一种基于微秒级高速磁光开关的新型Φ-OTDR 结构
Φ-OTDR(新型分布式光纤传感技术相位敏感光时域反射仪)传感原理是一种基于相干瑞利散射的光时域反射器技术。窄线宽激光器是Φ-OTDR 的光源,它将干涉效应和 OTDR结合在一起,同时具有高灵敏度和长距离分布式测量的特点。在系统中,将高相干光脉冲序列连续注入传感光纤中作为信号光,探测器进行光电转换。从窄带激光器中发出的连续光被调制成脉冲光,经过 EDFA 放大和光滤波器后,最后由光环型器分成两路注入光纤。
本实验中提出了一种新型Φ-OTDR 结构,如图所示。激光器采用波长为 1550nm 窄线宽激光器,输出功率为10mW,线宽为3kHz; 声光调制器( acousto-optic modulator,AOM) 波长为 1550nm,调制带宽 100MHz,上升沿时间为 30ns; 掺铒光纤放大器工作波长为 1550nm,放大增益是 25dB; 所用的滤波器是基于波分复用( wave division multiplexing,WDM) 技术,采用 0.8nm 信道间隔的 WDM 滤波器; 考虑到传感的响应时间,光开关选择微秒级高速磁光开关; 光电探测器选择用KY-PRM 系列低噪声 PIN光电二极管,它集成了高线性度模拟 PIN 探测器和低噪声宽带跨阻三级放大器,具有高增益、高灵敏度、交流耦合输出、增益平坦等特点,工作波长1550nm,增益为 2.1MV /M,3dB 带宽最高可达 10MHz; 利用采样频率为 100M /s 的数据采集卡在计算机中解调。
当磁光开关1 连接传感光纤3 以后,衰减器使功率降低系统入射功率为 100mW,适合短距离 20km 以内振动的监测,当磁光开关 2 连接传感光纤 3 以后,此时变为200mW 的高功率,适合 20km ~ 40km 长距离范围内的监测。原因是在低功率模式下,无法满足远距离传输的功率要求,所以只需获取前 20km 的振动信号; 当开关切换成高功率模式,由于光电探测器出现饱和,产生了前端振动信号不敏感现象无法检测外界振动,但是后半段振动信号监测现象较为明显。所以取这两种情况的有用部分,利用光开关的轮流切换,最后把两种模式监测的情况组合在一起使整段光纤全程敏感。虽然结构中会需要高低两种不同的功率进行传感,但只需要单根传感光纤,大大简化了结构,同时开关的切换,也可缓冲光电探测器的饱和状态,延长器件的使用寿命。
本实验中提出的新型 Φ-OTDR 传感结构,可以实现 38km 的传感距离。结构中利用磁光开关将入射功率分为低功率和高功率两个模式,分别对传感光纤进行检测。将低功率检测前 20km 的振动信号,高功率检测后 20km 的振动信号,最后将数据结合,形成整段光纤全程敏感,有效解决了因高功率产生的前端不敏感问题,和低功率不能满足远距离检测的需求。虽然是两种模式分别检测,但是只用到单根光纤,简化了整个结构,并且光开关的轮流切换,能缓和光电探测器的饱和状态,延长器件的使用寿命。这种利用单根光纤并结合两种模式检测数据的结构也必须考虑其响应时间,所以结构中利用的高速磁光开光,具有微秒级的响应时间,满足 40km 左右两种模式传感响应时间的要求。
本文来源:钱心磊,孔勇,杜彤耀,等.相位敏感光时域反射仪的振动全程敏感研究[J].激光技术, 2019, 43(5):6
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