基于多机制融合放大的超长距离DVS光时域反射计及其工作方法

本发明涉及振动事件监测，具体涉及一种基于多机制融合放大的超长距离dvs光时域反射计及其工作方法。

背景技术：

1、相位敏感光时域反射计φ-otdr(phase-sensitive optical time-domainreflectometry)利用光纤中的背向瑞利散射光信号，反映传感光纤沿线各点的振动信息，当外界环境没有振动事件发生时，背向瑞利散光射信号相对稳定；当局部位置发生振动事件时，对应位置的背向瑞利散射光信号波动起伏，通过对振动事件发生前后不同时刻的背向瑞利散射光信号进行差分处理和时域傅里叶变换解调出振动事件发生的位置及频率信息，实现分布式振动监测。φ-otdr已在周界安防、油气管线监测等领域广泛应用。

2、φ-otdr基于背向瑞利散射光信号实现传感，其信号强度较弱，30km传感距离时尾端信噪比较差，无法实现更远的传感距离，极大的限制了φ-otdr系统在长距离检测领域的应用，因此提升φ-otdr传感距离具有重大意义。目前主要的技术有掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier,edfa)、分布式拉曼放大技术、分布式布里渊放大技术，例如，文献[1]中直接探测型φ-otdr系统中引入一阶双向分布式拉曼放大技术，在100m空间分辨下将传感距离提升至62km；文献[2]中采用一阶正向分布式拉曼放大技术，将15.7m空间分辨率的相干探测型φ-otdr系统的传感距离提升至103km；文献[3]中利用分布式布里渊放大技术，将10m空间分辨率的相干探测型φ-otdr系统传感距离提升至124km；文献[4]中第一次使用二阶拉曼放大来辅助相位敏感光时域反射计(φ-otdr)，当用于非常长距离的振动测量时，该传感器能够在125km的距离内测量高达380hz的振动，分辨率为10m，无需后处理；文献[5]中使用高空间分辨率的超长高灵敏度φ-otdr系统并将其应用于管道安全监测，将双向拉曼放大、外差检测和小波去噪信号处理相结合，保证了131.5km光纤的高信噪比。

3、虽然上述长距离φ-otdr系统方案有效的提升了传感距离，拓展了φ-otdr系统在长距离检测领域的应用，但是，其不足之处在于均需要远程供电，且传感距离有待进一步提升。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明提出一种基于多机制融合放大的超长距离dvs(分布式振动传感)光时域反射计及其工作方法。

2、根据本发明的一方面，提出一种基于多机制融合放大的超长距离dvs光时域反射计，所述超长距离dvs光时域反射计包括：激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、半导体光放大器4、第一声光调制器5、第一掺铒光纤放大器6、第一环形器7、偏振合束器8、第一拉曼激光器9、第二拉曼激光器10、第一波分复用器11、掺铒光纤12、第二波分复用器13、第三拉曼激光器14、第二掺铒光纤放大器15、第二环形器16、第三光纤耦合器17、光电平衡探测器18、检波器19、数据采集卡20、电光调制器21、第三环形器22、第三掺铒光纤放大器23、扰偏器24、光衰减器25、第四环形器26、任意波形发生器27、第一光纤布拉格光栅28、第二光纤布拉格光栅29；其中：

3、激光器1的光信号输出端与第一光纤耦合器2的光信号输入端连通，第一光纤耦合器2的两个光信号输出端分别与第二光纤耦合器3和电光调制器21的输入端连通；

4、第二光纤耦合器3的输出端分别与半导体光放大器4的输入端和第三光纤耦合器17的3端口连通；半导体光放大器4的输出端与第一声光调制器5的输入端连通，第一声光调制器5的输出端与第一掺铒光纤放大器6的输入端连通；第一掺铒光纤放大器6的输出端与第一环形器7的1端口相连接，第一环形器7的2端口连接待测光纤，第一环形器7的3端口连接第二掺铒光纤放大器15输入端；偏振合束器8的1端口连接待测光纤，2、3端口分别连接第一拉曼激光器9和第二拉曼激光器10；

5、第二掺铒光纤放大器15的输出端连接第二环形器16的1端口，第二环形器16的2端口连接第一光纤布拉格光栅28，第二环形器16的3端口连接第三光纤耦合器17的1端口，第三光纤耦合器17的2、4端口连接光电平衡探测器18一端，光电平衡探测器18另一端连接检波器19一端，检波器19另一端连接数据采集卡20；

6、电光调制器21的输出端连接第三环形器22的1端口，第三环形器22的2端口连接第二光纤布拉格光栅29，第三环形器22的3端口连接第三掺铒光纤放大器23输入端，第三掺铒光纤放大器23的输出端连接扰偏器24的输入端，扰偏器24的输出端连接光衰减器25输入端，光衰减器25输出端连接第四环形器26的1端口，第四环形器26的2端口连接第二波分复用器13的3端口；第二波分复用器13的2端口连接第三拉曼激光器14，1端口连接待测光纤；

