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BOTDA光纤传感系统中电光调制器和光纤的选择

作者:苏州波弗光电科技有限公司 来源:iXblue Photonics(苏州波弗光电科技有限公司)


BOTDA光纤传感系统中电光调制器和光纤的选择

 

布里渊(Brillouin)传感器是一种光纤传感技术,在分布式温度和应变传感中具有越来越重要的地位,同时,这种技术在各种工业温度测量,结构寿命监测和管道监控等领域的广泛应用,对布里渊时域分析(BOTDA)提出了越来越高的性能要求。

电光调制器(EOM)是BOTDA光学子系统中最关键的器件之一,选择合适的电光调制器规格和工作条件对系统的整体性能,一致性和可靠性有着重要的影响。

传感元件,即光纤,也必须根据目标温度范围和是否存在辐射仔细选择。

 

传统BOTDA系统中有2个电光调制器:脉冲产生的EOM1(泵浦信号)和EOM2用于产生传感光纤的布里渊频移(相对于泵浦光频率)的种子光信号。 通常条件下,SMF-28的布里渊频移为10.820GHz,通过在传感光纤的另一端注入EOM2产生的探测种子信号,布里渊背向散射是一个受激过程,信噪比较高。

BOTDA系统的重要指标是空间分辨率、温度/应变分辨率、最大测量范围和测量速度。

空间分辨率是分布式光纤传感器中两个数据点之间的最小可分辨距离。一般来说,这取决于脉冲宽度,而减小脉宽将增加空间分辨率。对于传统的BOTDA系统,典型的空间分辨率为一米左右。随着脉宽降到10ns以下,由于背向散射信号的展宽,要测量的峰值和要确定的布里渊频移(BFS)变得越来越困难。但是,对传统的BOTDA的改进,如双脉冲或DP-BOTDA,可以分别实现亚米或20cm的空间分辨率,此时脉宽和脉宽间隔分别是2 ns和5ns。

图2显示了强度电光调制器的传输函数(MTF)产生光脉冲的原理。对于脉冲宽度约为1ns的BOTDA应用,10Ghz带宽的EOM和小于100ps的上升/下降沿完全符合要求。另外EOM能够产生并维持的高消光比(ER,也可理解为信噪比)脉冲,对BOTDA系统也是至关重要的。

当连续激光被调制成短脉冲时,低消光比的电光调制器会导致连续激光的泄漏,如20dB消光比的调制器,输入的连续光功率100mW,会有约为1mW的连续光泄漏。而EOM产生的脉冲和其泄漏光后续被光放大器放大,并注入到传感光纤中。对于远程BOTDA测量系统,一般需要消光比ER>32dB以减轻泄漏光影响。

泵浦脉冲的消光比直接影响整个BOTDA测量系统的信噪比。因此,高消光比EOM直接影响BOTDA系统的最大测量范围和测量速度。MXER-LN系列强度调制器是高性能调制器,具有优越的消光比。该产品的设计依赖于iXblue的“Magic Junction”(专利号n° US2008193077)。MXER-LN系列强度调制器是BOTDA应用中需要高消光和高带宽组合的关键器件。

 

DR-VE-10-MO射频驱动器,是设计用于驱动脉冲、模拟或数字应用的铌酸锂电光调制器的放大器模块,以产生不失真的光脉冲。在BOTDA系统中,电脉冲信号的占空比很长。为了产生清晰的光脉冲,在保持高消光比ER的同时,具有锐利的边缘、持续的高低电平以及无overshoot,BOTDA光脉冲信号产生需要具有合适特性的特定射频放大器,如DR-VE-10-MO。

 

DR-VE-10-MO驱动器针对从10Hz到1GHz的低和高脉冲重复频率(PRF)信号进行了优化。带宽高达12GHz,可产生最低70ps脉冲宽度,超短上升和下降沿(24ps),并可适用最高300ns脉宽的脉冲。

 

DR-VE-10-MO驱动采用紧凑的连接模块,与iXblue的EOM的射频接口直接匹配(几何尺寸一致)。该驱动使用单一的电压电源,方便和安全的使用,并具有图形用户界面,其中集成了最大的灵活性输出电压控制。

 

在实际应用中,可靠的BOTDA系统在工业传感应用(如结构寿命和管道监测),需要产生具有可重复特性的光脉冲,因此需要光学器件在长时间内稳定运行以及抗干扰的可靠性。

 

EOM中的Mach-Zehnder干涉仪由于温度变化、热不均匀性、老化、光折变效应、静电荷积累等环境效应而产生偏置点漂移。偏置点漂移将会导致传递函数MTF偏离调制信号的工作点。因此,输出脉冲的消光比和脉冲宽度等特性会受到干扰。

 

