分布式布里淵散射光纖傳感技術(shù)研究

肖棽柏 胡志文 梁琦

摘要：分布式布里淵光纖溫度傳感器利用光纖纖芯的電致伸縮效應(yīng)，使光波在光纖內(nèi)傳播時產(chǎn)生非線性布里淵散射，由于布里淵散射光的頻率相對于入射光頻率存在一個頻差，即布里淵頻移，它與光纖的溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，所以通過探測光纖的布里淵頻移就能確定光纖的溫度信息。布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)的研究起步較晚，但由于它能同時測量溫度和應(yīng)變，得到了廣泛的關(guān)注與研究。雖然很多國家的研究人員對其進行了深入的探索，也取得了一定的進展， 但目前該技術(shù)仍有不完善之處。因此，深入系統(tǒng)地研究分布式布里淵光纖溫度傳感技術(shù)具有重要的研究意義和實用價值。

關(guān)鍵詞：分布式光纖，布里淵，散射光纖

1基于電光調(diào)制移頻的傳感新方法?

現(xiàn)有的BOTDA分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)需要兩臺頻率匹配的激光器，同時要求激光器具有窄線寬、可調(diào)諧和高穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、價格昂貴，很難應(yīng)用于實際中，為此，本章提出了基于電光調(diào)制技術(shù)（EOM）的BOTDA光纖傳感技術(shù)新方法。?

BOTDA（布里淵光時域分析）技術(shù)是兩激光器發(fā)出的激光束分別從兩端相向傳入傳感光纖，一束作為泵浦光，其頻率為v。，在傳感光纖中產(chǎn)生的背向散射光頻率為v。，兩者的頻率差即為布里淵頻移（△v。）;另一束作為探測光，其頻率為v。，調(diào)節(jié)探測光頻率，與? 當(dāng)兩者之間的頻率差等于布里淵頻移時，即△v=△v。時，光纖中產(chǎn)生受激布里淵散射，所以通過調(diào)節(jié)激光器2的頻率，可以改變兩激光器的頻率差，當(dāng)傳感光纖的溫度發(fā)生改變時，調(diào)節(jié)激光器2的波長，即可改變激光頻率，實現(xiàn)布里淵信號的測量，從而得到傳感光纖的溫度信息。?

2基于電光調(diào)制器的傳感系統(tǒng)方案?

針對現(xiàn)有的布里淵光時域分析系統(tǒng)存在的問題，我們提出了基于電光調(diào)制的 BOTDA 光纖傳感方案。這里只使用一臺激光器，通過電光調(diào)制器（EOMy列調(diào)制產(chǎn)生的頻移光代替另外一臺激光器產(chǎn)生的激光束。將從激光器1發(fā)出的激光分為兩束，調(diào)節(jié)頻率發(fā)生器，使電光調(diào)制器對其中一束光進行頻率調(diào)制，產(chǎn)生頻率變化的連續(xù)信號，作為探測光與泵浦光作用， 從而取代激光器2，調(diào)制頻率等于布里淵頻移，即v。= v。，泵浦光與探測光之間的頻率差為布里淵頻移，產(chǎn)生受激布里淵散射的放大信號。

雖然基于EOM的布里淵光時域分析系統(tǒng)使現(xiàn)有的布里淵光時域分析系統(tǒng)中很多比較難以解決的問題得到了有效的改進，但在此系統(tǒng)中仍然存在一個不可忽視的問題，那就是在電光調(diào)制器對光信號進行頻率調(diào)制時，電光調(diào)制會產(chǎn)生兩個邊帶。而兩邊帶會同時影響泵浦光，且兩者對布里淵信號的作用相互抵消，使受激布里淵信號減弱，從而嚴重影響測量結(jié)果。下面我們詳細分析電光調(diào)制器的兩邊帶對泵浦光的影響。電光調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)實現(xiàn)對激光調(diào)制的一種方法。

3傳感系統(tǒng)方案的改進?

