基于光学锁相环锁定两台激光器频率的布里渊光时域分析仪

技术领域

本发明涉及布里渊光时域分析仪。

背景技术

连续分布式布里渊光纤传感仪利用光纤中的布里渊散射作为传感机制，可以提供分布 式的超长距离内的高分辨率、高精度的应变和温度监测。该传感系统采用标准的光通信光 纤作为传感介质，既可以用于温度和应变的监测又可以进行通信，可以实现传感和通信的 复用。连续分布式布里渊光纤温度和应变传感仪应用领域包括：石油天然气管道和存储罐 的温度和变形监测，海底或陆地高压电缆的温度和应变监测，地质灾害（比如山体滑坡、 泥石流等）的分布式监测，桥梁、大坝和隧道等大型建筑物的结构健康监测，以及火灾报 警等。

布里渊光时域分析仪是实现连续分布式布里渊光纤温度和应变传感仪的一种结构形 式，它因具有信噪比高、空间分辨率高、测量精度高和测量距离长的优点得到了广泛的关 注和研究。布里渊光时域分析仪里面包含两个光源以提供泵浦光和探测光，其关键技术是

如何获得频率差稳定的两个光源。目前，有一种方案使用一台激光器提供光源，它采 用微波调制的办法来获得另一个相对泵浦光有稳定频移的探测光(M.Nikles,L.Thevenaz, and P.A.Robert,“Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis,” Optics Letters,21,758-760,1996)，然而该技术需要使用价格昂贵且结构复杂的频率为十几 GHz左右的微波信号发生器和高速电光调制器。另一种方案是采用两台激光器提供光源， 通过对两台激光器的频率差锁定可以获得频率差稳定的泵浦光和探测光。A.W.Brown等 人采用微波频率计数器探测两个激光器混频后的拍频信号并通过反馈控制其中一台激光 器来实现两台激光器之间频率差的稳定(A.W.Brown,J.P.Smith,and X.Bao,“Brillouin  scattering based distributed sensors for structural applications,”J.Intell.Mater.Syst.Struct.10, 340-349,1999.)，然而微波频率计数器的价格较高、结构复杂、体积较大。美国专利US 7,499,151B2提出采用一个外置的光学延时线来实现对两个分布反馈式（DFB）半导体激 光器之间的频率锁定和扫描，然而该技术的缺点是由于光学延时线的响应速度慢、延时范 围小，使得频率扫描速度较慢而且频率扫描范围窄。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用微波频率计数器探测两个激光器混频后的拍频信 号的装置的价格高、结构复杂、体积较大，采用光学延时线来实现对两个分布反馈式半导 体激光器之间的频率锁定和扫描所产生的光学延时线的响应速度慢导致的频率扫描速度 慢且频率扫描范围窄的问题，提供一种基于光学锁相环锁定两台激光器频率的布里渊光时 域分析仪。

基于光学锁相环锁定两台激光器频率的布里渊光时域分析仪，它由一号激光器、二号 激光器、一号光纤耦合器、二号光纤耦合器、三号光纤耦合器、锁相环模块、电光调制器、 脉冲发生器、扰偏器、探测放大模块、光学衰减器、掺铒光纤放大器、环形器、光电探测 器和数据采集模块组成，一号激光器的输出端与一号光纤耦合器的光信号输入端连通，一 号光纤耦合器的光信号输出端同时与电光调制器和三号光纤耦合器的光信号输入端连通， 二号激光器的输出端与二号光纤耦合器的光信号输入端连通，二号光纤耦合器的光信号输 出端同时与光学衰减器和三号光纤耦合器的光信号输入端连通，光学衰减器的光信号输出 端与待测光纤的一端连通；三号光纤耦合器的光信号输出端与探测放大模块的光信号输入 端连通，探测放大模块的电信号输出端与锁相环模块的电信号输入端连通，锁相环模块的 控制信号输出端与二号激光器的注入电流控制端连通，脉冲发生器的脉冲信号输出端与电 光调制器的脉冲信号输入端连通，电光调制器的光信号输出端与扰偏器的光信号输入端连 通，扰偏器的光信号输出端与掺铒光纤放大器的光信号输入端连通，环形器包括一号光信 号端口、二号光信号端口和三号光信号端口，掺铒光纤放大器的光信号输出端与环形器的 一号光信号端口连通，环形器的三号光信号端口与光电探测器的光信号输入端连通，环形 器的二号光信号端口与待测光纤的另一端连通；光电探测器的电信号输出端与数据采集模 块的采集信息输入端连通。

