基于随机激光放大的长距离大容量fbg传感系统
阅读说明：本技术 基于随机激光放大的长距离大容量fbg传感系统 (Long-distance large-capacity FBG sensing system based on random laser amplification ) 是由 饶云江 董诗盛 杨泽元 王子南 刘杰 韩冰 吴明埝 栗鸣 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统,涉及光纤传感技术领域,解决FBG传感系统中的大容量复用及长距离传感问题,系统包括信号光源模块、环形器、波分复用器、低噪声随机激光泵浦光源、传输光纤、传感FBG以及信号解调模块；本发明在FBG传感系统中采用随机激光放大与遥泵掺铒光纤放大结合的新型分布式放大技术,可显著延长系统传感距离；同时,本发明利用混合时分复用和波分复用方式结合反射率补偿式分布的FBG复用方式,进一步提高了系统复用率和传感距离,可实现适用于电力安全监测等领域的长距离、大容量的FBG传感系统。(The invention discloses a long-distance large-capacity FBG sensing system based on random laser amplification, which relates to the technical field of optical fiber sensing and solves the problems of large-capacity multiplexing and long-distance sensing in the FBG sensing system, wherein the system comprises a signal light source module, a circulator, a wavelength division multiplexer, a low-noise random laser pumping light source, a transmission optical fiber, a sensing FBG and a signal demodulation module; the invention adopts a novel distributed amplification technology combining random laser amplification and remote pump erbium-doped fiber amplification in the FBG sensing system, and can obviously prolong the sensing distance of the system; meanwhile, the invention further improves the system multiplexing rate and the sensing distance by utilizing a hybrid time division multiplexing and wavelength division multiplexing mode and combining a reflectivity compensation type distributed FBG multiplexing mode, and can realize a long-distance and large-capacity FBG sensing system suitable for the fields of electric power safety monitoring and the like.)
技术领域
本发明涉及光纤光栅及光纤传感领域，尤其是基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统。
背景技术
自从1978年K.O.Hill首次报导FBG以来，FBG成为广泛用在光纤通信系统中的关键无源器件。同时，FBG作为一种结构敏感元件，还可作为新型传感器，结构可随着外界温度、应变等物理量变化而变化，具有抗电磁干扰、抗尺寸小、抗腐蚀性好、便于复用和灵敏度高等特点，适合在极端恶劣环境中使用。但由于器件的非线性温漂、噪声干扰以及复用时阴影效应和多次反射串扰等问题，传统的FBG传感系统还存在很多不足与限制，比如，复用容量如何更大、传感距离如何更长、解调精度如何更准、解调速度如何更快，解决上述问题成为现在的研究热点。
