專利名稱：用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，特別是一種用于布里淵分布式光纖傳感器光源頻率跟蹤的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)。
背景技術：
分布式光纖傳感器是目前國內(nèi)傳感領域研究的熱點，具有靈敏度高，抗電磁干擾能力強，電絕緣性能好，化學穩(wěn)定性好，長距離分布式探測等優(yōu)點，能夠用于各種大型建筑、 工業(yè)領域溫度、應變的監(jiān)測，具有廣泛的應用前景。基于布里淵分布式光纖傳感器具有重量輕，結構緊湊，可以在各種危險環(huán)境中應用，可以分布式傳感，可以免疫電磁干擾，并且抗化學腐蝕，在大多數(shù)情況下具有低生產(chǎn)成本的潛力并且可以連續(xù)的分布式監(jiān)控沿著傳感光纖監(jiān)控傳感光纖的溫度和應力等優(yōu)勢，被用于石油管道，電力電纜等的壓力和溫度監(jiān)測，在最近十年引起了人們的廣泛興趣。布里淵散射信號的探測分為直接探測和相干探測。與直接探測相比，相干探測具有更高的靈敏度和動態(tài)范圍。但布里淵散射信號的頻率降低了 11GHz，如果將相干探測中的探測光作為本地振蕩器，布里淵散射信號和本地振蕩器的拍頻信號的頻率約為11GHz，位于最常用的傳統(tǒng)外差接收器的帶寬之外。這種相干探測需要一個帶寬為IlGHz的微波探測器，價格昂貴而且會帶來很高的噪聲。若將本地光頻移布里淵頻率量級(9-12GHZ)，就可以使用低射頻帶寬的探測器來探測。與傳統(tǒng)方法相比，這種方法有更高的靈敏度，更低的噪聲，并節(jié)省了相當大的成本。為了解決這個問題，Jihong Geng, Mike Blake等人提出將探測光一部分通過電光調(diào)制后進入傳感光纖來產(chǎn)生布里淵散射信號，另一部分用來泵浦一個光纖布里淵環(huán)形激光器用來作為本地光，本地光的頻率相對于探測光頻移非常接近布里淵頻率，因此用本地光來跟布里淵散射信號進行相干探測，拍頻信號從微波范圍(IlGHz) 變?yōu)樯漕l范圍(< 500MHz)(參見在先技術[1] ^Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering”，App 1. Opt. 46,5928 5932,2007)。由于本地光和探測光之間的頻率差不可調(diào)，Vladimir Kupershmidt，F(xiàn)rank Adams等人提出了用光學鎖相的方法使用OPLL將本地光頻移布里淵頻率量級(9-12GHZ)，就可以使用低的射頻帶寬的探測器來探測(參見在先技術[2] “Optical Phase lock loop with tunable frequency offset for distributed optical sensing Applications，，，SPIE. 7677，767700-1 767700-5，2010)。由于這種技術要用到兩個比較昂貴的窄線寬單頻激光器，Chris D. Rouse, Anthony W. Brown等人提出了采用兩個便宜的商用半導體DFB激光器進行光學鎖相的方法，但是這種方法的穩(wěn)定性和精度不如前者(參見在先技術[3] :“Phase-locking of commercial DFB lasers for distributed optical fiber sensing applications，，，SPIE. 7753, 77532L-1 77532L-4, 2011)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術的不足，提供一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，該光源系統(tǒng)在相位鎖定時，本地激光器的相位和頻率會跟隨探測激光器的變化，且探測激光器是高性能窄線寬的光纖激光器，因此本地激光器光學性能會接近探測激光器，實現(xiàn)了線寬壓窄，在不損失精度和穩(wěn)定性的情況下，大大降低了成本；且在不需改變硬件的環(huán)境下，通過可編程計數(shù)器實現(xiàn)了對跟蹤頻率的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術解決方案如下一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，特點在于其構成包括探測激光器、本地激光器、第三光纖耦合器、第四光纖耦合器、第五光纖耦合器、第二光電探測器、放大器、參考晶振第一可編程計數(shù)器、第二可編程計數(shù)器、相頻檢測器、電荷泵、低通濾波器和PID控制器，上述元部件的位置關系如下由探測激光器發(fā)出的探測光束經(jīng)過第三光纖耦合器分束，其中一束探測由本系統(tǒng)的第一輸出端口輸出，由本地激光器發(fā)出的本地光束經(jīng)過第四光纖耦合器分束，其中一束本地光由本系統(tǒng)的第二輸出端口輸出，由第三光纖耦合器分束后的另一束探測光和由第四光纖耦合器分束后的另一束本地光一起進入第五光纖耦合器進行拍頻，并由第二光電探測器探測并轉(zhuǎn)換為拍頻電信號，第二光電探測器的輸出端經(jīng)放大器和第一可編程計數(shù)器與相頻檢測器第一輸入端相連，參考晶振經(jīng)第二可編程計數(shù)器與所述的相頻檢測器的第二輸入端相連，該相頻檢測器的兩個輸出端經(jīng)電荷泵、低通濾波器和PID控制器與所述的本地激光器的輸入端相連；所述的第二光電探測器將接收到的頻率為fb的拍頻信號轉(zhuǎn)換成拍頻電信號&，該拍頻電信號&經(jīng)過放大器放大后進入第一可編程計數(shù)器分頻后產(chǎn)生頻率為fb/N的拍頻分頻信號Ub，由參考晶振產(chǎn)生的頻率為f；的參考信號民經(jīng)過第二可編程計數(shù)器分頻后產(chǎn)生頻率為f;/R的參考分頻信號扎，所述的拍頻分頻信號Ub和參考分頻信號Ur通過相頻檢測器和電荷泵后產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號經(jīng)過低通濾波器、PID控制器產(chǎn)生反饋控制信號輸入本地激光器，用以控制本地激光器的光頻。所述的探測激光器為窄線寬光纖激光器，所述的本地激光器為寬線寬半導體DFB 激光器。所述的第一可編程計數(shù)器的分頻數(shù)為N和第二可編程計數(shù)器分頻數(shù)為R，應滿足下列關系式