直流偏压点的漂移可以使用iXBlue的MBC(调制器偏压控制器)解决方案进行主动监测和控制:台式仪器MBC-DG-LAB或MBC-DG-board锁定用于BOTDA应用的Mach-Zehnder调制器的工作点。

 

在传统的BOTDA系统中,需要第二个EOM来产生探测所需的种子信号,该种子信号的光频率被锁定到泵浦光脉冲的光频率,但被布里渊频移(BFS)偏移,对于SMF传感光纤,通常为10.8 GHz。该种子信号的频率也被逐级扫描或调谐,以检测传感光纤BFS周围布里渊增益谱(BGS)的变化。通常,根据所需的分辨率,使用500 kHz,1MHz或5MHz的频率步长。

使用EOM产生这种可调谐光频移有几种选择,其中2种最常用的是带光学滤波的双边带-载波抑制调制(DSB-SC)和载波抑制-单边带调制(CS-SSB)。

 

高度通用的MX-LN-10有一个X-cut设计,广泛的工作条件,以及零啁啾性能和无与伦比的稳定性。iXblue专有的波导设计提供了低插入损耗和高消光比。MX-LN-10由于具有高带宽、稳定性好和低插入损耗,非常适合用于BOTDA系统的DSB-SC。DR-AN-10-HO是一种宽带射频放大器模块,设计用于频率高达11GHz的模拟应用。DR-AN-10-HO具有低噪声系数和线性传递函数的特点,其1dB压缩点大于23dBm。它在整个带宽上表现出平坦的群延迟和增益曲线,波动很小,该放大器模块非常适合匹配MX-LN-10做DSB-SC应用。 利用MBC-DG-LAB和MBC-DG-board可以锁定马赫-曾德尔调制器的工作点,保证了对偏置漂移的长期稳定性。

 

BOTDA系统的其他组件包括偏振扰频器和FBG边带滤波器。

 

偏振扰偏器:布里渊散射对偏振敏感。通过对信号的偏振态进行扰乱可以缓解这个问题。偏振态扰乱提高了信噪比,缩短了测量时间,提高了测量精度、分辨率和测量范围。PSC-LN是一种紧凑的高速电光偏振扰偏器。这钟集成光学器件具有低损耗的单模波导,可以在从直流到10GHz以上的频率范围内偏振扰偏,在超过100nm的波长范围内工作。

 

FBG边带滤波器:光纤布拉格光栅(FBG)可用作BOTDA系统的DSB-CS边带滤波器。IXC-FBG是一种光纤布拉格光栅,通过多年来的技术积累,iXblue可以提供高度定制的FBG,这些FBG可以放入特殊的封装外壳中以保证对环境的不敏感,用于去除BOTDA系统中不需要的DSB-CS边带。

 

传感光纤:在一般情况下,标准SMF光纤就足够了;但温度超过85度、 光纤的标准涂覆层不能承受如此高的温度,会熔化。 iXblue提供含酰化高温涂层的光纤最高可达130°C、 含聚酰亚胺涂层高达300°C,甚至铝涂层高达400°C。在空间或核辐射环境中,还需要具有抗辐照保证(Radiation Induced Attenuation-RIA)的特定光纤。


BOTDA光纤传感相关产品(专用产品):

 

脉冲产生

MXER-LN-10

1550nm波段,10GHz高消光比强度调制器(ER>40dB)

DR-VE-10-MO

12GHz 多格式 脉冲放大驱动

MBC-DG-LAB

台式自动偏压控制器(数字及脉冲应用)

 

频率产生

MX-LN-10

1550nm波段,10-12.5Gb/s强度调制器

DR-AN-10-HO

10GHz模拟高压输出驱动(up to 15.9Vpp)

 

其他组件

PSC-LN-0.1

C波段低频偏振扰偏器(150MHz)

IXF-FBG

光纤布拉格光栅

 

传感光纤

IXF-SM-1550-80-019-PI

Low radiation level,Polyimide coating

IXF-SM-1550-80-024-PI

Low radiation level,Polyimide coating

IXF-SM-1550-125-012-PI

Low radiation level,Polyimide coating

IXF-SM-1550-125-014-PI

Low radiation level,Polyimide coating

IXF-SM-1550-125-028-PI

Low radiation level,Polyimide coating

IXF-SM-1550-125-014-HT

Low radiation level,Acrylate coating

IXF-RAD-SM-1550-014-HT

High radiation level,Acrylate coating

IXF-RAD-SM-1550-014-PI

High radiation level,Polyimide coating

IXF-RAD-SM-1550-014-AL

High radiation level,Aluminum coating

IXF-MMF-105-125-0.22-RAD

105 µm core diameter,Rad Hard Space Grade

 

更多BOTDA光纤传感系统产品应用及需求,请联系苏州波弗光电科技有限公司相关销售人员,咨询电话:0512-62828421,咨询邮箱:sales@bonphot.com !


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