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

(電子科技大學通信與信息工程學院,光纖傳感與通信教育部重點實驗室,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用,特別是在安防領域的入侵監測和定位[1?4].與傳統的傳感器相比,基于Φ-OTDR的分布式傳感系統具高靈敏度、長距離監測、抗電磁干擾、低成本以及傳輸介質即為傳感介質等諸多優點.

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的半導體環形激光器和聲光調制器,獲得了6 km的傳感距離和400 m的空間分辨率.Juarez等[3]結合摻鉺光纖和一對光纖布拉格光柵形成的Fabry-Perot腔,產生了具有窄線寬(≈3 kHz)和低頻率漂移的光纖激光,并結合電光調制器,實現了傳感距離19 km和空間分辨率100 m的分布式光纖入侵傳感系統.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,獲得了1.2 km的傳感距離和5 m的空間分辨率.近年來本實驗對基于Φ-OTDR的DOFS做了優化和實用化研究,采用大功率超窄線寬單模光纖激光器,在現場實驗中實現了傳感距離14 km,定位精度50 m[5].基于窄線寬DFB激光器和纖維增強塑料傳感光纜,并結合小波分析方法降噪,實現了傳感距離8 km,空間分辨率100 m的分布式光纖圍欄入侵監測系統[6].

拉曼放大技術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中得到廣泛應用[7?9].為進一步延長Φ-OTDR系統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的Φ-OTDR傳感系統,有效克服了傳統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,實現了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系統的光是高度相干的,因此該系統的輸出就是脈沖寬度區域內反射回來的瑞利散射光相干干涉結果.如果光纖鏈路的某一位置受到了擾動,由于彈光效應,該處的光纖折射率就會發生變化,從而導致該處的光相位發生變化,由于干涉作用,相位的變化將引起后向瑞利散射光光強發生變化,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,這將縮短系統的傳感距離.所以,需采用放大技術補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,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遠大于后端的光功率,且需要控制EDFA的輸出功率,避免出現較大的自發輻射噪聲.為補償EDFA放大的不足,本文采用了雙向拉曼分布式放大技術,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)在不同拉曼抽運結構下的信號光增益分布仿真結果,顯然采用雙向拉曼抽運結構能獲得更加均衡的信號光功率分布.

圖1 不同拉曼抽運結構下的光增益分布

3 實驗系統裝置

實驗系統圖如圖2所示.一個超窄線寬(2 kHz)半導體激光器輸出波長為1550 nm的連續光,功率為13 dBm,經過聲光調制器(消光比為40 dB)調制為脈沖光.聲光調制器由信號發生器驅動,重復頻率為1 kHz,脈寬為200 ns(占空比為0.02%),對應20 m的空間分辨率.脈沖光經EDFA放大后通過環形器的1端口耦合進SMF.

圖2 基于雙向拉曼放大的Φ-OTDR傳感系統實驗圖

放大系統采用了雙向拉曼放大,其中抽運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,抽運光經隔離器保護后通過50:50的耦合器分為兩路,分別從光纖鏈路兩端經1455/1550波分復用器(WDM)進入光纖.從光纖鏈路反射回的后向瑞利散射信號光經濾波器消除其中的殘余抽運光和抽運自身產生的1455 nm后向散射噪聲后進入光電探測器.信號發生器同步觸發數據采集卡進行數據采集,采集卡的采樣率為50 MSa/s,平均次數為64次(系統最大測量頻率為8 Hz[4]),采集后的數據進入數據處理單元進行進一步的處理.

4 實驗結果

系統在無拉曼放大時的后向瑞利散射光干涉結果如圖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果,其增益譜曲線與圖1(雙向抽運R=0.5)仿真結果相符,整個光纖鏈路獲得了較為平坦的信號增益.

在抽運功率固定,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,入纖功率過強反而弱化光纖后端的后向瑞利散射光干涉強度,降低系統的傳感距離.在信號光入纖功率固定,不同抽運功率時的后向瑞利散射光干涉曲線如圖5所示.由圖可知,抽運功率過低無法放大光纖后端的信號光,抽運功率過高則會導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,需同時調整優化信號光的入纖功率和抽運功率,使系統工作在最佳狀態.

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

實驗中對繞成圈置于光學平臺的20 m長鎧裝光纜施加隨機人為擾動(用手觸碰光纜并施加適當壓力,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,不同抽運功率下的后向瑞利散射光干涉曲線 (a)抽運功率1.12 W;(b)抽運功率1.41 W;(c)抽運功率1.58 W;(d)抽運功率1.79 W

圖6 擾動實驗結果 (a)在48.5 km處的擾動信號;(b)在72 km處的擾動信號;(c)兩個測試點同時擾動的擾動信號

5 結論

綜上所述,將雙向拉曼放大運用到Φ-OTDR傳感系統中,提高了傳感光纖中信號光的分布均勻性,延長了傳感距離,實現了具有74 km超長距離和20 m空間分辨率的分布式傳感系統,通過適當增大拉曼抽運的功率和優化入纖光功率可進一步延長傳感距離.實驗結果表明,基于雙向拉曼放大的Φ-OTDR分布式傳感系統是一種理想的超長距離安防監測系統,在油氣輸送管道、國境邊線等重要領域具有廣泛的應用前景.

[1]Taylor H F,Lee C E 1993 U.S.Patent 5 194 847[1993-03-16]

[2]Park J,Lee W,Taylor H F 1998 Proc.SPIE 3555 49

[3]Juarez JC,Taylor H F 2007 Appl.Opt.46 1968

[4]Lu Y L,Zhu T,Chen L,Bao X Y 2010 J.Lightw.Technol.28 3243

[5]Xie K L,Rao Y J,Ran Z L 2008 Acta Opt.Sin.28 569(in Chinese)[謝孔利,饒云江,冉曾令2008光學學報28 569]

[6]Luo J,Rao Y J,Yue J F,Ran Z L 2009 Chin.J.Sci.Instrum.30 1123(in Chinese)[羅俊,饒云江,岳劍鋒,冉曾令2009儀器儀表學報30 1123]

[7]Yun P,Chi R H,Li Y G,L¨u K C 2004 Acta Phys.Sin.53 4229(in Chinese)[運鵬,遲榮華,李乙鋼,呂可誠2004物理學報53 4229]

[8]Ma Y H,Xie S Z,Chen M H 2005 Acta Phys.Sin.54 123(in Chinese)[馬永紅,謝世種,陳明華2005物理學報54 123]

[9]Tong Z,Wei H,Jian S S 2006 Acta Phys.Sin.55 1873(in Chinese)[童治,魏淮,簡水生2006物理學報55 1873]

[10]Ania-Casta?n′on J D 2004 Opt.Express 12 4372