本发明由于不包括微波频率计数器，实现了布里渊光时域分析仪价格低、结构简单、 体积小；本发明的光学锁相环提供了两台激光器之间精确地、快速的、大范围的频率差锁 定和扫描，进而获得快速和高精度的测量；光学锁相环中使用分频技术把混频后的信号从 十几GHz降到几十到几百MHz，从而可以使用较低频的器件和参考信号源，极大地降低 了成本，简化了系统。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图，图2为实施方式二的锁相环模块的结构示意图，图 3为实施方式二的采用锁相环技术锁定两台外腔半导体激光器的频率差示意图，图中第10 分钟开启锁相环。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于光学锁相环锁定 两台激光器频率的布里渊光时域分析仪，它由一号激光器1-1、二号激光器1-2、一号光 纤耦合器2-1、二号光纤耦合器2-2、三号光纤耦合器2-3、锁相环模块3、电光调制器4、 脉冲发生器5、扰偏器6、探测放大模块7、光学衰减器8、掺铒光纤放大器9、环形器10、 光电探测器11和数据采集模块12组成，一号激光器1-1的输出端与一号光纤耦合器2-1 的光信号输入端连通，一号光纤耦合器2-1的光信号输出端同时与电光调制器4和三号光 纤耦合器2-3的光信号输入端连通，二号激光器1-2的输出端与二号光纤耦合器2-2的光 信号输入端连通，二号光纤耦合器2-2的光信号输出端同时与光学衰减器8和三号光纤耦 合器2-3的光信号输入端连通，光学衰减器8的光信号输出端与待测光纤的一端连通；三 号光纤耦合器2-3的光信号输出端与探测放大模块7的光信号输入端连通，探测放大模块 7的电信号输出端与锁相环模块3的电信号输入端连通，锁相环模块3的控制信号输出端 与二号激光器1-2的注入电流控制端连通，脉冲发生器5的脉冲信号输出端与电光调制器 4的脉冲信号输入端连通，电光调制器4的光信号输出端与扰偏器6的光信号输入端连通，

扰偏器6的光信号输出端与掺铒光纤放大器9的光信号输入端连通，环形器10包括 一号光信号端口10-1、二号光信号端口10-2和三号光信号端口10-3，掺铒光纤放大器9 的光信号输出端与环形器10的一号光信号端口10-1连通，环形器10的三号光信号端口 10-3与光电探测器11的光信号输入端连通，环形器10的二号光信号端口10-2与待测光 纤的另一端连通；光电探测器11的电信号输出端与数据采集模块12的采集信息输入端连 通。

本发明由于不包括微波频率计数器，实现了布里渊光时域分析仪的价格低、结构简单、 体积小；本发明的光学锁相环提供了两台激光器之间精确地、快速的、大范围的频率差锁 定和扫描，进而获得快速和高精度的测量；光学锁相环中使用分频技术把混频后的信号从 十几GHz降到几十到几百MHz，从而可以使用较低频的器件和参考信号源，极大地降低 了成本，简化了系统。

