[发明专利]一种提高长距离布里渊光时域分析系统传感性能的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种基于拉曼混合放大技术提高长距离布里渊光时域分析系统传感性能的方法及系统。

背景技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，因此这种技术在建筑物结构监测、石油管道安全检测、电力设施健康检测、火灾预警等方面有广泛的应用前景。按照是否利用了受激布里渊效应，一般分为布里渊光时域反射计及布里渊光时域分析仪两种，前者是利用自发布里渊散射现象，可进行单端测量，但探测信号较弱，探测距离受限；后者是利用受激布里渊散射现象，探测信号较强，传感距离较远。

随着传感距离的增加，受光纤损耗及布里渊探测光消耗影响，使得脉冲光能量急剧下降，从而限制整个系统的传感距离。提高传感距离最直接的方法是增大探测脉冲光的功率，传统的布里渊光时域分析系统一般采用集中式放大技术，即布里渊泵浦波进入光纤前应用掺铒光纤光放大器(EDFA)将脉冲功率放大，由于过高的脉冲能量导致非线性效应的加强，严重影响了系统的信噪比，使得脉冲光的功率不可能无限增加，而且泵浦光功率仅在光纤前端较强，而在光纤后端，受光纤损耗及布里渊探测光的消耗，强度急剧下降，制约了光纤后端的测量分辨率。受此影响，基于集总式放大技术的布里渊光时域分析系统传感距离＜30km。

另一方面，由于系统分辨率与探测脉冲宽度成反比，随着系统对空间分辨率及测量距离要求的进一步提高，脉冲宽度将会越来越窄，信号的占空比也越来越小，从而导致信噪比的急剧下降。

介于以上因素，一般采用集中式与分布式放大相结合的方式，即在前端先利用EDFA对脉冲信号进行初步放大，再利用分布式拉曼放大技术对脉冲光进行二次放大，2005年Alahbabi M.N.和他的团队报道了利用拉曼放大技术的分布式布里渊温度传感系统，达到了150km的距离(见Alahbabi M.N.150-km-range distributed temperature sensor based on coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter and in-line Raman amplification[J].J.Opt.Soc.Am.B，2005)，这在一定程度上削弱了信号功率前后端分布不均。但是在长距离(＞50km)布里渊光传感系统中，由于拉曼泵浦的功率及拉曼增益系数沿光纤呈指数衰减，使得该方法不能彻底消除功率分布不均现象，且传感距离愈长，波动愈严重。其结果是在传感信号分布上出现了一个大范围、低信噪比的测量“盲区”。另一方面，一阶拉曼泵浦的效率较低，而在长距离传感系统中，对拉曼泵浦功率的要求很高，从而严重提高了系统成本。

2004年，J.D.Ania-Castanon报道了利用光纤布拉格光栅和拉曼混合放大技术实现的超长距离无损传输通信系统(见J.D.Ania-Castanon，Quasi-lossless transmission using second-order Raman amplification and fiber Bragg gratings，Opt.Exp.，12)。相比于其他放大技术，拉曼混合放大技术具有较宽的增益谱(可以实现C+L波段的同时放大)、增益谱平坦、低噪声、高的泵浦利用率和低成本等优点。介于以上优点本专利首次将拉曼混合放大技术应用在现有的布里渊光时域分析系统，在有效延长了传感距离的同时控制了系统的成本，将在长距离布里渊光时域分析系统中得到极其重要的应用。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于拉曼混合放大的长距离(≥50km)布里渊光时域分析传感系统，有效提高拉曼泵浦效率；应用于长距离温度/应变传感，使传感信号的分布更加平坦，大幅提高测量的精度及空间分辨率。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于拉曼混合放大技术提高长距离布里渊光时域分析系统传感性能的方法，该方法包括以下步骤：

A、基于一阶双向拉曼放大的布里渊光时域分析传感系统，设置一对峰值反射率＞80％，中心波长一致的光纤光栅；

B、将光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，构成一阶和二阶拉曼混合放大传感系统，用于同时对信号光进行拉曼混合放大；

C、向传感光纤注入探测光，对微波发生器进行扫频，得出功率-布里渊频移-距离三维图，经洛伦兹曲线拟合，得出传感光纤的温度/应变分布。