[实用新型]一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及电光调制、非线性光纤光学、分布式光纤传感、光学反射计等技术领域，特别是涉及一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统。

背景技术

光纤传感技术是伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管已受到广泛应用，电子传感器却存在局限性，在许多应用中不够安全、不切实际或无法使用。光纤的特点是绝缘、无源、不受电磁干扰产生的噪声的影响，并且能在极少损失甚至不损失信号完整性的前提下远距离传输数据。光纤传感技术相比较于传统的电子传感技术，具有无可比拟的技术优势，是近年来国际上迅速发展的高新技术之一。光纤传感特别适合于分布式以及多点式的网络化应用。

光纤分布反射计是分布式光纤传感技术的核心，能够对光纤进行非破坏性检测，提供被测量参数沿光纤长度分布的各类细节。目前最具有代表性的光纤分布反射计是采用光脉冲技术的光时域反射计(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)。该技术通过测试光纤反射、背向散射的分布来判断光纤链路上的“事件点”，例如光纤链路中的熔接点、连接器、弯曲、断裂等可以引起光传输特性变化的缺陷。OTDR技术的空间分辨率取决于测试光脉冲的宽度，而可用的光脉冲宽度则受限于光电探测器的频率响应以及噪声基底，实际空间分辨率很难达到一米以下。如果相邻的“事件点”很接近，基于OTDR技术的光纤传感器就无法给出准确的测试结果。

OTDR技术由于空间分辨率受到限制，不能满足许多高端监测的需求。为了提高空间分辨率和测量敏感度等性能，背向散射法被应用于光频域，研制出了光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometer，OFDR)。OFDR系统的空间分辨率取决于光源的波长可调范围，只要光源具有足够宽的波长可调范围，就能实现足够高的空间分辨率。OFDR的高空间分辨率将使其更加广泛地应用于众多对测量精度有高要求的领域 [Opt. Express 19, 19790-19796 (2011)]。可以通过光源内部调制或外部调制实现扫频，内部调制扫描速度较慢并且可能出现非线性扫频的情况，这将影响系统性能 [Electron. Letters 33, 408-410 (1997)]。利用外部调制，比如通过射频信号对窄线宽激光器进行单边带调制，得到线性扫频的光信号，用于相应的OFDR系统，已经实现了长距离和高空间分辨率的线路检测 [J. Lightwave Technol. 6, 3287-3294 (2008)]。然而，射频扫频信号的扫描范围受限于电子元件，一般只能达到GHz量级。OFDR的高空间分辨率需要宽扫频范围，因此，研究新型的宽带扫频光源技术成为必要。

实用新型内容

本实用新型目的在于在OFDR系统中，为了克服光源内部调制速度较慢以及可能产生非线性扫频等问题，可以使用光源外部调制如利用电光调制器进行单边带调制实现扫频。但是由于受器件电子瓶颈的限制，射频信号扫描频率范围有限，为了扩大扫频范围从而提高空间分辨率，本实用新型基于四波混频的频率啁啾放大效应，提供了一种提高扫频带宽的方法，从而得到高空间分辨率的光频域反射计系统。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统，包括扫频光源系统、测试光路系统、接收机及信号处理系统；其特征在于：所述扫频光源系统包括第一激光器、马赫曾德尔调制器、射频信号发生器、射频放大器、环行器、光纤布拉格光栅、多个掺铒光纤放大器、光滤波器、第二激光器和非线性介质；

所述第一激光器发出的窄线宽激光根据射频信号发生器发出、射频放大器放大的射频信号并加载偏置电压后连接到所述马赫曾德尔调制器进行调制，形成一个拥有多边带的光梳；将得到的光梳导入连接了光纤布拉格光栅的环行器，反射回来的光波经过掺铒光纤放大器放大和光滤波器滤波后作为泵浦光，与第二激光器产生的信号光通过非线性介质发生四波混频过程；四波混频产生的闲频光再经过光学滤波器滤波和掺铒光纤放大器放大后作为扫频载波光源导入测试光路系统，与本地光发生干涉并最终由接收机接收，和信号处理系统处理。

其进一步特征在于：所述非线性介质为高非线性光纤或高非线性硅波导。

上述高非线性光纤长度不低于100m，光纤损耗不高于1dB/km，光纤的非线性系数不低与10/W/km。