本发明涉及一种混沌激光相关布里渊光时域分 析器，属于分布式 光纤传感器技术领域。

背景技术

在光纤布里渊光时域分析器领域， 为了提髙传感器的空间分辨 率，采用窄脉冲光源，但由于光纤的非线性效 应， 限制了光纤的入射 功率， 因此，要实现长距离，髙空间分辨率的光纤布 里渊光时域分析 器很困难，传统的压缩激光器脉宽的方法，双 脉冲对的方法，难以实 现长距离空间分辨率小于 1米的效果，而且空间分辨率与测量长度有 关，系统的信噪比也低。且现有技术对于锁定 窄带探测激光器和窄带 泵浦激光器仍然存在困难。因此目前亟需一种 布里渊光时域分析器技 术，可有效地提髙传感器系统的空间分辨率和 测量距离，满足近年来 石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对 超远程全分布式光纤应 变和温度传感网的需求。

发明内容

本发明的目的在于， 提供一种混沌激光相关布里渊光时域分析 器。它可有效地提髙传感器系统的空间分辨率 达厘米级，测量距离达 50km o

本发明的技术方案：一种混沌激光相关布里渊 光时域分析器，特 点是:它是利用混沌激光相关原理，相干放大� �布里渊散射光的应变、 温度效应和光时域反射原理制成的光纤布里渊 光时域分析器，它利用 同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析器的 本地参考光源和泵浦 信号光源。 采用混沌激光相关原理在时域上随机起伏的光 脉冲序列， 通过传感光纤的背向光与本地参考光的相关处 理，可提髙传感器系统 的空间分辨率达厘米级;采用同一的混沌激光� �克服了光纤布里渊光 时域分析器要求严格地锁定探测激光器和泵浦 激光器频率的困难，提 髙了传感器系统的信噪比 10dB， 相应地提髙了传感器的测量长度达 50km o

上述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 它包括混沌激光 器、第二光纤分路器、光调制器、第一掺饵光 纤放大器、第二可调光 衰减器、偏振扰模器、单向器、传感光纤、第 二掺饵光纤放大器、第 二光纤环行器、第三光纤环行器、光纤光栅反 射滤光器、光电接收器 模块、数字信号处理器和计算机；混沌激光器 的输出端与第二光纤分 路器的输入端相连， 第二光纤分路器的一个输出端与光调制器相连 ， 并依次经由第一掺饵光纤放大器、 第二可调光衰减器、 偏振扰模器、 偏振扰模器、单向器与传感光纤的一端相连； 第二光纤分路器的另一 个输出端与第二掺饵光纤放大器相连，并经由 第二光纤环行器与传感 光纤的另一端相连，第二光纤环行器还与第三 光纤环行器相连，第三 光纤环行器的上还连有光纤光栅反射滤光器， 第三光纤环行器的输出 端与光电接收器模块相连，光电接收器模块的 输出端与数字信号处理 器和计算机相连。通过光电接收器模块、数字 信号处理器和计算机将 传感光纤的混沌激光信号与本地参考光外差， 并进行相关处理和快速 傅里叶变换解调， 获得 50km传感光纤所在现场的髙空间分辨率达厘 米量级的应变、 温度信息并通过无线网或互联网传送给远程监 控网。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述混沌激光器包 括半导体 LD激光器、 第一偏振控制器、 第一光纤环行器、 第一光纤 分路器、 第一可调光衰减器和第二偏振控制器； 半导体 LD激光器经 第一偏振控制器与第一光纤环行器的一个输入 端口相接，第一光纤环 行器的输出端与第一光纤分路器输入端相连， 第一光纤分路器的一个 输出端与第一可调光衰减器的输出端相连，并 通过第二偏振控制器与 第一光纤环行器的另一个输入端相连，再经第 一偏振控制器反馈给半 导体 LD激光器； 第一光纤分路器的另一个输出端与第二光纤分 路器 的输入端相连。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述半导体 LD激 光器是 DFB激光器，工作波长为 1550. Onm,输出功率为 lOdBm;第一 光纤分路器的分支比为 20 : 80; 第二光纤分路器的分支比为 30 : 70。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述光调制器是鈮 酸锂马赫-泽德尔调制器 （Mach - Zehnder modulator (MZM) ) ₀ 经计 算机控制将激光器的频率降低 llGHz。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述传感光纤为 50km单模通讯 G652光纤或 50km LEAF光纤。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述光纤光栅反射 滤光器的中心波长为 1550. 08nm,光谱带宽为 0. lnm。可滤除其它光， 允许传感光纤的斯托克斯受激布里渊散射信号 光通过第三光纤环行 器与本地参考光外差接收并进行相关处理。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述光电接收器模 块是由频率响应为 2Ghz以上的光电探测器、 前置放大器和主放大器 组成。

前述的混沌激光相关布里渊光时域分析器中， 所述的数字信号处 理器为有相关处理和快速傅里叶变换软件的髙 速 5G采样率和 500MHz 频宽的数字信号处理器。

混沌激光相关原理：

半导体激光器在受到光反馈时持续地产生随机 起伏的超宽带混 沌激光，其相关曲线具有 δ函数形状，半导体激光器的非线性混沌振 荡的带寬可大于 15GHz， 实现与测量长度无关的髙分辨率、髙精度的 测量。

设参考光为 f(t) ， 探测光为 g(t) =Kf (t- T )

互相关函数：

当 τ = τ 0时， 互相关函数存在峰值， 互相关峰值与探测光的强 度相关。 通过数字信号处理器和计算机对探测光与参考 光进行采集、 累加，相关处理和髙速傅里叶变换处理，获得 传感光纤上应变和温度 的信息。由非线性混沌振荡的带寬，光电接收 器模块和数字处理系统 的带宽决定布里渊光时域分析器的空间分辨率 ，由系统的信噪比决定 了布里渊光时域分析器测量长度。

