多波长自外差检测布里渊光时域反射系统

李晓娟,李永倩,张立欣

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定071003)

多波长自外差检测布里渊光时域反射系统

李晓娟,李永倩,张立欣

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定071003)

为了减小相干瑞利噪声,提出了一种多波长瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射系统。分析了相位调制产生多波长探测光的机理及三波长系统的自外差检测原理;搭建单波长和三波长自外差检测布里渊光时域反射系统,获得了沿光纤的自外差信号功率和布里渊频移。实验结果表明,相对于单波长系统,三波长系统有效地减小了相干瑞利噪声引起的功率波动,信噪比提高近4.56 dB;布里渊频移波动的均方根误差降低2.2 MHz。

光纤光学;多波长探测光;自外差检测;布里渊频移;功率

0 引言

自1989年以来,布里渊光纤传感技术得到了广泛研究[1-2]。其中,BOTDR(布里渊光时域反射)传感系统利用背向SPBS(自发布里渊散射)的频移和强度与温度和应变的线性关系,结合光时域反射脉冲定位技术,可实现对温度和应变的同时测量,在电力、石油和水利等方面具有广阔的应用前景[3]。

SPBS信号的检测方式包括直接检测和外差检测。直接检测一般采用高精度光学滤波器[4-5],但由于信号功率较低,布里渊频移较小,故检测较为困难;且干涉仪易受外界环境影响,测量精度较低。为了提高信噪比和测量精度,通常采用本地外差和自外差方式对SPBS信号进行检测。Maughan S M等利用本振光和布里渊散射光外差的方式[2],在30 km光纤上实现了空间分辨率为20 m、温度和应变分辨率分别为4℃和100με的同时测量;李存磊等采用窄谱激光器和相位调制产生多波长光源[6],利用三波长同源外差BOTDR系统使信噪比提高了4.2 d B;常天英等提出瑞利和布里渊散射自外差方案[7],采用窄谱光源和本地外差检测对布里渊频移的温度和应变系数进行了标定。因CRN(相干瑞利噪声)是瑞利散射的固有噪声[8],故自外差BOTDR系统信噪比除受热噪声和散粒噪声影响外,主要受CRN的影响。

为了减小CRN的影响,本文提出一种多波长瑞利和布里渊散射自外差检测BOTDR系统。分析了相位调制产生多波长探测光的机理及三波长瑞利与布里渊自外差检测原理。设计并搭建了单波长和三波长自外差BOTDR系统,获得了常温下沿光纤的自外差信号功率和布里渊频移。

1 理论分析

1.1 多波长探测光的产生

采用传统窄谱光源时,光纤SBS(受激布里渊散射)阈值较低,限制了入纤脉冲功率的提高,导致传

感系统性能提升受限。为了提高传感系统性能,在EOM(电光调制器)或AOM(声光调制器)前采用PM(相位调制器)对传输光引入附加相位变化,产生多波长信号,从而将光信号能量分布在大量光载波上,以降低光功率谱密度,实现SBS阈值的提高,增大入纤光功率,同时减小干涉强度噪声的影响[9]。

图1所示为多波长探测光脉冲产生原理框图。

图1 多波长探测光脉冲产生原理框图

当DFB-LD(分布反馈式半导体激光器)的输出光经过PM的电光晶体时,光波相位受到调制。假设PM射频端输入调制信号Vm(t)=Vmsin(ωmt),其中Vm为调制信号幅度,ωm为调制信号角频率,则光载波的相位变化为

式中,Vπ为PM半波电压。假设PM的输入光波场Ei(t)=E0cos(ω0t),则经PM调制后,输出光波场可表示为

3.1.5 避免空气栓塞 空气栓塞是中心静脉置管护理最严重的并发症，可造成肺动脉栓塞引起患者死亡。特别对头高位和低血容量的患者尤应重视。输液器、肝素帽及三通管各个接头处要衔接牢固。在输液过程中应加强巡视，及时更换液体。