目前光放大技术中，分布式放大技术及遥泵放大技术可以有效的提升FBG传感系统的传感范围，但现在采用的泵浦光源相对强度噪声过高，在放大信号光的同时会导致信号光的相对强度噪声进一步恶化，系统的信噪比下降。FBG大容量复用技术中，TDM技术和WDM技术广泛应用于FBG传感系统，相对这两种复用技术，TDM+WDM的混合复用技术成为了大容量FBG传感系统的一种新的解决方案，这种混合复用技术能成倍的提升FBG传感系统的复用能力和系统空间分辨率。
FBG传感技术可广泛应用各种基础设施的结构监控监测。尤其是长距离大容量FBG传感系统，可用于国家电网高压输电线路的大范围无中继监测，是现在的热门研究内容。高压输电线路的分布环境复杂，大多分布在荒郊野外等恶劣环境中，监测维护成本高，而且对于长距离的FBG传感系统监测，中继站的维护也是一个负担，因此电网监测急需一种长距离大容量无中继的FBG传感系统方案。
发明内容
本发明的目的在于：解决FBG传感系统中的大容量复用及长距离传感问题，为高压输电线路等大范围无中继传感监测提供一种解决方案。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统，包括依次连接的信号光源模块、环形器、波分复用器以及传输光纤，所述环形器的第三端口连接信号解调模块，低噪声随机激光泵浦模块的输出端与波分复用器相连；
信号光源模块发出的脉冲光通过波分复用器与低噪声随机激光泵浦光源模块输出的泵浦光耦合进入传输光纤，实现分布式随机激光放大，一段掺铒光纤位于传感光纤中，实现遥泵掺铒光纤放大，延长系统距离，其中掺铒光纤的长度为1-50m；
传感FBG按补偿式分布在传输光纤中，传输光纤中不同位置放置的FBG反射率不同，反射率范围为-60dB～0dB；
传感FBG反射的信号光经过环形器，进入信号解调模块，信号光携带了外界信息，通过信号解调模块分析信号光波长还原外界信息。
作为一种可选的技术方案，所述信号光源模块包括宽带光源和声光调制器，其中，宽带光源的输出端连接声光调制器；声光调制器的输出端依次连接第一掺饵光纤放大器，环形器的第一端口；
环形器第一端口的光从第二端口出来，依次经过波分复用器、强反馈模块，再进入传输光纤；传输光纤中传感FBG的反射光从环形器的第二端口进去，从其第三端口出来，环形器的第三端口连接第二掺饵光纤放大器，第二掺饵光纤放大器的输出连接信号解调模块。
作为一种可选的技术方案，所述声光调制器通过信号发生器连接信号解调模块，信号解调模块连接上位机。
作为一种可选的技术方案，所述的信号解调模块包括有光谱解调模块和色散补偿解调模块。
作为一种可选的技术方案，所述色散补偿解调模块包括两个接口，一个为外部光接口，该接口由光纤耦合器的一个端口组成，另一个为上位机数据接口，该接口由数据采集模块的两个输出端口组成；
光纤耦合器的一路输出端口连接普通单模光纤校准，普通单模光纤校准再连接一个光电探测器，光电探测器再连接数据采集模块的第一输出端口；
光纤耦合器的另一路输出端口连接一个色散补偿模块，色散补偿模块再连接一个光电探测器，光电探测器再连接数据采集模块的第二输出端口
作为一种可选的技术方案，所述的低噪声随机激光泵浦光源模块的相对强度噪声小于-100dB/Hz。
作为一种可选的技术方案，所述信号光源模块可采用脉冲光源或连续光源经调制器调制后输出脉冲信号光，调制器包括有声光调制器、电光调制器。
作为一种可选的技术方案，所述FBG传感系统还包括强反馈模块，所述强反馈模块包括有强反射率的FBG及光纤环形镜。
作为一种可选的技术方案，所述FBG传感系统采用TDM及WDM技术结合，传感FBG具有不同的中心波长，中心波长范围1510～1590nm。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用低噪声光纤随机激光放大技术，进一步将随机激光放大技术与ROPA结合形成混合式放大技术，可以有效的延长系统的无中继传感距离。
2、传统长距离FBG传感系统中，信号光在传感链路不同位置处的强度不同。本发明采用传感FBG反射率补偿式分布技术方案，设置不同位置的传感FBG反射率不同，信号光强度弱的地方传感FBG反射率高，可以显著提升传感信号的空域均衡性能。
3、本发明所述的长距离大容量FBG传感系统采用TDM和WDM结合的混合复用方式，传感FBG按中心波长分组，数个不同中心波长的传感FBG为一组，各组间中心波长相同的传感FBG分布在不同位置，采用TDM方案解调，各组内中心波长不同的传感FBG占用信号光源的不同波段，采用WDM方案解调。在TDM的前提下叠加WDM方式，可以高效的利用信号光源的各个波段，提高系统的传感FBG复用数量。
附图说明
图1是本发明基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统框图；
图2是实施例一的基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统框图；
图3是实施例二的基于光谱解调模块及混合放大技术的长距离大容量FBG传感系统框图；
