多波長自外差檢測布里淵光時域反射系統

李曉娟,李永倩,張立欣

(華北電力大學電子與通信工程系,河北保定071003)

多波長自外差檢測布里淵光時域反射系統

李曉娟,李永倩,張立欣

(華北電力大學電子與通信工程系,河北保定071003)

為了減小相干瑞利噪聲,提出了一種多波長瑞利和布里淵自外差檢測布里淵光時域反射系統。分析了相位調制產生多波長探測光的機理及三波長系統的自外差檢測原理;搭建單波長和三波長自外差檢測布里淵光時域反射系統,獲得了沿光纖的自外差信號功率和布里淵頻移。實驗結果表明,相對于單波長系統,三波長系統有效地減小了相干瑞利噪聲引起的功率波動,信噪比提高近4.56 dB;布里淵頻移波動的均方根誤差降低2.2 MHz。

光纖光學;多波長探測光;自外差檢測;布里淵頻移;功率

0 引言

自1989年以來,布里淵光纖傳感技術得到了廣泛研究[1-2]。其中,BOTDR(布里淵光時域反射)傳感系統利用背向SPBS(自發布里淵散射)的頻移和強度與溫度和應變的線性關系,結合光時域反射脈沖定位技術,可實現對溫度和應變的同時測量,在電力、石油和水利等方面具有廣闊的應用前景[3]。

SPBS信號的檢測方式包括直接檢測和外差檢測。直接檢測一般采用高精度光學濾波器[4-5],但由于信號功率較低,布里淵頻移較小,故檢測較為困難;且干涉儀易受外界環境影響,測量精度較低。為了提高信噪比和測量精度,通常采用本地外差和自外差方式對SPBS信號進行檢測。Maughan S M等利用本振光和布里淵散射光外差的方式[2],在30 km光纖上實現了空間分辨率為20 m、溫度和應變分辨率分別為4℃和100με的同時測量;李存磊等采用窄譜激光器和相位調制產生多波長光源[6],利用三波長同源外差BOTDR系統使信噪比提高了4.2 d B;常天英等提出瑞利和布里淵散射自外差方案[7],采用窄譜光源和本地外差檢測對布里淵頻移的溫度和應變系數進行了標定。因CRN(相干瑞利噪聲)是瑞利散射的固有噪聲[8],故自外差BOTDR系統信噪比除受熱噪聲和散粒噪聲影響外,主要受CRN的影響。

為了減小CRN的影響,本文提出一種多波長瑞利和布里淵散射自外差檢測BOTDR系統。分析了相位調制產生多波長探測光的機理及三波長瑞利與布里淵自外差檢測原理。設計并搭建了單波長和三波長自外差BOTDR系統,獲得了常溫下沿光纖的自外差信號功率和布里淵頻移。

1 理論分析

1.1 多波長探測光的產生

采用傳統窄譜光源時,光纖SBS(受激布里淵散射)閾值較低,限制了入纖脈沖功率的提高,導致傳

感系統性能提升受限。為了提高傳感系統性能,在EOM(電光調制器)或AOM(聲光調制器)前采用PM(相位調制器)對傳輸光引入附加相位變化,產生多波長信號,從而將光信號能量分布在大量光載波上,以降低光功率譜密度,實現SBS閾值的提高,增大入纖光功率,同時減小干涉強度噪聲的影響[9]。

圖1所示為多波長探測光脈沖產生原理框圖。

圖1 多波長探測光脈沖產生原理框圖

當DFB-LD(分布反饋式半導體激光器)的輸出光經過PM的電光晶體時,光波相位受到調制。假設PM射頻端輸入調制信號Vm(t)=Vmsin(ωmt),其中Vm為調制信號幅度,ωm為調制信號角頻率,則光載波的相位變化為

式中,Vπ為PM半波電壓。假設PM的輸入光波場Ei(t)=E0cos(ω0t),則經PM調制后,輸出光波場可表示為

3.1.5 避免空氣栓塞 空氣栓塞是中心靜脈置管護理最嚴重的并發癥，可造成肺動脈栓塞引起患者死亡。特別對頭高位和低血容量的患者尤應重視。輸液器、肝素帽及三通管各個接頭處要銜接牢固。在輸液過程中應加強巡視，及時更換液體。

式中,E0和ω0分別為光波的場強和中心角頻率。將式(2)按貝塞爾函數展開,得到

式中,Jn為第一類n階貝塞爾函數;C=πVm/Vπ為微波調制的調制深度。經相位調制后光波將產生一系列邊帶,各階邊帶分量的光強取決于調制深度對應的各階貝塞爾函數值。當PM調制深度不同時,其0～3階輸出光譜相對于輸入光強的歸一化值如圖2所示。

