李曉娟,李永倩,張立欣

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北保定071003)

多波長(zhǎng)自外差檢測(cè)布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)

李曉娟,李永倩,張立欣

(華北電力大學(xué)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(zhǎng)瑞利和布里淵自外差檢測(cè)布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)。分析了相位調(diào)制產(chǎn)生多波長(zhǎng)探測(cè)光的機(jī)理及三波長(zhǎng)系統(tǒng)的自外差檢測(cè)原理;搭建單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)自外差檢測(cè)布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng),獲得了沿光纖的自外差信號(hào)功率和布里淵頻移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相對(duì)于單波長(zhǎng)系統(tǒng),三波長(zhǎng)系統(tǒng)有效地減小了相干瑞利噪聲引起的功率波動(dòng),信噪比提高近4.56 dB;布里淵頻移波動(dòng)的均方根誤差降低2.2 MHz。

光纖光學(xué);多波長(zhǎng)探測(cè)光;自外差檢測(cè);布里淵頻移;功率

0 引言

自1989年以來,布里淵光纖傳感技術(shù)得到了廣泛研究[1-2]。其中,BOTDR(布里淵光時(shí)域反射)傳感系統(tǒng)利用背向SPBS(自發(fā)布里淵散射)的頻移和強(qiáng)度與溫度和應(yīng)變的線性關(guān)系,結(jié)合光時(shí)域反射脈沖定位技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量,在電力、石油和水利等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

SPBS信號(hào)的檢測(cè)方式包括直接檢測(cè)和外差檢測(cè)。直接檢測(cè)一般采用高精度光學(xué)濾波器[4-5],但由于信號(hào)功率較低,布里淵頻移較小,故檢測(cè)較為困難;且干涉儀易受外界環(huán)境影響,測(cè)量精度較低。為了提高信噪比和測(cè)量精度,通常采用本地外差和自外差方式對(duì)SPBS信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。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(shí)現(xiàn)了空間分辨率為20 m、溫度和應(yīng)變分辨率分別為4℃和100με的同時(shí)測(cè)量;李存磊等采用窄譜激光器和相位調(diào)制產(chǎn)生多波長(zhǎng)光源[6],利用三波長(zhǎng)同源外差BOTDR系統(tǒng)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(cè)對(duì)布里淵頻移的溫度和應(yīng)變系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)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(tǒng)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(zhǎng)瑞利和布里淵散射自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)。分析了相位調(diào)制產(chǎn)生多波長(zhǎng)探測(cè)光的機(jī)理及三波長(zhǎng)瑞利與布里淵自外差檢測(cè)原理。設(shè)計(jì)并搭建了單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)自外差BOTDR系統(tǒng),獲得了常溫下沿光纖的自外差信號(hào)功率和布里淵頻移。

1 理論分析

1.1 多波長(zhǎng)探測(cè)光的產(chǎn)生

采用傳統(tǒng)窄譜光源時(shí),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(dǎo)致傳

感系統(tǒng)性能提升受限。為了提高傳感系統(tǒng)性能,在EOM(電光調(diào)制器)或AOM(聲光調(diào)制器)前采用PM(相位調(diào)制器)對(duì)傳輸光引入附加相位變化,產(chǎn)生多波長(zhǎng)信號(hào),從而將光信號(hào)能量分布在大量光載波上,以降低光功率譜密度,實(shí)現(xiàn)SBS閾值的提高,增大入纖光功率,同時(shí)減小干涉強(qiáng)度噪聲的影響[9]。

圖1所示為多波長(zhǎng)探測(cè)光脈沖產(chǎn)生原理框圖。

圖1 多波長(zhǎng)探測(cè)光脈沖產(chǎn)生原理框圖

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

式中,Vπ為PM半波電壓。假設(shè)PM的輸入光波場(chǎng)Ei(t)=E0cos(ω0t),則經(jīng)PM調(diào)制后,輸出光波場(chǎng)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(hù)理最嚴(yán)重的并發(fā)癥，可造成肺動(dòng)脈栓塞引起患者死亡。特別對(duì)頭高位和低血容量的患者尤應(yīng)重視。輸液器、肝素帽及三通管各個(gè)接頭處要銜接牢固。在輸液過程中應(yīng)加強(qiáng)巡視，及時(shí)更換液體。

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

式中,Jn為第一類n階貝塞爾函數(shù);C=πVm/Vπ為微波調(diào)制的調(diào)制深度。經(jīng)相位調(diào)制后光波將產(chǎn)生一系列邊帶,各階邊帶分量的光強(qiáng)取決于調(diào)制深度對(duì)應(yīng)的各階貝塞爾函數(shù)值。當(dāng)PM調(diào)制深度不同時(shí),其0～3階輸出光譜相對(duì)于輸入光強(qiáng)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(diào)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(qiáng)應(yīng)近似相等且低于相應(yīng)邊帶下的光纖SBS閾值,故取調(diào)制深度C=1.435。由圖2可知,當(dāng)C=1.435時(shí),PM輸出0階基帶和±1階邊帶光強(qiáng)近似相等,且均占總輸出光強(qiáng)的30%左右,較±2階邊帶高8.09 dB,此時(shí)可忽略±2階及更高階邊帶的影響,從而獲得三波長(zhǎng)探測(cè)光。