為了消除上邊帶產(chǎn)生的背向散射光對布里淵信號的影響，必須把上邊帶濾掉或者避免上邊帶對系統(tǒng)的影響。為此我們設(shè)計了基于聲光調(diào)制器（AOM）產(chǎn)生泵浦脈沖光的布里淵光纖時域分析系統(tǒng)，如圖3-1所示。EOM調(diào)制產(chǎn)生的連續(xù)探測光過程不變，在泵浦光路中加入聲光調(diào)制器，而聲光調(diào)制器本身帶有一個布里淵頻移v，，使入射到傳感光纖的泵浦光頻率變?yōu)関。一v，。從而影響整個系統(tǒng)的傳感過程。?

為了驗證實驗方案的可行性，我們設(shè)計了如圖3-2所示的EOM輸出信號的觀測系統(tǒng)。

激光器發(fā)出的激光束一路作為參考光，一路經(jīng) EOM調(diào)節(jié)頻差，然后與參考光進行相干檢測，通過光電探測放大，輸出信號送HP8672A 頻譜分析儀觀測，觀測到的圖形即為探測光與泵浦光之間的頻差信號。當(dāng)在調(diào)頻光路中加入聲光調(diào)制器，同樣與參考光進行相干檢測并放大， 用頻譜分析儀觀測兩者頻率差。

4光電探測與放大電路設(shè)計?

光電探測器是把接收到的受激布里淵散射光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并把電信號進行電壓或電流放大，然后與后面的信號采集處理系統(tǒng)進行對接。因為受激布里淵散射信號比較微弱，經(jīng)光電裝換后的電信號相對也非常微弱，還受到各種噪聲的影響，所以很容易就使信號淹沒在噪聲中。因此在進行光電探測電路的設(shè)計時， 要盡量提高信噪比，但在進行布里淵散射信號探測時，要重點兼顧頻率信號的變化，所以設(shè)計光電探測器時應(yīng)考慮穩(wěn)定性、長壽命、低工作電壓;在工作波長上靈敏度高， 具有接收微弱光信號的能力;具有足夠高的響應(yīng)度;附加噪聲小;線性好;光電探測器的設(shè)計分為探測電路和信號處理電路兩部分。其中，光電探測電路主要由光電轉(zhuǎn)換電路和背景光調(diào)節(jié)電路組成，負責(zé)把布里淵散射信號由光信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號，再將轉(zhuǎn)換后的信號進行放大，以便信號處理電路對信號的處理。信號處理電路由可調(diào)增益放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等電路構(gòu)成，將由光電探測電路傳輸過來的信號進行進一步的可控增益放大， 再通過濾波電路濾除噪聲等雜波，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便計算機的讀取。如圖4-1所示為光纖布里淵散射信號探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成。

5電路設(shè)計?

由于微弱的布里淵散射光信號經(jīng)光電二極管后的電壓也很小，所以要將信號進行放大。放大電路要保持采集信號的準(zhǔn)確性且不受噪聲的影響，同時要有寬帶高速等特點，而放大器是放大電路中的關(guān)鍵器件，所以根據(jù)信號的特點選擇了單位增益集成運算放大器 OPA656并對放大電路進行了設(shè)計。

運算放大器 OPA656輸入電壓電流噪聲低，能夠?qū)崿F(xiàn)理想的帶寬及高靈敏度的光電接收1，所以選擇OPA656作為設(shè)計電路的放大器件。OPA656主要參數(shù)為：偏置電流：2pA;增益帶寬：230MHz;共模輸入電容：2.8pF;差模輸入電容：0.7pF;輸入電阻：10?Q;低噪聲電流：1.3pA/√z;低噪聲電壓：7nV/√Hz;高輸出電流：70mA;轉(zhuǎn)換速率：290V/us。

6 小結(jié)?

本文分析了現(xiàn)有的BOTDA布里淵傳感系統(tǒng)的技術(shù)原理及存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)的改進辦法，即利用電光調(diào)制器取代其中進行頻率調(diào)諧的激光器產(chǎn)生頻率變化的探測光。設(shè)計了基于EOM調(diào)制的光時域分析傳感系統(tǒng)，分析了EOM調(diào)制后光路中存在的問題及解決的方法。最后通過實驗驗證了設(shè)計方案的可行性。

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