因PM射頻端輸入功率及半波電壓的限制,調制深度不能太高;其次,為了獲得盡可能高的入纖功率,各邊帶分量的光強應近似相等且低于相應邊帶下的光纖SBS閾值,故取調制深度C=1.435。由圖2可知,當C=1.435時,PM輸出0階基帶和±1階邊帶光強近似相等,且均占總輸出光強的30%左右,較±2階邊帶高8.09 dB,此時可忽略±2階及更高階邊帶的影響,從而獲得三波長探測光。

圖2 歸一化強度與調制深度的關系

1.2 瑞利和布里淵自外差檢測

假設DFB-LD輸出光經PM和EOM調制后進入傳感光纖,因標準單模光纖中布里淵頻移的波長系數為7 MHz/nm[6],故當PM調制頻率較低時可忽略波長依賴性對布里淵散射譜的影響。當PM調制深度為1.435時,三波長探測光在光纖中產生的背向瑞利和布里淵散射光場分別為

式中,ER為瑞利散射光場強;φRn為不同波長探測光產生的瑞利散射光相位;ES和EAS分別為Stokes(斯托克斯)和Anti-Stokes(反斯托克斯)光場強;ωB為探測光產生的布里淵頻移角頻率;φSn和φASn分別為不同波長探測光產生的Stokes和Anti-Stokes光相位。由于SPBS中ES=EAS,故可通過考慮瑞利散射光和Stokes光的外差信號來分析瑞利和布里淵散射光的自外差輸出,二者在PD(光電檢測器)中進行相干檢測時的輸出光電流為

式中,―表示共軛;R為PD響應度;iR(t)和iS(t)分別為瑞利和布里淵散射產生的光電流;iRS(t)為二者的交叉光電流項。由于激光器的線寬較窄,經PM調制后的0階和±1階光譜分量具有很強的相

干性,因此,由同一階光譜分量在光纖中產生的瑞利和布里淵散射自外差及由不同階光譜分量產生的瑞利和布里淵散射的外差信號均能獲得攜帶布里淵頻移信息的單頻信號,而瑞利和布里淵散射中各光譜分量之間的外差信號將以組合頻率干擾的形式表現為一種低頻的背景噪聲。由BPF(帶通濾波器)濾除式(6)中的直流、和頻、倍頻項及背景噪聲,則當C=1.435時,PD的輸出光電流為

式中,k為玻爾茲曼常數;T為熱力學溫度;Δf為BPF帶寬;RL為負載阻抗;e為電荷電量;i2CRN(t)為單波長探測光產生的相干瑞利噪聲。當三波長探測光各階分量的功率與單波長探測光功率相等時,三波長自外差檢測BOTDR系統信噪比與單波長系統信噪比的比值為

式(9)為采用三波長探測光時系統信噪比的改善量。

2 系統設計與實驗

為了驗證三波長探測光提高自外差檢測BOTDR系統性能的有效性,搭建了如圖3所示的多波長瑞利和布里淵自外差檢測BOTDR系統。

圖3 多波長自外差檢測BOTDR系統

系統采用20 d B線寬為10.3 k Hz、中心波長為1 550.057 nm、輸出功率為10 m W的DFB-LD光源,LD輸出的連續光經PM調制成波長間隔為0.004 nm的三波長探測光,其光譜如圖4所示。PM調制后的多波長連續光被由脈沖發生器驅動的AOM調制成重復頻率為30 k Hz、脈沖寬度為100 ns的光脈沖,調制后的光脈沖經EDFA1(摻鉺光纖放大器)放大、FBGF1(光柵濾波器)濾波和VOA(可調衰減器)衰減后,通過環行器進入長度1.5 km的傳感光纖。光脈沖在光纖中傳輸時產生的背向瑞利和布里淵散射光經環行器后由EDFA2放大、FBGF2濾波,經PS(擾偏器)后進入帶寬為20 GHz的PD進行自外差檢測。PS的作用是使瑞利和布里淵散射光偏振態均接近隨機狀態,從而減小偏振衰落噪聲。為了比較單波長和三波長自外差檢測BOTDR系統的性能,采用三波長探測光時的入纖峰值功率近似為單波長探測光時的3倍。

圖4 相位調制產生的三波長探測光

在室溫25.8℃時,由分辨率帶寬為8 MHz的ESA(頻譜分析儀)測得的PD輸出自外差信號頻譜如圖5所示。由于PM調制產生三波長探測光時,除產生0階基帶和±1階邊帶外還產生了如圖4所示的±2階邊帶,但±2階邊帶功率較0階基帶功率低8.09 dB,由此決定自外差輸出信號譜包括7個譜分量。因調制產生的0階基帶和±1階邊帶的功