式中,E0和ω0分别为光波的场强和中心角频率。将式(2)按贝塞尔函数展开,得到

式中,Jn为第一类n阶贝塞尔函数;C=πVm/Vπ为微波调制的调制深度。经相位调制后光波将产生一系列边带,各阶边带分量的光强取决于调制深度对应的各阶贝塞尔函数值。当PM调制深度不同时,其0～3阶输出光谱相对于输入光强的归一化值如图2所示。

因PM射频端输入功率及半波电压的限制,调制深度不能太高;其次,为了获得尽可能高的入纤功率,各边带分量的光强应近似相等且低于相应边带下的光纤SBS阈值,故取调制深度C=1.435。由图2可知,当C=1.435时,PM输出0阶基带和±1阶边带光强近似相等,且均占总输出光强的30%左右,较±2阶边带高8.09 dB,此时可忽略±2阶及更高阶边带的影响,从而获得三波长探测光。

图2 归一化强度与调制深度的关系

1.2 瑞利和布里渊自外差检测

假设DFB-LD输出光经PM和EOM调制后进入传感光纤,因标准单模光纤中布里渊频移的波长系数为7 MHz/nm[6],故当PM调制频率较低时可忽略波长依赖性对布里渊散射谱的影响。当PM调制深度为1.435时,三波长探测光在光纤中产生的背向瑞利和布里渊散射光场分别为

式中,ER为瑞利散射光场强;φRn为不同波长探测光产生的瑞利散射光相位;ES和EAS分别为Stokes(斯托克斯)和Anti-Stokes(反斯托克斯)光场强;ωB为探测光产生的布里渊频移角频率;φSn和φASn分别为不同波长探测光产生的Stokes和Anti-Stokes光相位。由于SPBS中ES=EAS,故可通过考虑瑞利散射光和Stokes光的外差信号来分析瑞利和布里渊散射光的自外差输出,二者在PD(光电检测器)中进行相干检测时的输出光电流为

式中,―表示共轭;R为PD响应度;iR(t)和iS(t)分别为瑞利和布里渊散射产生的光电流;iRS(t)为二者的交叉光电流项。由于激光器的线宽较窄,经PM调制后的0阶和±1阶光谱分量具有很强的相

干性,因此,由同一阶光谱分量在光纤中产生的瑞利和布里渊散射自外差及由不同阶光谱分量产生的瑞利和布里渊散射的外差信号均能获得携带布里渊频移信息的单频信号,而瑞利和布里渊散射中各光谱分量之间的外差信号将以组合频率干扰的形式表现为一种低频的背景噪声。由BPF(带通滤波器)滤除式(6)中的直流、和频、倍频项及背景噪声,则当C=1.435时,PD的输出光电流为

式中,k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;Δf为BPF带宽;RL为负载阻抗;e为电荷电量;i2CRN(t)为单波长探测光产生的相干瑞利噪声。当三波长探测光各阶分量的功率与单波长探测光功率相等时,三波长自外差检测BOTDR系统信噪比与单波长系统信噪比的比值为

式(9)为采用三波长探测光时系统信噪比的改善量。

2 系统设计与实验

为了验证三波长探测光提高自外差检测BOTDR系统性能的有效性,搭建了如图3所示的多波长瑞利和布里渊自外差检测BOTDR系统。

图3 多波长自外差检测BOTDR系统

系统采用20 d B线宽为10.3 k Hz、中心波长为1 550.057 nm、输出功率为10 m W的DFB-LD光源,LD输出的连续光经PM调制成波长间隔为0.004 nm的三波长探测光,其光谱如图4所示。PM调制后的多波长连续光被由脉冲发生器驱动的AOM调制成重复频率为30 k Hz、脉冲宽度为100 ns的光脉冲,调制后的光脉冲经EDFA1(掺铒光纤放大器)放大、FBGF1(光栅滤波器)滤波和VOA(可调衰减器)衰减后,通过环行器进入长度1.5 km的传感光纤。光脉冲在光纤中传输时产生的背向瑞利和布里渊散射光经环行器后由EDFA2放大、FBGF2滤波,经PS(扰偏器)后进入带宽为20 GHz的PD进行自外差检测。PS的作用是使瑞利和布里渊散射光偏振态均接近随机状态,从而减小偏振衰落噪声。为了比较单波长和三波长自外差检测BOTDR系统的性能,采用三波长探测光时的入纤峰值功率近似为单波长探测光时的3倍。

