基于雙向拉曼放大的相位敏感光時域反射儀

王杰 賈新鴻 饒云江 吳慧娟

(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611731)

(2012年7月4日收到;2012年8月1日收到修改稿)

1 引言

近年來,基于相位敏感光時域反射儀 (ΦOTDR)的分布式光纖傳感器(DOFS)得到了廣泛的研究和應(yīng)用,特別是在安防領(lǐng)域的入侵監(jiān)測和定位[1?4].與傳統(tǒng)的傳感器相比,基于Φ-OTDR的分布式傳感系統(tǒng)具高靈敏度、長距離監(jiān)測、抗電磁干擾、低成本以及傳輸介質(zhì)即為傳感介質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn).

對基于Φ-OTDR的DOFS研究主要集中于延長傳感距離和提高空間分辨率.Park等[2]使用線寬為50 kHz的半導(dǎo)體環(huán)形激光器和聲光調(diào)制器,獲得了6 km的傳感距離和400 m的空間分辨率.Juarez等[3]結(jié)合摻鉺光纖和一對光纖布拉格光柵形成的Fabry-Perot腔,產(chǎn)生了具有窄線寬(≈3 kHz)和低頻率漂移的光纖激光,并結(jié)合電光調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)了傳感距離19 km和空間分辨率100 m的分布式光纖入侵傳感系統(tǒng).Lu等[4]報道了一種基于相干探測的Φ-OTDR分布式震動傳感系統(tǒng),獲得了1.2 km的傳感距離和5 m的空間分辨率.近年來本實(shí)驗(yàn)對基于Φ-OTDR的DOFS做了優(yōu)化和實(shí)用化研究,采用大功率超窄線寬單模光纖激光器,在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了傳感距離14 km,定位精度50 m[5].基于窄線寬DFB激光器和纖維增強(qiáng)塑料傳感光纜,并結(jié)合小波分析方法降噪,實(shí)現(xiàn)了傳感距離8 km,空間分辨率100 m的分布式光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)[6].

拉曼放大技術(shù)由于能夠靈活控制增益帶寬和增益波段在長距離光纖傳輸系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[7?9].為進(jìn)一步延長Φ-OTDR系統(tǒng)的傳感距離和提高其空間分辨率,本文研究了基于雙向拉曼分布式放大技術(shù)的Φ-OTDR傳感系統(tǒng),有效克服了傳統(tǒng)集中式摻鉺光纖放大器(EDFA)放大存在的問題,提高了整個光纖鏈路信號光的均勻分布性,實(shí)現(xiàn)了74 km的傳感距離和20 m的空間分辨率.

2 原理

Φ-OTDR與傳統(tǒng)的光時域反射儀(OTDR)一樣,光脈沖從光纖的一端注入,用探測器探測后向瑞利散射信號.不同的是注入Φ-OTDR系統(tǒng)的光是高度相干的,因此該系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干干涉結(jié)果.如果光纖鏈路的某一位置受到了擾動,由于彈光效應(yīng),該處的光纖折射率就會發(fā)生變化,從而導(dǎo)致該處的光相位發(fā)生變化,由于干涉作用,相位的變化將引起后向瑞利散射光光強(qiáng)發(fā)生變化,將不同時刻的后向瑞利散射曲線相減即可檢測與定位這種變化.系統(tǒng)的空間分辨率是由脈沖寬度決定的[2],可表示為

其中?z為空間分辨率,c為真空中的光速,Tw為脈沖寬度,n為光纖的群折射率.由(1)式可知,要獲得較高的空間分辨率,須使用較窄的脈沖寬度,但是更窄的脈沖寬度將弱化注入到光纖的光功率,這將縮短系統(tǒng)的傳感距離.所以,需采用放大技術(shù)補(bǔ)償信號光在光纖中的傳輸損耗,獲得更長的傳感距離.

對于長距離的Φ-OTDR傳感系統(tǒng),集中放大式的EDFA雖然能對入纖信號光放大,但由于光纖的傳輸損耗,信號光將隨著傳播距離而衰減,使得前端的光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后端的光功率,且需要控制EDFA的輸出功率,避免出現(xiàn)較大的自發(fā)輻射噪聲.為補(bǔ)償EDFA放大的不足,本文采用了雙向拉曼分布式放大技術(shù),其特性可由下面方程表示[10]:

圖1顯示了長度為75 km的普通單模光纖(SMF)在不同拉曼抽運(yùn)結(jié)構(gòu)下的信號光增益分布仿真結(jié)果,顯然采用雙向拉曼抽運(yùn)結(jié)構(gòu)能獲得更加均衡的信號光功率分布.