圖2 歸一化強(qiáng)度與調(diào)制深度的關(guān)系

1.2 瑞利和布里淵自外差檢測(cè)

假設(shè)DFB-LD輸出光經(jīng)PM和EOM調(diào)制后進(jìn)入傳感光纖,因標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中布里淵頻移的波長(zhǎng)系數(shù)為7 MHz/nm[6],故當(dāng)PM調(diào)制頻率較低時(shí)可忽略波長(zhǎng)依賴性對(duì)布里淵散射譜的影響。當(dāng)PM調(diào)制深度為1.435時(shí),三波長(zhǎng)探測(cè)光在光纖中產(chǎn)生的背向瑞利和布里淵散射光場(chǎng)分別為

式中,ER為瑞利散射光場(chǎng)強(qiáng);φRn為不同波長(zhǎng)探測(cè)光產(chǎn)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(chǎng)強(qiáng);ωB為探測(cè)光產(chǎn)生的布里淵頻移角頻率;φSn和φASn分別為不同波長(zhǎng)探測(cè)光產(chǎn)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(hào)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(cè)器)中進(jìn)行相干檢測(cè)時(shí)的輸出光電流為

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

干性,因此,由同一階光譜分量在光纖中產(chǎn)生的瑞利和布里淵散射自外差及由不同階光譜分量產(chǎn)生的瑞利和布里淵散射的外差信號(hào)均能獲得攜帶布里淵頻移信息的單頻信號(hào),而瑞利和布里淵散射中各光譜分量之間的外差信號(hào)將以組合頻率干擾的形式表現(xiàn)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(xiàng)及背景噪聲,則當(dāng)C=1.435時(shí),PD的輸出光電流為

式中,k為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;Δf為BPF帶寬;RL為負(fù)載阻抗;e為電荷電量;i2CRN(t)為單波長(zhǎng)探測(cè)光產(chǎn)生的相干瑞利噪聲。當(dāng)三波長(zhǎng)探測(cè)光各階分量的功率與單波長(zhǎng)探測(cè)光功率相等時(shí),三波長(zhǎng)自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)信噪比與單波長(zhǎng)系統(tǒng)信噪比的比值為

式(9)為采用三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)系統(tǒng)信噪比的改善量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證三波長(zhǎng)探測(cè)光提高自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)性能的有效性,搭建了如圖3所示的多波長(zhǎng)瑞利和布里淵自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)。

圖3 多波長(zhǎng)自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)

系統(tǒng)采用20 d B線寬為10.3 k Hz、中心波長(zhǎng)為1 550.057 nm、輸出功率為10 m W的DFB-LD光源,LD輸出的連續(xù)光經(jīng)PM調(diào)制成波長(zhǎng)間隔為0.004 nm的三波長(zhǎng)探測(cè)光,其光譜如圖4所示。PM調(diào)制后的多波長(zhǎng)連續(xù)光被由脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的AOM調(diào)制成重復(fù)頻率為30 k Hz、脈沖寬度為100 ns的光脈沖,調(diào)制后的光脈沖經(jīng)EDFA1(摻鉺光纖放大器)放大、FBGF1(光柵濾波器)濾波和VOA(可調(diào)衰減器)衰減后,通過環(huán)行器進(jìn)入長(zhǎng)度1.5 km的傳感光纖。光脈沖在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的背向瑞利和布里淵散射光經(jīng)環(huán)行器后由EDFA2放大、FBGF2濾波,經(jīng)PS(擾偏器)后進(jìn)入帶寬為20 GHz的PD進(jìn)行自外差檢測(cè)。PS的作用是使瑞利和布里淵散射光偏振態(tài)均接近隨機(jī)狀態(tài),從而減小偏振衰落噪聲。為了比較單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)的性能,采用三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)的入纖峰值功率近似為單波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)的3倍。

圖4 相位調(diào)制產(chǎn)生的三波長(zhǎng)探測(cè)光

在室溫25.8℃時(shí),由分辨率帶寬為8 MHz的ESA(頻譜分析儀)測(cè)得的PD輸出自外差信號(hào)頻譜如圖5所示。由于PM調(diào)制產(chǎn)生三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí),除產(chǎn)生0階基帶和±1階邊帶外還產(chǎn)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(hào)譜包括7個(gè)譜分量。因調(diào)制產(chǎn)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(hào)譜中標(biāo)號(hào)2～6的譜分量功率近似相等;因±2階邊帶功率偏低,故標(biāo)號(hào)1和7的譜分量功率較中心頻率為νB的譜分量(標(biāo)號(hào)4)功率低6.7 d B。

