一種基于寬帶弱反鏡和隨機激光的光纖聲波傳感系統的制作方法

本發明屬于光電傳輸領域，特別涉及一種全光纖分布式聲波傳感技術。

背景技術：

全光纖分布式聲波傳感技術廣泛應用于油氣勘探、地震波檢測等領域，傳統分布式聲波傳感利用瑞利散射反饋回來的信號光，對其進行解調以獲得由聲波作用帶來的信號光相位變化，從而實現對聲波的測量。現有的技術采用極弱反光纖布拉格光柵(fbg)代替瑞利散射，提高信號光的反饋強度，但該技術受限于fbg的溫漂效應，一旦fbg溫度漂移過大，與波長不對應時，寫入的fbg就會失效，因此無法工作在大范圍溫度變化的場景中，且fbg反射帶寬窄，不利于引入隨機分布放大的方法。

技術實現要素：

本發明為解決上述技術問題，提供了一種基于寬帶弱反鏡和隨機激光的光纖聲波傳感系統，通過在傳感光纖中寫入寬帶弱反鏡陣列，在檢測傳感光纖中超寬帶弱反鏡反射光的干涉相位，得到光纖上連續分布的聲波、振動等參數的信息，從而實現分布式傳感；并通過這些弱反射鏡與瑞利散射的聯合隨機反饋產生隨機激光實現傳感光信號的分布式放大。

本發明采用的技術方案是：基于寬帶弱反鏡和隨機激光的光纖聲波傳感系統，包括：傳感光纖，所述傳感光纖上寫入寬帶弱反鏡陣列；

還包括：探測光源、第一調制器、第二調制器、環形器、泵浦激光器、波分復用器、傳感光纖、探測器、解調模塊以及數據分析模塊；

所述探測光源用于發出探測激光信號，所述第一調制器用于將探測光源調制成脈沖信號，所述第二調制器用于發出射頻信號驅動第一調制器，所述泵浦激光器用于發出泵浦激光，所述環形器用于將調制后的脈沖信號單向傳輸到波分復用器；所述波分復用器用于將調制后的脈沖信號與泵浦激光耦合進傳感光纖，所述傳感光纖根據寫入的寬帶弱反鏡陣列使泵浦激光相干反饋產生隨機激光，所述隨機激光對調制后的脈沖信號提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光經波分復用器從環形器單向傳輸至探測器；所述探測器采集反射光信號，并將反射光信號轉變為電信號；通過處理將電信號轉變為數字信號輸入解調模塊中解調出相位信息；通過數據分析模塊對相位信息進行分析，得到傳感光纖的擾動情況。

進一步地，當將該傳感光纖制成光纜時，在光纜中填充聲波增敏介質，將高傳感光纖置于聲波增敏介質中。

進一步地，所述第一調制器為聲光調制器。

進一步地，所述探測激光信號、脈沖信號以及反射光波長均為1550nm。

進一步地，所述泵浦激光波長為1365nm。

進一步地，所述隨機激光波長為1455nm。

本發明的有益效果：本發明通過在傳感光纖上寫入寬帶弱反鏡陣列，通過寬帶弱反鏡陣列實現對泵浦光經相干反饋產生的隨機激光，增加泵浦光的功率，隨機激光對探測光源的信號光提供分布式拉曼放大，該分布式拉曼放大可以用于補償寬帶弱反鏡陣列的插入損耗，并對反饋光進行放大，提升光信噪比，進而提升探測靈敏度，并通過控制相鄰寬帶弱反鏡之間的間距獲得高空間分辨率；進而由于隨機激光放大具有較低的相對強度噪聲，因此能獲得低噪聲的分布式放大。

附圖說明

圖1所示為寬帶弱反鏡陣列仿真反射譜。

圖2所示為寬帶弱反鏡傳感光纖及光纖隨機激光分布式放大示意圖。

圖3所示為fodas整體結構示意圖。

具體實施方式

為便于本領域技術人員理解本發明的技術內容，下面結合附圖對本發明內容進一步闡釋。

本發明提供一種基于寬帶弱反鏡和隨機激光的光纖聲波傳感系統，包括傳感光纖，在該傳感器光纖寫入寬帶弱反鏡陣列。

基于該傳感光纖制成的光纜，通過在光纜中填充聲波增敏介質，將傳感光纖置于該介質中，以增強聲波對光纖的作用效果。

本申請中寫入的寬帶弱反鏡陣列的作用原理如下：

寬帶弱反鏡的好處是可以工作在高溫環境中，也能對入射光信號有效反饋，而不受溫度影響；并且在300℃高溫環境下仍對探測光信號具有反射特性。寬帶弱反鏡的設計采用傳輸矩陣理論模型，通過式(1)將寬帶弱反鏡左右兩側前向和后向傳輸的光信號振幅聯系起來，傳輸矩陣mi如式(2)所示：