图4是实施例三的基于色散补偿模块及混合放大技术的长距离大容量FBG传感系统框图；
图5是实施例三中信号解调模块的组成结构框图；
图6是实施例一、二的系统功率分布仿真图；
图中标记：1、信号光源模块；1-1、宽带光源；1-2、声光调制器；2、环形器；3、波分复用器；4、低噪声随机激光泵浦光源模块；5、传输光纤；6、传感FBG；6-x、FBG组；7、信号解调模块；7-1、光纤耦合器；7-2、单模光纤校准模块；7-3、色散补偿模块；7-4、光电探测器；7-5、数据采集模块；8、EDF；9、信号发生器；10-1、第一掺饵光纤放大器；10-2、第二掺铒光纤放大器；11、上位机；12、强反馈模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例，特别是随机激光放大技术和传感FBG复用技术，虽然在本发明中组合使用，实际上低噪声随机激光放大技术可以单独用于各种光纤传感系统，以达到高效放大的效果，传感FBG复用技术可以单独用于多种FBG传感系统，以达到增加传感FBG复用率的效果。
以附图1为例，对以下实施例所涉及原理说明：
随机激光放大技术，特点在于泵浦光在传输光纤中传输并产生随机激光，结构可由波分复用器3、低噪声随机激光泵浦光源模块4、传输光纤5组成，低噪声随机激光泵浦光源模块4产生的泵浦光通过波分复用器3进入传输光纤5，传输光纤5中的后向瑞利散射对泵浦光进行一个弱反馈，受激拉曼散射提供增益，对传感系统中的信号光进行分布式放大。高阶随机激光放大系统结构中，传输光纤5的起始端还连接了一个强反馈模块12，对高阶随机激光产生强反馈，形成一个半开腔式随机激光结构，产生的高阶随机激光在传输光纤中作为泵浦光对信号光进行分布式放大。
本发明所述的长距离大容量FBG传感系统中的ROPA技术，是一种泵浦光源和作为增益介质的EDF分离的点式放大方式，结构可以由波分复用器3、低噪声随机激光泵浦光源模块4、传输光纤5、EDF8组成，低噪声随机激光泵浦光源模块4产生的泵浦光经过波分复用器3和信号光耦合一起进入一段传输光纤5到达EDF8处，由于铒离子能带的分布特性，EDF可以吸收泵浦光，并对C波段的信号光进行放大。
第一掺饵光纤放大器简称，EDFA10-1；第二掺饵光纤放大器简称，EDFA10-2；掺饵光纤简称，EDF 8。
实施例1
如附图2所示，本实施例提供基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统是基于高阶随机激光放大技术的长距离大容量FBG传感系统。信号光源模块1、环形器2、波分复用器3、强反馈模块12、传输光纤5依次连接，环形器2的逻辑为第一端口进第二端口出，第二端口进第三端口出，第三端口进第一端口出，环形器2的第三端口连接信号解调模块7，低噪声随机激光泵浦光源模块4连接波分复用器3，传感FBG6分布在传输光纤5中，复用200个中心波长为1550nm，反射率范围为-50dB到-10dB按补偿式分布的传感FBG6。
本发明的工作原理：信号光源模块1出射波长为1550nm的信号光经环形器2的第一端口进入波分复用器3的1550nm端口，低噪声随机激光泵浦光源4连接波分复用器3的短波长接口，信号光和泵浦光一同从波分复用器3的公共端出来进入传输光纤5，泵浦光在传输光纤5中产生的瑞利散射和拉曼增益，形成随机激光，而强反馈模块12给随机激光提供一个强反射，降低产生随机激光的泵浦光阈值，形成半开腔式随机激光，随机激光沿传输光纤5分布，对信号光进行低噪声分布式放大，传感FBG6作为系统的传感元，由于其结构敏感特性，其反射谱中心波长随外界环境物理量的变化而变化，传感FBG6将信号光反射，并使得后向信号光携带外界信息，后向信号光再沿着传输光纤5进行随机激光放大，由于强反馈模块12的反射谱不包含信号光的波长，后向信号光通过环形器2第二端口进入信号解调模块7，通过解调后向信号光光谱信息还原外界物理量。系统仿真结果如附图6(a)(b)所示，其中信号光输入功率为0.02W，波长为1365nm的低噪声随机激光泵浦光源4输入功率为1.5W，强反馈模块12的反射波长为1455nm，反射率为90％，在传输光纤5中产生1455nm的随机激光给信号光进行分布式随机激光放大。
实施例2
如附图3所示，本实施例提供基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统是基于光谱解调模块的混合放大技术的长距离大容量FBG传感系统。信号解调模块7采用光谱解调模块；宽带光源1-1的输出端连接声光调制器1-2，信号发生器9连接声光调制器1-2和光谱调节模块，声光调制器1-2的输出连接EDFA10-1，再进入环形器2的第一端口，环形器2的第一端口的光从第二端口出来经过强反馈模块12进入传输光纤5，传输光纤5中传感FBG6的反射光从环形器2的第二端口进去，从其第三端口出来，环形器2的第三端口连接一个EDFA10-2，EDFA10-2的输出连接光谱调节模块。系统复用传感FBG6数量为200个，反射率范围为-50dB到-10dB，其中每四个传感FBG6为一FBG组6-x，不同形状的图案代表不同中心波长的传感FBG6，共50组(n为50)。传输光纤5采用的是普通单模光纤，长度为150km，传感FBG6按等间距分布，每组组间间隔为3km。