率近似相等,故自外差輸出信號譜中標號2～6的譜分量功率近似相等;因±2階邊帶功率偏低,故標號1和7的譜分量功率較中心頻率為νB的譜分量(標號4)功率低6.7 d B。

圖5 自外差檢測信號頻譜

利用帶寬為500 MHz的BPF選出中心頻率為布里淵頻移νB的自外差頻譜,設置ESA工作在“zero-span”模式,且中心頻率等于常溫下光纖布里淵頻移10.875 2 GHz,測量PD輸出的自外差信號功率的時域波形。設置ESA中心頻率的調節步進為8 MHz,在10.803 2～10.947 2 GHz范圍內對瑞利和布里淵自外差信號的時域波形進行掃頻測量,每次測量平均3 000次,得到一條自外差檢測BOTDR時域波形。對光纖各位置處的數據進行洛倫茲擬合,對擬合后的洛倫茲譜進行積分可得到圖6所示的沿光纖分布的自外差信號功率。由圖可知,采用三波長探測光時,自外差信號功率比采用單波長時高3.33 dB,且可有效地減小相干瑞利噪聲引起的功率波動,其RMSE(均方根誤差)減小約1.23 d B。結果表明,采用三波長探測光時,系統信噪比提高了近4.56 dB,約為單波長探測光時的3倍。

圖6 單波長和三波長探測光時自外差信號功率分布

由于布里淵頻移的波長系數為7 MHz/nm,且三波長探測光的波長間隔僅為0.004 nm,故布里淵頻移的波長依賴性對三波長BOTDR系統的布里淵散射譜寬影響不明顯。因此,采用三波長探測光進行傳感時,可獲得較高的溫度和應變測量精度。圖7為采用單波長和三波長探測光時沿光纖分布的布里淵頻移。由于光源線寬較窄,系統中的相干瑞利噪聲較大,采用單波長探測光時沿光纖分布的布里淵頻移波動和RMSE較大,其值分別為23.9 MHz和3.8 MHz。當采用三波長探測光時,相干瑞利噪聲可得到有效地降低,因此布里淵頻移波動和RMSE減小至11.6 MHz和1.6 MHz。為了進一步提高系統信噪比和頻移測量精度,可通過增大PM調制深度或采用雙頻PM來增加波長數,進一步提高系統的入纖功率,減小CRN。

圖7 單波長和三波長探測光時布里淵頻移分布

3 結束語

為了減小相干瑞利噪聲對系統性能的影響,提出了多波長瑞利和布里淵自外差檢測BOTDR系統。分析了相位調制產生多波長探測光的機理,研究了三波長探測光產生的瑞利和布里淵自外差檢測原理。設計并搭建了采用單波長和三波長探測光時的自外差檢測BOTDR系統,獲得了常溫下沿光纖分布的自外差檢測信號功率和布里淵頻移。結果表明,采用三波長探測光進行傳感時,有效地減小了相干瑞利噪聲引起的功率波動,系統信噪比的提高量接近4.56 d B;同時,采用三波長探測光時布里淵頻移波動和RMSE分別從采用單波長時的23.9 MHz和3.8 MHz降低為11.6 MHz和1.6 MHz。

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BOTDR System Based on Self-Heterodyne Detection and Multi-Wavelength Source

LI Xiao-juan,LI Yong-qian,ZHANG Li-xin
(Department of Electronic and Communication Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

To reduce the coherent Rayleigh noise,a Brillouin Optical Time Domain Reflectometer(BOTDR)system based on self-heterodyne detection of Rayleigh and Brillouin scattering employing multi-wavelength source is proposed.The mechanism of multi-wavelength probe light generation by phase modulation and the principle of self-heterodyne detectionfor three-wavelength system are analyzed.A self-heterodyne detection BOTDR system employing single-wavelength and three-wavelength probe lights are constructed,and the self-heterodyne detection signal power and Brillouin frequency shift along the sensing fiber are obtained.The experiment results show that the power fluctuation generated by the coherent Rayleigh noise can be reduced effectively.The increment of signal-to-noise ratio is approximately to be 4.56 dB by employing three-wavelength probe light,and the root-mean-square error of Brillouin frequency shift fluctuation is reduced by 2.2 MHz when compared with that in the single-wavelength system.

fiber optics;multi-wavelength probe light;self-heterodyne detection;Brillouin frequency shift;power

TN929.11

A

1005-8788(2016)06-0005-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.002

2016-05-06

國家自然科學基金資助項目(61377088);河北省自然科學基金資助項目(F2014502098,F2015502059);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014XS77)

李曉娟(1987―),女,河北衡水人。博士研究生,主要從事光通信與光傳感方面的研究工作。