图4 相位调制产生的三波长探测光

在室温25.8℃时,由分辨率带宽为8 MHz的ESA(频谱分析仪)测得的PD输出自外差信号频谱如图5所示。由于PM调制产生三波长探测光时,除产生0阶基带和±1阶边带外还产生了如图4所示的±2阶边带,但±2阶边带功率较0阶基带功率低8.09 dB,由此决定自外差输出信号谱包括7个谱分量。因调制产生的0阶基带和±1阶边带的功

率近似相等,故自外差输出信号谱中标号2～6的谱分量功率近似相等;因±2阶边带功率偏低,故标号1和7的谱分量功率较中心频率为νB的谱分量(标号4)功率低6.7 d B。

图5 自外差检测信号频谱

利用带宽为500 MHz的BPF选出中心频率为布里渊频移νB的自外差频谱,设置ESA工作在“zero-span”模式,且中心频率等于常温下光纤布里渊频移10.875 2 GHz,测量PD输出的自外差信号功率的时域波形。设置ESA中心频率的调节步进为8 MHz,在10.803 2～10.947 2 GHz范围内对瑞利和布里渊自外差信号的时域波形进行扫频测量,每次测量平均3 000次,得到一条自外差检测BOTDR时域波形。对光纤各位置处的数据进行洛伦兹拟合,对拟合后的洛伦兹谱进行积分可得到图6所示的沿光纤分布的自外差信号功率。由图可知,采用三波长探测光时,自外差信号功率比采用单波长时高3.33 dB,且可有效地减小相干瑞利噪声引起的功率波动,其RMSE(均方根误差)减小约1.23 d B。结果表明,采用三波长探测光时,系统信噪比提高了近4.56 dB,约为单波长探测光时的3倍。

图6 单波长和三波长探测光时自外差信号功率分布

由于布里渊频移的波长系数为7 MHz/nm,且三波长探测光的波长间隔仅为0.004 nm,故布里渊频移的波长依赖性对三波长BOTDR系统的布里渊散射谱宽影响不明显。因此,采用三波长探测光进行传感时,可获得较高的温度和应变测量精度。图7为采用单波长和三波长探测光时沿光纤分布的布里渊频移。由于光源线宽较窄,系统中的相干瑞利噪声较大,采用单波长探测光时沿光纤分布的布里渊频移波动和RMSE较大,其值分别为23.9 MHz和3.8 MHz。当采用三波长探测光时,相干瑞利噪声可得到有效地降低,因此布里渊频移波动和RMSE减小至11.6 MHz和1.6 MHz。为了进一步提高系统信噪比和频移测量精度,可通过增大PM调制深度或采用双频PM来增加波长数,进一步提高系统的入纤功率,减小CRN。

图7 单波长和三波长探测光时布里渊频移分布

3 结束语

为了减小相干瑞利噪声对系统性能的影响,提出了多波长瑞利和布里渊自外差检测BOTDR系统。分析了相位调制产生多波长探测光的机理,研究了三波长探测光产生的瑞利和布里渊自外差检测原理。设计并搭建了采用单波长和三波长探测光时的自外差检测BOTDR系统,获得了常温下沿光纤分布的自外差检测信号功率和布里渊频移。结果表明,采用三波长探测光进行传感时,有效地减小了相干瑞利噪声引起的功率波动,系统信噪比的提高量接近4.56 d B;同时,采用三波长探测光时布里渊频移波动和RMSE分别从采用单波长时的23.9 MHz和3.8 MHz降低为11.6 MHz和1.6 MHz。

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[10]Agrawal G P.光纤通信系统[M].第3版,北京:清华大学出版社,2004.

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

国家自然科学基金资助项目(61377088);河北省自然科学基金资助项目(F2014502098,F2015502059);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014XS77)

李晓娟(1987―),女,河北衡水人。博士研究生,主要从事光通信与光传感方面的研究工作。