本发明的工作原理说明：宽带光源1-1发出的波长为1550nm的连续光经过声光调制器1-2调制成周期脉冲光，脉冲光的脉宽和周期由信号发生器9决定。周期脉冲光经EDFA10-1放大后，通过环形器2进入波分复用器3的1550nm端口，低噪声随机激光泵浦光源4的输出进入波分复用器3的短波长端口，混合光从波分复用器3的公共端口出来后进入一段150km并刻有传感FBG6的普通单模光纤。传感FBG6的反射谱并不包含随机激光泵浦光的波长，且在脉冲光的波长范围内。脉冲光和泵浦光一起在传输光纤5中传输，当泵浦光功率大于光纤阈值时，产生的受激拉曼散射效应，会对脉冲光进行分布式随机激光放大，由于在较远端，随机激光放大无法高效补偿光纤以及传感FBG6对信号脉冲光的损耗，我们在40km处放置了一段长为20米的EDF8，泵浦光在EDF8的位置会对脉冲光产生高效率的放大，这样的混合放大方式可以成功将传感距离延长至150km。由于使用的是低噪声随机激光泵浦光源4，泵浦光的相对强度噪声低于-100dB/Hz，由于相对强度噪声转移的特性，经过放大后的信号光也会具有相对较低的相对强度噪声。传感FBG6按反射谱的中心波长分类有四种，每个FBG传感单元组6-n包含四种传感FBG6，组内采用WDM，组间采用TDM，FBG的反射光作为探测信号光，通过环形器2经EDFA10-2放大后进入光谱调节模块得到反射光的光谱信息，从而推断出外界环境传感信息，最终在上位机11上可视化显示。光谱解调模块7的采样频率和单次采样时间由信号发生器9连接控制。系统仿真结果如附图6(c)(d)所示，仿真参数同实施例1。
实施例3
如附图4所示，本实施例提供基于随机激光放大的长距离大容量FBG传感系统是基于色散补偿模块的混合放大技术的长距离大容量FBG传感系统。宽带光源1-1的输出端连接声光调制器1-2，信号发生器9连接声光调制器1-2和信号解调模块7，声光调制器1-2的输出连接EDFA10-1，再进入环形器2的第一端口，环形器2的第一端口的光从第二端口出来经过强反馈模块12进入传输光纤5，传输光纤5中FBG的反射光从环形器2的第二端口进去，从其第三端口出来，环形器2的第三端口连接一个EDFA10-2，EDFA10-2的输出连接信号解调模块7，信号解调模块7采用色散补偿解调模块，系统复用FBG的方式与实施例2相同。
如附图5所示：色散补偿解调模块包括两个接口，一个为外部光接口，该接口由光纤耦合器7-1的一个端口组成，另一个为上位机数据接口，该接口由两个数据采集模块7-5的输出端口组成；
光纤耦合器7-1的一路输出端口连接普通单模光纤校准模块7-2，普通单模光纤校准模块7-2再连接一个光电探测器7-4，光电探测器7-4再连接一个数据采集模块7-5；
光纤耦合器7-1的另一路输出端口连接一个色散补偿模块7-3，色散补偿模块7-3再连接一个光电探测器7-4，光电探测器7-4再连接一个数据采集模块7-5。
本发明的工作原理说明：与实施例2类似，是通过环形器2经EDFA10-2放大后的光进入信号解调模块7得到反射光的光谱信息，从而推断出外界环境传感信息，最终在上位机11上可视化显示，但本实施例3中的信号解调模块7与实例2中的不同。
原理说明：信号解调模块7有两个外部接口，一个为外部光接口，另一个为上位机数据接口。FBG反射脉冲光通过色散补偿解调模块7的外部光接口进入光纤耦合器7-1，光纤耦合器7-1将入射光分散为两束，分别进入下路单模光纤校准模块7-2和上路色散补偿模块7-3，上路色散补偿模块7-3的作用是提供光纤色散差，下路单模光纤校准模块7-3的作用是补偿光路，使得光在上路和下路的通过时间基本相同。由于上路和下路有色散差，当入射光的波长发生改变时，光通过两路的时间差会发生改变，通过后面的光电探测器7-4和数据采集模块7-5以及上位机11的软件算法分析两路信号到达的时间变化解调出波长变化信息，从而推断出外界环境传感信息。
上述三个实施例表明，使用了基于低噪声随机激光放大技术和TDM和WDM的混合复用技术，可以有效的延长FBG传感系统的传感距离并有效增大系统的传感FBG复用容量，提升了FBG传感系统在高压电网监测等应用中的整体性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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