其中，r代表光振幅的反射系數，t代表光振幅的透射系數，“*”代表復共軛。相鄰折射率層之間的距離由傳輸矩陣mi表示：

其中，n為有效折射率，k為波矢，δd為相鄰折射率層的距離，即相鄰寬帶若反鏡之間的距離。

由此，將所有寬帶弱反鏡及寬帶弱反鏡間距離對應的傳輸矩陣依次序相乘，即可得到整體結構的傳輸矩陣，結合邊界條件，可以推出寬帶弱反鏡陣列的總反射系數，進而得到反射譜。

圖1為根據本發明實施例的一種寬帶弱反鏡陣列仿真反射譜，仿真得到的極弱反法珀腔陣列反射譜如圖1所示，在單個寬帶弱反鏡反射率為0.05％，相鄰寬帶弱反鏡間距約為1m時，寫入1000個寬帶弱反鏡陣列得到中心波長1550nm處平均反射率為33％，該平均反射率可以通過改變單個寬帶弱反鏡的反射系數來進行優化。

圖2為根據發明實例的一種寫入寬帶弱反鏡的傳感光纖及光纖隨機激光分布式放大示意圖，本領域技術人員可知圖2中出現的uwf表示微波。寬帶弱反鏡間的距離在一定范圍內(通常為1m)隨機，無需嚴格相等，這一特點降低了寫入寬帶弱反鏡陣列時的要求，具有實際操作性。寬帶弱反鏡提供相干反饋，反射回來的光信號用于檢測聲波作用帶來相位差的改變量，光纖中的隨機圓點其實是光纖中原有的瑞利散射。泵浦光在寬帶弱反鏡陣列中相干反饋產生1455nm的隨機激光，該隨機激光作為泵浦光對1550nm的信號光提供分布式拉曼放大，獲得低噪聲的分布式放大。

圖3所示為根據本發明的實施例的基于該傳感光纖的聲波傳感系統結構示意圖。本發明還提供基于該傳感光纖的聲波傳感系統，包括：探測光源、脈沖調制器、調制器、環形器、泵浦激光器、波分復用器、傳感光纖、探測器、解調模塊以及數據分析模塊；

所述探測光源用于發出1550nm的探測激光信號，所述第一調制器用于將探測光源調制成脈沖信號，所述第二調制器用于發出射頻信號驅動第一調制器，所述泵浦激光器用于發出1365nm的泵浦激光，所述環形器用于將調制后的脈沖信號單向傳輸到波分復用器；所述波分復用器用于將調制后的脈沖信號與泵浦激光耦合進傳感光纖，所述傳感光纖根據寫入的寬帶弱反鏡陣列使1365nm的泵浦激光相干反饋產生1455nm的隨機激光，增加1365nm泵浦光的功率，所述隨機激光對調制后的脈沖信號提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光經波分復用器從環形器單向傳輸至探測器；所述探測器采集反射光信號，并將反射光信號轉變為數字信號，所述解調模塊從該數字信號中解調出相位信息；通過數據分析模塊對相位信息進行分析，得到傳感光纖的擾動情況。

采用多波長光學信道同時注入同時解調的技術提高聲波傳感的信噪比和靈敏度。

該第一調制器為聲光調制器或電光調制器。

基于該傳感光纖的聲波傳感系統的工作原理為：探測光源發出的探測激光，該探測激光通過聲光調制器，所述聲光調制器將探測激光調制成脈沖信號。調制后的脈沖信號通過環形器單向傳輸進入波分復用器，調制的1550nm脈沖信號與泵浦激光器產生的1365nm的泵浦激光信號通過波分復用器耦合到傳感光纖。所述傳感光纖寫入寬帶弱反鏡陣列，寬帶弱反鏡提供相干反饋，相鄰寬帶弱反鏡干涉返回起始端用于檢測該相鄰寬帶弱反鏡間由聲波作用帶來的探測激光信號相位差的改變量。所述波分復用器1365nm端注入1365nm的泵浦激光，該泵浦激光在寬帶弱反鏡陣列中相干反饋產生1455nm的隨機激光，增加1365nm泵浦激光的功率，1455nm的隨機激光會作為泵浦光對1550nm的信號光提供分布式拉曼放大，該分布式拉曼放大可以用于補償寬帶弱反鏡陣列的插入損耗，并對反饋光進行放大，提升光信噪比，進而提升探測靈敏度。

由于隨機激光放大具有較低的相對強度噪聲(rin)，因此能獲得低噪聲的分布式放大。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。