本发明采用一号激光器1-1和二号激光器1-2两台激光器，由一号激光器1-1提供泵 浦光，由二号激光器1-2提供探测光，所述激光器可以是单频窄线宽光纤激光器、分布反 馈式半导体激光器（DFB）和外腔式半导体激光器（ECL），输出功率为10~50mW，波长 在1550nm附近。通过一号光纤耦合器2-1和二号光纤耦合器2-2把一号激光器1-1和二 号激光器1-2输出的激光分别提取出一部分（5%~20%）注入50:50的三号光纤耦合器2-3 进行混频，并由探测放大模块7转换成拍频信号。锁相环模块检测两台激光器混频后输出 的拍频信号，然后给出一个误差信号作为反馈加载到其中一台激光器的注入电流控制端口 来调节输出光的频率从而实现锁定两台激光器的频率差。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式 一所述基于光学锁相环锁定两台激光器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，锁相环 模块3由定向耦合器3-1、分频器3-2、相位/频率鉴别器3-3、参考信号源3-4、环路滤波 器3-5和频率计数单元3-6组成，定向耦合器3-1的电信号输入端为锁相环模块3的电信 号输入端，定向耦合器3-1的一个信号的输出端与分频器3-2的信号的输入端连通，定向 耦合器3-1的另一个信号的输出端与频率计数单元3-6的输入端连通；分频器3-2的信号 的输出端与相位/频率鉴别器3-3的一个信号输入端连通，参考信号源3-4的信号输出端与 相位/频率鉴别器3-3的另一个信号输入端连通，相位/频率鉴别器3-3的信号输出端与环 路滤波器3-5的信号输入端连通，环路滤波器3-5的信号输出端为锁相环模块3的控制信 号输出端。

定向耦合器3-1把拍频信号一部分功率耦合出来用于实时监测两台激光器的频率差， 另一部分信号接分频器，分频器的功能是对拍频信号进行降频，其输出频率等于拍频信号 的频率除以分频器的分频比N。相位/频率鉴别器通过比较分频器输出的信号和参考信号 后给出一个误差信号，误差信号通过一个环路滤波器后加载到其中一台激光器的注入电流 控制端口，当环路锁定以后分频器输出信号的频率就等于参考信号的频率f_r，两台激光器 之间的频率差等于N×f_r。由于拍频信号的频率大约为十几GHz，对其直接处理难度较大， 通过分频器后可以把信号频率降到几百MHz，这样就可以使用较低的低频的器件来处理， 而且，参考信号源的频率也大为降低，从十几GHz降到几十到几百MHz使成本降低、结 构简化，这是本专利的一个创新。相位/频率鉴别器具有较快的响应和较宽的带宽，因此 可以实现两台激光器之间频率差的快速锁定和大范围扫描，一般扫描范围是8~12GHz。 图3所示为采用锁相环技术锁定两台外腔半导体激光器的频率差，第10分钟开启锁相环。

在频率锁定的两台激光器中，其中一台激光器提供连续的探测光，并通过光学衰减器 来获得所需的功率，然后接传感光纤的一端。另一台激光器通过脉冲发生器和电光调制器 获得泵浦脉冲光，通过扰偏器随机改变泵浦脉冲的偏振态，通过掺铒光纤放大器把泵浦脉 冲放大到所需的功率，再通过环形器连接到传感光纤的另一端。连续探测光通过传感光纤 后经环形器进入光电探测器，光电探测器输出的信号由数据采集卡收集。所述扰偏器随机 改变泵浦脉冲的偏振态，并对采集到的信号做多次平均可以消除单模光纤中偏振态变化引 起的信号起伏。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环锁定两台激光 器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，一号激光器1-1和二号激光器1-2均采用单 频窄线宽光纤激光器、分布反馈式半导体激光器或外腔式半导体激光器。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环锁定两台激光 器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，一号光纤耦合器2-1与二号光纤耦合器2-2 的耦合比的值相同，所述耦合比的值范围是95：5和80：20之间。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环锁定两台激光 器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，一号激光器1-1和二号激光器1-2均采用保 偏光纤输出。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环锁定两台激光 器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，一号光纤耦合器2-1、二号光纤耦合器2-2 和三号光纤耦合器2-3均采用保偏光纤型的光纤耦合器。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环锁定两台激光 器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，分频器3-2的分频比N为：8≤N≤200，10GHz 信号对应分频比N的混频后的信号范围是：1.25GHz至100MHz。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环锁定两台激光 器频率的布里渊光时域分析仪的进一步限定，一号激光器1-1与二号激光器1-2之间频率 差的锁定范围是8~12GHz。