纤各位置对应的布里渊功率谱信息， 从而实现对温度、。
9、 应变的分布式传 感。基于自外差相干检测的布里渊光时域反射仪 (BOTDR) 将宽带布里渊信号降频后检测， 得到的电信号的功率谱与布里渊信号的光功率谱相比， 形状相同且强度成正比。由于布里 渊功率谱带宽较大 ( 普通单模光纤的布里渊功率谱带宽为几十 MHz)， 为了实现对布里渊功 率谱的测量， 常使用功率谱扫描法。 0003 目前的功率谱扫描法主要有两类 ： 光频差扫描法与电频扫描法。 0004 1、 光频差扫描法。这类方法在 K.Shimizu， T.Horiguchi， Y.Koyamada et al Coherent self-heterodyne Brillouin OTDR for。
10、 measurement of Brillouin Frequency Shift distribution in optical fibers ， J.Lightwave Technol， 1994， 12， 730736.等 文献中被阐述。通过声光调制器、 电光相位调制器以及电光强度调制器等光学移频器件来 调节探测脉冲光或本振参考光的频率， 使布里渊功率谱的不同频率成分被降频到某个固定 频率并被探测， 从而得到被测光纤各个位置的布里渊功率谱。这种探测方式是在高频探测 器尚未普及实用化时的一种替代方法， 其光学结构复杂， 引入的光学移频器件的频率调节 精度不高， 稳定性差， 往往需要额外的控。
11、制手段使其稳定工作。另外， 由于本振参考光自拍 频噪声与信号频率接近， 系统信噪比受到影响。 0005 2、 电频扫描法。使用高频探测器获取完整的相干信号， 然后应用超外差接收机探 测各频率对应的功率信息， 实现功率谱扫描。电频扫描相对于光频差扫描， 具有结构简单、 稳定性高的优点， 另外， 由于相干信号频率远离低频段， 消除了本振参考光自拍频噪声的影 响。但这种方法对探测器增益的平坦性要求较高。 0006 本发明提出一种新型的基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域 反射仪。 发明内容 0007 本发明目的是 ： 提出基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时域反射 仪及此布里渊。
12、光时域反射仪使用的功率谱扫描方式， 兼具已有功率谱扫描型布里渊光时域 反射计的优点， 光路结构简单稳定， 消除本振参考光自拍频噪声影响， 后端处理的电信号频 率不变， 简化了处理方式， 并避免探测器增益不平坦的影响。 0008 本发明的技术解决方案是 ： 基于布里渊频移波长依赖性的波长扫描型布里渊光时 域反射仪， 如图1所示， 包括波长可调节窄线宽激光光源01、 耦合器02、 脉冲调制单元03、 环 形器 04、 光纤 05、 扰偏器 06、 耦合器 07、 探测器 08、 微波信号源 09、 混频器 10、 窄带低通滤 波器 11、 信号采集处理单元 12 ； 波长可调节窄线宽激光光源 01。
13、 产生的激光经耦合器 02 输 说 明 书 CN 102607451 A 3 2/3 页 4 出两路， 一路被脉冲调制单元03调制成探测脉冲光， 然后所述探测脉冲光通过环形器04注 入光纤05以激发自发布里渊散射光 ； 耦合器02输出的另一路作为本振参考光， 经过扰偏器 06 与自发布里渊散射光通过耦合器 07 相耦合叠加 ； 所述耦合叠加的光经用于光电转换的 探测器 08， 在探测器 08 射频输出口得到自发布里渊散射光与本振参考光的相干电信号 ； 所 述相干电信号与固定频率的微波信号源 09 发出的微波信号一道接入混频器 10， 然后混频 器 10 的输出经滤除高频成分的窄带低通滤波器 1。
14、1， 窄带低通滤波器 11 输出到信号采集处 理单元 12， 得到相干电信号的功率位置曲线。 0009 调节激光光源 01 以改变入射光波长， 波长调节范围达到 20nm 以上。 0010 保持激光光源输出功率不变， 分别得到不同入射光波长下的功率曲线， 各个位置 处的波长功率曲线用洛伦茨函数拟合， 得到的中心波长对应的布里渊频移即为微波信号源 的固定频率。 0011 根据标定的频移波长系数， 计算某个确定波长下光纤各个位置处的布里渊功率谱 参数， 最终完成对光纤沿线温度应变的传感。 0012 布里渊光时域反射仪功率谱扫描方式 ： 即基于布里渊频移波长依赖性的布里渊功 率谱扫描方式 ： 包括如。