圖1 不同拉曼抽運(yùn)結(jié)構(gòu)下的光增益分布

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2所示.一個超窄線寬(2 kHz)半導(dǎo)體激光器輸出波長為1550 nm的連續(xù)光,功率為13 dBm,經(jīng)過聲光調(diào)制器(消光比為40 dB)調(diào)制為脈沖光.聲光調(diào)制器由信號發(fā)生器驅(qū)動,重復(fù)頻率為1 kHz,脈寬為200 ns(占空比為0.02%),對應(yīng)20 m的空間分辨率.脈沖光經(jīng)EDFA放大后通過環(huán)形器的1端口耦合進(jìn)SMF.

圖2 基于雙向拉曼放大的Φ-OTDR傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖

放大系統(tǒng)采用了雙向拉曼放大,其中抽運(yùn)是一個拉曼光纖激光器,中心波長為1455 nm,最大輸出功率為5 W,抽運(yùn)光經(jīng)隔離器保護(hù)后通過50:50的耦合器分為兩路,分別從光纖鏈路兩端經(jīng)1455/1550波分復(fù)用器(WDM)進(jìn)入光纖.從光纖鏈路反射回的后向瑞利散射信號光經(jīng)濾波器消除其中的殘余抽運(yùn)光和抽運(yùn)自身產(chǎn)生的1455 nm后向散射噪聲后進(jìn)入光電探測器.信號發(fā)生器同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集卡的采樣率為50 MSa/s,平均次數(shù)為64次(系統(tǒng)最大測量頻率為8 Hz[4]),采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行進(jìn)一步的處理.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在無拉曼放大時的后向瑞利散射光干涉結(jié)果如圖3(a)所示,圖3(b)為加入雙向拉曼放大后的后向瑞利散射光干涉結(jié)果,其增益譜曲線與圖1(雙向抽運(yùn)R=0.5)仿真結(jié)果相符,整個光纖鏈路獲得了較為平坦的信號增益.

在抽運(yùn)功率固定,入纖功率不同時的后向瑞利散射光干涉曲線如圖4所示.由圖可知,入纖功率過強(qiáng)反而弱化光纖后端的后向瑞利散射光干涉強(qiáng)度,降低系統(tǒng)的傳感距離.在信號光入纖功率固定,不同抽運(yùn)功率時的后向瑞利散射光干涉曲線如圖5所示.由圖可知,抽運(yùn)功率過低無法放大光纖后端的信號光,抽運(yùn)功率過高則會導(dǎo)致后端后向瑞利散射光干涉信號信噪比降低,甚至消失.所以,需同時調(diào)整優(yōu)化信號光的入纖功率和抽運(yùn)功率,使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài).

圖3 后向瑞利散射光干涉曲線 (a)無拉曼放大;(b)加入雙向拉曼放大

圖4 抽運(yùn)功率固定,不同信號光入纖功率下的后向瑞利散射光干涉曲線 (a)入纖無衰減;(b)入纖衰減2 dB;(c)入纖衰減3 dB;(d)入纖衰減5 dB

實(shí)驗(yàn)中對繞成圈置于光學(xué)平臺的20 m長鎧裝光纜施加隨機(jī)人為擾動(用手觸碰光纜并施加適當(dāng)壓力,頻率＜8 Hz),將兩次相鄰后向瑞利散射光干涉曲線相減即可檢測和定位該擾動.圖6分別顯示了在光纖鏈路48.5和72 km處的擾動信號以及兩點(diǎn)同時擾動時的擾動信號,且具有很高的靈敏度.

圖5 信號光入纖功率固定,不同抽運(yùn)功率下的后向瑞利散射光干涉曲線 (a)抽運(yùn)功率1.12 W;(b)抽運(yùn)功率1.41 W;(c)抽運(yùn)功率1.58 W;(d)抽運(yùn)功率1.79 W

圖6 擾動實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)在48.5 km處的擾動信號;(b)在72 km處的擾動信號;(c)兩個測試點(diǎn)同時擾動的擾動信號

5 結(jié)論

綜上所述,將雙向拉曼放大運(yùn)用到Φ-OTDR傳感系統(tǒng)中,提高了傳感光纖中信號光的分布均勻性,延長了傳感距離,實(shí)現(xiàn)了具有74 km超長距離和20 m空間分辨率的分布式傳感系統(tǒng),通過適當(dāng)增大拉曼抽運(yùn)的功率和優(yōu)化入纖光功率可進(jìn)一步延長傳感距離.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于雙向拉曼放大的Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)是一種理想的超長距離安防監(jiān)測系統(tǒng),在油氣輸送管道、國境邊線等重要領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

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