權利要求
1.一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，特征在于其構成包括探測激光器(101)、本地激光器(10 、第三光纖耦合器(10 、第四光纖耦合器(104)、第五光纖耦合器(105)、第二光電探測器(106)、放大器(107)、參考晶振(108)第一可編程計數(shù)器(109)、第二可編程計數(shù)器(110)、相頻檢測器(111)、電荷泵(112)、低通濾波器(113)和 PID控制器(114)，上述元部件的位置關系如下由探測激光器(101)發(fā)出的探測光束經(jīng)過第三光纖耦合器(10 分束，其中一束探測由本系統(tǒng)的第一輸出端口(Ia)輸出，由本地激光器(10 發(fā)出的本地光束經(jīng)過第四光纖耦合器(104)分束，其中一束本地光由本系統(tǒng)的第二輸出端口(Ib)輸出，由第三光纖耦合器(10 分束后的另一束探測光和由第四光纖耦合器(104)分束后的另一束本地光一起進入第五光纖耦合器(10 進行拍頻，并由第二光電探測器(106)探測，第二光電探測器 (106)的輸出端經(jīng)放大器(107)和第一可編程計數(shù)器(109)與相頻檢測器(111)第一輸入端(Illa)相連，參考晶振(108)經(jīng)第二可編程計數(shù)器(110)與所述的相頻檢測器(111)的第二輸入端(Illb)相連，該相頻檢測器(111)的兩個輸出端經(jīng)電荷泵(112)、低通濾波器 (113)和PID控制器(114)與所述的本地激光器(102)的輸入端相連；所述的第二光電探測器(106)將接收到的頻率為fb的拍頻信號轉(zhuǎn)換成電信號Steat，經(jīng)過放大器(107)放大后進入第一可編程計數(shù)器(109)分頻后產(chǎn)生頻率為fb/N的拍頻分頻信號Ub,由參考晶振(108)產(chǎn)生的頻率為f；的參考信號民經(jīng)過第二可編程計數(shù)器(110)分頻后產(chǎn)生頻率為f;/R的參考分頻信號扎，所述的拍頻分頻信號Ub和參考分頻信號扎通過相頻檢測器(111)和電荷泵(11 后產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號經(jīng)過低通濾波器(113)、PID控制器(114)產(chǎn)生反饋控制信號輸入本地激光器(102)，用以控制本地激光器(10 的光頻。
2.根據(jù)權利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的探測激光器 (101)為窄線寬光纖激光器，所述的本地激光器(102)為寬線寬半導體DFB激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的第一可編程計數(shù)器(109)的分頻數(shù)為R和第二可編程計數(shù)器(110)分頻數(shù)為N，應滿足下列關系式
4.根據(jù)權利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的相頻檢測器 (111)由第一 D觸發(fā)器(1111)、第二 D觸發(fā)器(1112)、與門(1113)和延遲器(1114)組成， 所述的相頻檢測器(111)的第一輸入端口(Illa)與第一可編程計數(shù)器(109)相連，用于接收所述的拍頻分頻信號Ub ；第二輸入端口(Illb)與第二可編程計數(shù)器(1010)相連，用于接收所述的參考分頻信號^；所述的參考分頻信號Ur和所述的拍頻分頻信號Ub分別加在第一 D觸發(fā)器(1111)和第二 D觸發(fā)器(1112)的時鐘端，第一 D觸發(fā)器(1111)的輸出端(Illc) 和第二D觸發(fā)器(1112)的輸出端(Illd)和電荷泵(112)相連，所述的第一D觸發(fā)器(1111) 的輸出端(Illc)和第二D觸發(fā)器(1112)的輸出端(Illd)接所述的與門(1113)的輸入端， 該與門(1113)的輸出端經(jīng)所述的延遲器(1114)分別與所述的第一 D觸發(fā)器(1111)的第二輸入端和第二 D觸發(fā)器(111 的第二輸入端相連。
5.根據(jù)權利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的電荷泵(112)在第一 D觸發(fā)器(1111)打開時，會向低通濾波器(113)提供泵電流IP，第二 D觸發(fā)器(1112)打開時，會從低通濾波器吸收泵電流IP，從而產(chǎn)生正比于兩者頻率差的誤差信號。
全文摘要
一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其結構包括探測激光器、本地激光器、光纖耦合器、光電探測器、放大器、可編程計數(shù)器、參考晶體振蕩器、相頻檢測器、電荷泵、低通濾波器和PID控制器。本發(fā)明在相位鎖定時，本地激光器的相位和頻率會跟隨探測激光器的變化且探測激光器是高性能窄線寬的光纖激光器，實現(xiàn)了線寬壓窄，在不損失精度和穩(wěn)定性的情況下，大大降低了成本；且在不需改變硬件的環(huán)境下，通過可編程計數(shù)器實現(xiàn)了對跟蹤頻率的調(diào)節(jié)。
文檔編號H01S3/10GK102544998SQ201210004119
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權日2012年1月6日
發(fā)明者卞正蘭, 彭交波, 蔡海文, 陳迪俊 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所