15、下特征 ： 0013 在某入射波长左右一定范围内， 当温度与应变确定时， 布里渊频移与波长成线 性关系。 0014 基于自外差相干检测方式， 采用波长可调节窄线宽激光光源。 0015 按照一定的波长间隔， 依次获得相干电信号在某个固定电频率下的功率曲线， 组成波长功率谱的位置分布图。 0016 激光光源波长调节范围能保证相干电信号功率谱在频率轴上平移至少 100MHz， 以获取较完整的布里渊功率谱。 0017 所述波长可调节窄线宽激光光源 01 可以是集成式可调谐激光光源， 也可以是固 定波长激光光源加上波长转换单元。通常波长可调节范围需是 C 波段 (1530nm-1565nm) 的 子集，。
16、 线宽需小于 1MHz。 0018 所述光脉冲产生单元 03 可以是电光调制器， 也可以是声光调制器， 可以是单个调 制器也可以由多个调制器组成。 0019 所述扰偏器 06 可以是有源的也可以是无源的。 0020 所述探测器 08 可以是平衡探测器， 也可以是其他类型的探测器。 0021 所述信号采集处理单元 12 可以是数字信号处理器， 也可以由采集卡与计算机组 成。 0022 本发明的有益效果是 ： 与原有功率谱扫描型布里渊光时域反射计相比， 通过改变 功率谱扫描方式， 兼具传统方案的优点。 光路结构简单稳定， 消除本振参考光自拍频噪声影 响， 后端处理的电信号频率不变， 简化了处理方式。
17、， 并避免探测器增益不平坦的影响。 附图说明 0023 图 1 是本发明的布里渊光时域反射仪的结构示意图。 0024 图 2 是本发明中波长扫描原理示意图。 0025 图 3 是本发明具体实施例的装置原理图。 说 明 书 CN 102607451 A 4 3/3 页 5 0026 图 4 是本发明具体实施例的三维布里渊功率谱测量结果。 0027 图 5 是本发明具体实施例的布里渊频移测量结果。 具体实施方式 0028 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明和描述。 0029 实施例一 ： 0030 如图 2(a) 所示， 当入射波长为 P时， 从光纤某一位置返回的自发布里渊散射信 号来看。
18、， 相干后电信号功率谱呈现洛伦茨形状， 其中心频率为布里渊频移 vB， 观测功率谱上 频率 vL对应的功率。如图 2(b) 所示， 线性改变入射波长时， 电信号功率谱相应地在频率轴 上线性移动， 重复上述测量过程， 可实现对功率谱的扫描。一个波长对应了一个功率值， 功 率波长曲线呈洛伦茨形状， 拟合得到功率曲线半高宽 与中心波长 ， 该波长下的布 里渊频移 vB( ) 即为 vL。由布里渊频移与波长的线性关系， 可获知线性范围内任一确定 波长 对应的布里渊功率谱， 布里渊频移为 vB() vB( )+C*(- )， 其中 C 为 频移波长系数， 而布里渊功率谱带宽为 v /C。C 的具体取值与。
19、所用光纤自身特性 有关， 需事先与频移温度系数以及频移应变系数一起进行标定。光纤沿线任意位置均满足 上述条件， 从而可以得到某特定波长 时光纤沿线的布里渊功率谱分布， 最终实现温度、 应变测量。 0031 如图 3 所示， 可调谐激光器输出的连续光被分为探测光与本振参考光。该可调谐 激光器的波长可调范围为 1460nm 1580nm， 线宽为 700kHz。探测光被两个串联电光调制 器(电光调制器1和电光调制器2)调制成高消光比的探测脉冲光， 脉宽50ns， 对应了5m的 空间分辨率。探测脉冲光经由掺铒光纤放大器放大后通过环形器进入传感光纤， 在光纤沿 线产生自发布里渊散射光。光纤总长 23.。
20、4km， 末端 52m 被置于恒温箱中加热。经标定该光 纤波长频移系数为 -6.9MHz/nm。本振参考光为连续光， 扰偏器用来降低偏振噪声的影响。 参考光与自发布里渊散射光通过耦合器相叠加， 然后被带宽 12GHz 的平衡探测器光电转换 为电信号。频谱仪工作在 “zero-span” 模式， 测量频率 10.85GHz 处的功率曲线。波长从 1540nm 调节到 1565nm， 调节步进为 1nm， 探测得到各个波长下对应的功率曲线， 组成三维布 里渊功率谱， 如图 4 所示。对三维布里渊功率谱数据进行处理最终得到布里渊频移位置曲 线， 如图 5 所示， 加温段被成功探测， 温度测量精度达到 2.2， 空间分辨率为 5m。 说 明 书 CN 102607451 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102607451 A 6 2/2 页 7 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102607451 A 7 。