布里渊时域分析器的工作原理：

在光纤中，入射光纤的探测激光，泵浦激光与 光纤产生非线性相 互作用，在光纤中光波通过电致伸縮产生声波 ，引起光纤折射率的周 期性调制 （折射率光栅)， 产生频率下移的受激布里渊散射光， 在光 纤中产生的背向布里渊散射的频移 V Β为：

其中 η为入射光波长 λ处的折射率， V为光纤中声速， 对石英光 纤， 在 λ =1550ηπι附近， ν _Β 约为 llGHz。

在光纤中的布里渊散射光频移 V B具有应变和温度效应

布里渊散射光的频移

δν _Β = Ο _νε δε + Ο _νΤ δΤ 4) 其中频移的应变系数 C V ε和温度系数 C V Τ为

C _vs = 0.0482 ± 0.004MHz/ ^ C^ = 1.10 ± 0.02MHz/ 与现有技术相比，本发明采用混沌激光相关原 理，混沌激光具有 超宽带频宽，通过对信号光与本地参考光的相 关处理获得髙空间分辨 率，有效地提髙了传感器的可靠性和空间分辨 率可达厘米级，混沌激 光的脉冲序列增加了进入传感光纤的泵浦光子 数，提髙了传感器系统 的信噪比 10dB， 增加了布里渊光时域分析器的测量长度可达 50km; 采用同一的混沌激光器作为布里渊光时域分析 器的本地参考光源和 泵浦信号光源也解决了锁定窄带探测激光器和 窄带泵浦激光器的困 难， 改善了系统的稳完性。

附图说明

图 1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说 明，但并不作为对 本发明限制的依据。

实施例。一种混沌激光相关布里渊光时域分析 器，它是利用混沌 激光相关原理，相干放大的布里渊散射光的应 变、温度效应和光时域 反射原理制成的光纤布里渊光时域分析器，它 利用同一的混沌激光器 作为布里渊光时域分析器的探测光源和泵浦信 号光源。

它包括混沌激光器、 第二光纤分路器 16、 光调制器 17、 第一掺 饵光纤放大器 18、第二可调光衰减器 19、偏振扰模器 20、单向器 21、 传感光纤 22、第二掺饵光纤放大器 23、第二光纤环行器 24、第三光 纤环行器 25、光纤光栅反射滤光器 26、光电接收器模块 27、数字信 号处理器 28和计算机 29；混沌激光器的输出端与第二光纤分路器 16 的输入端相连，第二光纤分路器 16的一个输出端与光调制器 17相连， 并依次经由第一掺饵光纤放大器 18、 第二可调光衰减器 19、 偏振扰 模器 20、 偏振扰模器 20、 单向器 21与传感光纤 22的一端相连； 第 二光纤分路器 16的另一个输出端与第二掺饵光纤放大器 23相连，并 经由第二光纤环行器 24与传感光纤 22的另一端相连，第二光纤环行 器 24还与第三光纤环行器 25相连， 第三光纤环行器 25上还连有光 纤光栅反射滤光器 26相连，第三光纤环行器 25的输出端与光电接收 器模块 27相连， 光电接收器模块 27的输出端与数字信号处理器 28 和计算机 29相连。

所述混沌激光器包括半导体 LD激光器 10、 第一偏振控制器 11、 第一光纤环行器 12、第一光纤分路器 13、第一可调光衰减器 14和第 二偏振控制器 15;半导体 LD激光器 10经第一偏振控制器 11与第一 光纤环行器 12的一个输入端口相接，第一光纤环行器 12的输出端与 第一光纤分路器 13输入端相连，第一光纤分路器 13的一个输出端与 第一可调光衰减器 14的输出端相连，并通过第二偏振控制器 15与第 一光纤环行器 12的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器 11反馈 给半导体 LD激光器 10; 第一光纤分路器 13的另一个输出端与第二 光纤分路器 16的输入端相连。

所述半导体 LD激光器 10是 DFB激光器，工作波长为 1550. Onm, 输出功率为 lOdBm;第一光纤分路器 13的分支比为 20 :80;第二光纤 分路器 16的分支比为 30 : 70。

所述光调制器 17是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。

所述传感光纤 22为 50km单模通讯 G652光纤或 50km LEAF光纤。 所述光纤光栅反射滤光器 26的中心波长为 1550. 08nm， 光谱带 宽为 0. lnm。

所述光电接收器模块 27是由频率响应为 2Ghz 以上的光电探测 器、 前置放大器和主放大器组成。

所述的数字信号处理器 28为有相关处理和快速傅里叶变换软件 的髙速 5G采样率和 500MHz频宽的数字信号处理器。

本发明的工作原理：混沌激光器经光纤分路器 分成两朿，其中一 朿超宽带混沌激光作为本地参考光，经光调制 器，将激光器的频率下 降 11GHz, 经掺饵光纤放大器放大， 经光纤扰模器进入传感光纤， 另 一朿超宽带混沌激光脉冲序列经掺铒光纤放大 器，第二环行器进入传 感光纤作为泵浦信号光，传感光纤中背向的带 有应变和温度信息的受 激布里渊光 V。士 v _B 经光纤光栅反射滤波器， 滤除 v。， _V 。+v _B ， 获 得 _ν 。-ν _Β 信号光， 与本地参考光通过光电接收器模块， 数字信号处 理器和计算机解调并作相关处理和快速傅里叶 变换，由光时域反射原 理定位， 获得传感光纤上各段上髙空间分辨率的应变和 温度信息。