超长距离光纤布拉格光栅传感系统

饶云江，封 莎，冉曾令，蒋 祺

(1. 电子科技大学宽带光纤传输和通信网技术教育部重点实验室 成都 611731;2. 重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室 重庆 沙坪坝区 400044)

光纤布拉格光栅作为一种新型的传感器具有良好的稳定性、可靠性，以及小尺寸和对电磁波不敏感性，适于在高温、腐蚀性或危险性环境使用[1-3]。因此，基于光纤布拉格光栅的各种传感系统得到了快速的发展，部分光纤布拉格光栅传感系统已经较为成熟并已商用化[4]。但是，由于激光器功率的限制、光纤本身的传输损耗、散射及器件间连接损耗等原因，导致随着传感距离的增加，传感信号的功率和系统信噪比(SNR)大幅度降低，使光栅传感系统的传输距离受到限制[5]。在许多场合，如铁道、输油(气) 管道、海岸线等超长距离遥测中，需要能传输上百公里甚至几百公里距离且信噪比优良的系统。近年来，已有增加光纤布拉格光栅传感系统的传输距离[6-11]的报道。文献[10]提出基于扫描激光器和光放大的100 km光纤布拉格光栅传感系统，实现了100 km长距离FBG传感系统，其信噪比约为7 dB。文献[11]提出基于EDFA的FBG传感系统，实现了230 km长距离FBG传感系统，但其信噪比仅有4 dB，且对系统光源要求高。因此本文提出了对基于可调激光器的光纤布拉格光栅传感系统进行EDFA/FRA混合放大的方法，使整个系统的探测距离能够达到300 km，并具有良好的信噪比。

1 实验原理

实验系统装置如图1所示。从光源发出的扫描光经过声光调制器后形成脉冲光，经EDFA放大后进入一个99:1的耦合器，99%的脉冲光作为信号光从环行器1端口进入，经环行器2端口进入光纤，后向泵浦经过波分多路复用(wavelength division multiplex，WDM) 进入光纤对信号光进行拉曼放大，从放置在光纤末端的FBG反射回的信号光经环行器3端口进入探测器，与1%的脉冲光(用于校正光源功率抖动)一起进入信号处理单元，最后经过计算机处理并显示结果。

图1 实验系统装置

图2所示为探测器2得到的时域信号示意图。设FBG的中心波长为λFBG，反射率为Rref，传输光纤长度为L，折射率为n，那么FBG反射谱的功率为：

式中，0P为光源的输出功率；α为传输光纤的损耗[12]。

瑞利散射光功率可描述为：

图2 探测器信号示意图

通常，α和R分别取值为0.2 dB/km和0.002 2。

2 实验结果及分析

图3所示为FBG分别安放在系统50,100,200,250,275,300 km处的反射谱。当FBG安放在50 km和100 km处时，由于入射光强度很大，所以FBG反射信号非常强，此时未加入后向泵浦放大，当系统超过200 km处时，由于传输光纤距离延长引起信号光损耗过大，反射回来的FBG信号光已经非常微弱，此时加入后向泵浦对信号光进行放大，实现了系统距离延长至300 km。本文系统中200,250,275,300km处的泵浦功率分别为0.56,0.76,0.92,1.1W。如图4所示，在50 km与100 km处未加入后向泵浦时，系统的信噪比均在25 dB以上，当系统延长至200 km并加入后向泵浦后，系统的信噪比为28.5 dB，比100 km不加泵浦时还要好。随着距离的增加，FBG反射信号减弱，整个系统的信噪比也不断下降，但是在300 km处信噪比仍然达到了4 dB，反射信号亦非常明显。

图3 FBG反射信号的实验测量图

图4 不同距离处FBG反射信号的信噪比

如图5所示分别为系统在100,200,250,300 km处的静态应变实验，从图中可以很明确地看出不管FBG安放在系统的哪个位置，其静态应变的线性度均在0.999以上。

图5 不同距离处FBG静态应变实验

3 结 论

本文系统采用可调激光器作为光源，发出的扫描光经过声光调制器后成为脉冲光。脉冲光经EDFA放大再经拉曼放大，系统传输距离低于275 km时信噪比大于15 dB，并在此基础上实现了300 km超长距离的FBG传感。系统中，FBG在不同距离处的静态应变线性度均在0.999以上，故系统可用于超长距离应变监测。通过优化系统参数以及光放大方案有望进一步延长系统传输距离。

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