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与OTDR技术比较,FMCW最主要的优势在于它的卓越的稳定性,它能够在几公里的测量距离上达到毫米量级的空间精度,然后这个技术是建立在激光具有很长的相干距离以及它的频率能够成线性连续调制。这种分布式的传感系统能够在广阔的被测区域内实现极高的测量精度,而这是一般光纤传感技术所无法达到的要求。该系统中最为关键的设备----激光器目前主要有DBR光纤激光器和DFB光纤激光器。但是,传统的DBR激光器通过放大后确实可以输出高达160mW的功率,但是作为提高功率代价的是它的线宽大到了200-500kHz;相反地,传感的DFB激光器可以实现更窄的线宽,但是它的功率却只能达到5mW。如何研制出同时兼有窄线宽与高输出功率的光纤激光器显然成为了一个极具挑战性的课题。
超窄线宽高功率激光器
光库通讯刚刚推向市场的DBR光纤激光器采用了美国核心专利技术,十分完美地解决了这个世界性的难题,从而使得超远距离、超高精度和超底噪声的分布式光纤传感成为现实,并广泛应用于欧美发达国防军事、石油和安保领域。
我们的解决办法就是研制出高浓度的铒/镱共掺光纤作成激光物质,这种特种光纤具有极高的增益,每厘米可达5db(普通EDF的增益为0.02db/cm),而噪声增益几乎没有。用电信级的LD作泵浦源,两个光纤光栅构成超短谐振腔(见图一)。该款激光器的线宽可窄至2Khz,频率稳定性好于10Mhz,热调协范围可达20Ghz连续线性PZT调制范围可达100Mhz,直接输出功率可达150mW而不需要增加EDFA来放大,传感的长度可超过50公里(而传统的DFB激光器传感的距离只有几百米)。所有这些特点注定了该款激光器成为最稳定和超高精度的光纤传感系统中所必需的光源,在欧美被尊称为“激光器的皇后”。
搭配一台光电探测器,该款单频激光器便可以实现十分经济的分布式光纤传感,对超长距离和超宽区域进行监控。一个在光纤水听器声纳阵列的应用例子见图二。美国国防部曾十分积极地研究海底水听器声纳阵列、光纤底部阵列以及使用TDM和WDM技术相结合的拖曳阵列。这些传感阵列在石油探勘和地震方面也可广泛应用。

图一:DBR激光器
与传统的压电水听器相比较,相干光纤传感器拥有诸多优势。除了用光代替电所带来的诸多好处外,最为关键的是该系统不再需要额外的传感头,因为它是通过光纤本身绕成的光纤圈来感应外部变化的,从而大大降低了成本,光纤还可以降低系统的重量和电缆的成本,同时也大大提高了声纳阵列的使用寿命。
 图二:光纤传感应用
然而,该款基于光纤技术的水听器的压力精度取决于传感器的干涉仪的相位精度,而来自干涉仪的相对强度噪声和频率噪声反过来又会影响到相位精度。噪声水平的增加与干涉仪的路径不平衡度成比例,所以一个更长的干涉仪测量臂就意味着更低的压力精度。光库通讯提供的超窄线宽光纤激光器,是水听器应用中最优秀的光源,因为它的频率噪声就是与最好的DFB激光器相比都要低2个数量级,同时由于不必要采用放大器就可以实现高功率(150mW)输出,它根除了所有的自发噪声,相对强度噪声可低至-110db/Hz,相干长度可长达75公里,可以说是光纤水听器之最高发展,必将全面升级水下探测和海底通信系统。 |