7、待测光纤包含三段，第一波分复用器11的三个端口分别连接一段待测光纤；

8、任意波形发生器27的四个端口分别连接半导体光放大器4、第一声光调制器5、数据采集卡20、电光调制器21的输入端。

9、进一步地，待测光纤第一段两端分别连接第一环形器7的2端口和第一波分复用器11的1端口，第二段两端分别连接第一波分复用器11的2端口和偏振合束器8的1端口，第三段两端分别连接第一波分复用器11的3端口和第二波分复用器13的1端口，且第三段待测光纤中包含掺铒光纤12。

10、进一步地，所述激光器1的输出功率为15mw，输出波长为1550nm。

11、进一步地，所述第一光纤耦合器2为50:50的1×2耦合器，所述第二光纤耦合器3为90:10的1×2耦合器，所述第三光纤耦合器17为50:50的2×2耦合器。

12、进一步地，所述半导体光放大器4消光比为52db；所述第一声光调制器5的载频为100mhz。

13、进一步地，所述第一波分复用器11、第二波分复用器13的工作波段均为1480nm和1550nm。

14、进一步地，所述光电平衡探测器18的探测带宽为1ghz；所述电光调制器21的载频为100mhz。

15、进一步地，所述第一拉曼激光器9、所述第二拉曼激光器10、所述第三拉曼激光器14的输出功率均为15mw；其中第一拉曼激光器9、第二拉曼激光器10的输出波长为1480nm，第三拉曼激光器14的输出波长为1450nm。

16、根据本发明的另一方面，提出一种基于多机制融合放大的超长距离dvs光时域反射计的工作方法，所述工作方法基于所述超长距离dvs光时域反射计实现，所述超长距离dvs光时域反射计包括：激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、半导体光放大器4、第一声光调制器5、第一掺铒光纤放大器6、第一环形器7、偏振合束器8、第一拉曼激光器9、第二拉曼激光器10、第一波分复用器11、第二波分复用器13、第三拉曼激光器14、第二掺铒光纤放大器15、第二环形器16、第三光纤耦合器17、光电平衡探测器18、检波器19、数据采集卡20、电光调制器21、第三环形器22、第三掺铒光纤放大器23、扰偏器24、光衰减器25、第四环形器26、任意波形发生器27、第一光纤布拉格光栅28、第二光纤布拉格光栅29；

17、待测光纤包含三段，第一波分复用器11的三个端口分别连接一段待测光纤；其中，待测光纤第一段两端分别连接第一环形器7的2端口和第一波分复用器11的1端口，第二段两端分别连接第一波分复用器11的2端口和偏振合束器8的1端口，第三段两端分别连接第一波分复用器11的3端口和第二波分复用器13的1端口，且第三段待测光纤中包含掺铒光纤12；

18、所述工作方法包括：

19、激光器1输出的连续光经第一光纤耦合器2分为上下两个支路；上支路的连续光经过第二光纤耦合器3分为上下两个支路，该上支路的连续光经过半导体光放大器4和第一声光调制器5调制为高消光比的脉冲光，经过第一掺铒光纤放大器6进行光放大后，再经过第一环形器7注入到待测光纤第一段；

20、第一拉曼激光器9和第二拉曼激光器10分别产生拉曼光，用于分布式放大探测光的功率，两束拉曼光经过偏振合束器8合束后注入到待测光纤第二段；

21、第一光纤耦合器2输出的下支路的连续光进入电光调制器21进行频率调制，再由第二光纤布拉格光栅29对调制后得到的光信号进行滤波，滤波后的光信号经过第三环形器22注入到第三掺铒光纤放大器23中进行光信号再次放大，再经过扰偏器24来减小偏振相关增益；随后经过光衰减器25和第四环形器26，产生的布里渊泵浦光与第三拉曼激光器14产生的拉曼光一同注入到第二波分复用器13后进入待测光纤第三段；随后经过掺铒光纤12进行功率提高后，注入到第一波分复用器11，再通过待测光纤第一段进入第一环形器7之后，进入第二掺铒光纤放大器15进行功率放大；随后通过第二环形器16，并通过第一光纤布拉格光栅28滤除由第二掺铒光纤放大器15产生的ase噪声；随后注入到第三光纤耦合器17，并与第二光纤耦合器3输出的参考光一起注入到光电平衡探测器18进行光电转换；随后检波器19提取特征，最后经过数据采集卡20进行采样记录多频拍频光信号；

22、任意波形发生器27的四个端口分别连接半导体光放大器4、第一声光调制器5、数据采集卡20、电光调制器21，用于控制半导体光放大器4和第一声光调制器5的脉冲达到最大限度的重合，控制数据采集卡20触发采集数据，控制电光调制器21的移频与激光器1的频差达到预设频率。

23、本发明的有益技术效果是：

24、本发明提出一种基于多机制融合放大的超长距离dvs光时域反射计及其工作方法，能够进行更长距离的传输且解决了远程供电的弊端，相较于中继edfa放大、双端分布式放大技术，本发明采用前端拉曼放大、后端拉曼放大和后端布里渊放大的方式，消除了现场远程供电的弊端，在实际应用中具有超远程传感的意义。