圖5 自外差檢測(cè)信號(hào)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(shè)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(cè)量PD輸出的自外差信號(hào)功率的時(shí)域波形。設(shè)置ESA中心頻率的調(diào)節(jié)步進(jìn)為8 MHz,在10.803 2～10.947 2 GHz范圍內(nèi)對(duì)瑞利和布里淵自外差信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行掃頻測(cè)量,每次測(cè)量平均3 000次,得到一條自外差檢測(cè)BOTDR時(shí)域波形。對(duì)光纖各位置處的數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合,對(duì)擬合后的洛倫茲譜進(jìn)行積分可得到圖6所示的沿光纖分布的自外差信號(hào)功率。由圖可知,采用三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí),自外差信號(hào)功率比采用單波長(zhǎng)時(shí)高3.33 dB,且可有效地減小相干瑞利噪聲引起的功率波動(dòng),其RMSE(均方根誤差)減小約1.23 d B。結(jié)果表明,采用三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí),系統(tǒng)信噪比提高了近4.56 dB,約為單波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)的3倍。

圖6 單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)自外差信號(hào)功率分布

由于布里淵頻移的波長(zhǎng)系數(shù)為7 MHz/nm,且三波長(zhǎng)探測(cè)光的波長(zhǎng)間隔僅為0.004 nm,故布里淵頻移的波長(zhǎng)依賴性對(duì)三波長(zhǎng)BOTDR系統(tǒng)的布里淵散射譜寬影響不明顯。因此,采用三波長(zhǎng)探測(cè)光進(jìn)行傳感時(shí),可獲得較高的溫度和應(yīng)變測(cè)量精度。圖7為采用單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)沿光纖分布的布里淵頻移。由于光源線寬較窄,系統(tǒng)中的相干瑞利噪聲較大,采用單波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)沿光纖分布的布里淵頻移波動(dòng)和RMSE較大,其值分別為23.9 MHz和3.8 MHz。當(dāng)采用三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí),相干瑞利噪聲可得到有效地降低,因此布里淵頻移波動(dòng)和RMSE減小至11.6 MHz和1.6 MHz。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)信噪比和頻移測(cè)量精度,可通過增大PM調(diào)制深度或采用雙頻PM來增加波長(zhǎng)數(shù),進(jìn)一步提高系統(tǒng)的入纖功率,減小CRN。

圖7 單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)布里淵頻移分布

3 結(jié)束語

為了減小相干瑞利噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響,提出了多波長(zhǎng)瑞利和布里淵自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)。分析了相位調(diào)制產(chǎn)生多波長(zhǎng)探測(cè)光的機(jī)理,研究了三波長(zhǎng)探測(cè)光產(chǎn)生的瑞利和布里淵自外差檢測(cè)原理。設(shè)計(jì)并搭建了采用單波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)的自外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng),獲得了常溫下沿光纖分布的自外差檢測(cè)信號(hào)功率和布里淵頻移。結(jié)果表明,采用三波長(zhǎng)探測(cè)光進(jìn)行傳感時(shí),有效地減小了相干瑞利噪聲引起的功率波動(dòng),系統(tǒng)信噪比的提高量接近4.56 d B;同時(shí),采用三波長(zhǎng)探測(cè)光時(shí)布里淵頻移波動(dòng)和RMSE分別從采用單波長(zhǎng)時(shí)的23.9 MHz和3.8 MHz降低為11.6 MHz和1.6 MHz。

[1]Farahi F,Pannell C N,Jackson D A.Potential of stimulated Brillouin scattering as sensing mechanism for distributed temperature sensors[J].Electron Lett,1989,25(14):913―914.

[2]Maughan S M,Kee H H,Newson T P.Simultaneous distributed fibre temperature and strain sensor using microwave coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter[J].Meas Sci Technol,2001,12(7): 834―842.

[3]陽(yáng)林,史尊偉,黃吉超,等.基于BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)的架空線路溫度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù),2015,41(3):329―333.

[4]Parker T R,Farhadiroushan M,Handerek V A,et al.A fully distributed simultaneous strain and temperature sensor using spontaneous Brillouin backscatter [J].IEEE Photonics Technol Lett,1997,9(7): 979―981.

[5]Kim S,Kwon H,Yang I,et al.Performance of a distributed simultaneous strain and temperature sensor based on a Fabry-Perot laser diode and a dual-stage FBG optical demultiplexer[J].Sensors,2013,13 (11):15452―15464.

[6]Li C L,Lu Y G,Zhang X P.SNR enhancement in Brillouin optical time domain reflectometer using multi-wavelength coherent detection[J].Electron Lett,2012,48(18):1139―1141.

[7]Chang T Y,Koscica T E,Li D Y,et al.A novel detection method of Brillouin backscattered light in optical fiber[J].IEEE Sens J,2009,9(4):430―434.

[8]Wood T H,Linke R A,Kasper B L,et al.Observation of coherent Rayleigh noise in single-source bidirectional optical fiber systems[J].J Lightwave Technol,1988,6(2):346―352.

[9]楊建良,查開德.光纖AM-CATV外調(diào)制傳輸系統(tǒng)中雙頻調(diào)相抑制SBS的理論分析[J].中國(guó)激光,2000,27(8):724―728.

[10]Agrawal G P.光纖通信系統(tǒng)[M].第3版,北京:清華大學(xué)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61377088);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2014502098,F2015502059);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)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。