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BOTDA光纖傳感系統中電光調制器和光纖的選擇

布里淵(Brillouin)傳感器是一種光纖傳感技術，在分布式溫度和應變傳感中具有越來越重要的地位，同時，這種技術在各種工業溫度測量，結構壽命監測和管道監控等領域的廣泛應用，對布里淵時域分析(BOTDA)提出了越來越高的性能要求。

電光調制器（EOM）是BOTDA光學子系統中最關鍵的器件之一，選擇合適的電光調制器規格和工作條件對系統的整體性能，一致性和可靠性有著重要的影響。

傳感元件，即光纖，也必須根據目標溫度范圍和是否存在輻射仔細選擇。

傳統BOTDA系統中有2個電光調制器：脈沖產生的EOM1（泵浦信號）和EOM2用于產生傳感光纖的布里淵頻移（相對于泵浦光頻率）的種子光信號。 通常條件下，SMF-28的布里淵頻移為10.820GHz，通過在傳感光纖的另一端注入EOM2產生的探測種子信號，布里淵背向散射是一個受激過程，信噪比較高。

BOTDA系統的重要指標是空間分辨率、溫度/應變分辨率、最大測量范圍和測量速度。

空間分辨率是分布式光纖傳感器中兩個數據點之間的最小可分辨距離。一般來說，這取決于脈沖寬度，而減小脈寬將增加空間分辨率。對于傳統的BOTDA系統，典型的空間分辨率為一米左右。隨著脈寬降到10ns以下，由于背向散射信號的展寬，要測量的峰值和要確定的布里淵頻移（BFS）變得越來越困難。但是，對傳統的BOTDA的改進，如雙脈沖或DP-BOTDA，可以分別實現亞米或20cm的空間分辨率，此時脈寬和脈寬間隔分別是2 ns和5ns。

圖2顯示了強度電光調制器的傳輸函數(MTF)產生光脈沖的原理。對于脈沖寬度約為1ns的BOTDA應用，10Ghz帶寬的EOM和小于100ps的上升/下降沿完全符合要求。另外EOM能夠產生并維持的高消光比（ER，也可理解為信噪比）脈沖，對BOTDA系統也是至關重要的。

當連續激光被調制成短脈沖時，低消光比的電光調制器會導致連續激光的泄漏，如20dB消光比的調制器，輸入的連續光功率100mW，會有約為1mW的連續光泄漏。而EOM產生的脈沖和其泄漏光后續被光放大器放大，并注入到傳感光纖中。對于遠程BOTDA測量系統，一般需要消光比ER>32dB以減輕泄漏光影響。

泵浦脈沖的消光比直接影響整個BOTDA測量系統的信噪比。因此，高消光比EOM直接影響BOTDA系統的最大測量范圍和測量速度。MXER-LN系列強度調制器是高性能調制器，具有優越的消光比。該產品的設計依賴于iXblue的“Magic Junction”（專利號n° US2008193077）。MXER-LN系列強度調制器是BOTDA應用中需要高消光和高帶寬組合的關鍵器件。

DR-VE-10-MO射頻驅動器，是設計用于驅動脈沖、模擬或數字應用的鈮酸鋰電光調制器的放大器模塊，以產生不失真的光脈沖。在BOTDA系統中，電脈沖信號的占空比很長。為了產生清晰的光脈沖，在保持高消光比ER的同時，具有銳利的邊緣、持續的高低電平以及無overshoot，BOTDA光脈沖信號產生需要具有合適特性的特定射頻放大器，如DR-VE-10-MO。

DR-VE-10-MO驅動器針對從10Hz到1GHz的低和高脈沖重復頻率（PRF）信號進行了優化。帶寬高達12GHz，可產生最低70ps脈沖寬度，超短上升和下降沿（24ps），并可適用最高300ns脈寬的脈沖。

DR-VE-10-MO驅動采用緊湊的連接模塊，與iXblue的EOM的射頻接口直接匹配（幾何尺寸一致）。該驅動使用單一的電壓電源，方便和安全的使用，并具有圖形用戶界面，其中集成了最大的靈活性輸出電壓控制。

在實際應用中，可靠的BOTDA系統在工業傳感應用（如結構壽命和管道監測），需要產生具有可重復特性的光脈沖，因此需要光學器件在長時間內穩定運行以及抗干擾的可靠性。

EOM中的Mach-Zehnder干涉儀由于溫度變化、熱不均勻性、老化、光折變效應、靜電荷積累等環境效應而產生偏置點漂移。偏置點漂移將會導致傳遞函數MTF偏離調制信號的工作點。因此，輸出脈沖的消光比和脈沖寬度等特性會受到干擾。

直流偏壓點的漂移可以使用iXBlue的MBC（調制器偏壓控制器）解決方案進行主動監測和控制：臺式儀器MBC-DG-LAB或MBC-DG-board鎖定用于BOTDA應用的Mach-Zehnder調制器的工作點。

在傳統的BOTDA系統中，需要第二個EOM來產生探測所需的種子信號，該種子信號的光頻率被鎖定到泵浦光脈沖的光頻率，但被布里淵頻移（BFS）偏移，對于SMF傳感光纖，通常為10.8 GHz。該種子信號的頻率也被逐級掃描或調諧，以檢測傳感光纖BFS周圍布里淵增益譜（BGS）的變化。通常，根據所需的分辨率，使用500 kHz，1MHz或5MHz的頻率步長。

使用EOM產生這種可調諧光頻移有幾種選擇，其中2種最常用的是帶光學濾波的雙邊帶-載波抑制調制（DSB-SC）和載波抑制-單邊帶調制（CS-SSB）。

高度通用的MX-LN-10有一個X-cut設計，廣泛的工作條件，以及零啁啾性能和無與倫比的穩定性。iXblue專有的波導設計提供了低插入損耗和高消光比。MX-LN-10由于具有高帶寬、穩定性好和低插入損耗，非常適合用于BOTDA系統的DSB-SC。DR-AN-10-HO是一種寬帶射頻放大器模塊，設計用于頻率高達11GHz的模擬應用。DR-AN-10-HO具有低噪聲系數和線性傳遞函數的特點，其1dB壓縮點大于23dBm。它在整個帶寬上表現出平坦的群延遲和增益曲線，波動很小，該放大器模塊非常適合匹配MX-LN-10做DSB-SC應用。 利用MBC-DG-LAB和MBC-DG-board可以鎖定馬赫-曾德爾調制器的工作點，保證了對偏置漂移的長期穩定性。

BOTDA系統的其他組件包括偏振擾頻器和FBG邊帶濾波器。

偏振擾偏器：布里淵散射對偏振敏感。通過對信號的偏振態進行擾亂可以緩解這個問題。偏振態擾亂提高了信噪比，縮短了測量時間，提高了測量精度、分辨率和測量范圍。PSC-LN是一種緊湊的高速電光偏振擾偏器。這鐘集成光學器件具有低損耗的單模波導，可以在從直流到10GHz以上的頻率范圍內偏振擾偏，在超過100nm的波長范圍內工作。

FBG邊帶濾波器：光纖布拉格光柵（FBG）可用作BOTDA系統的DSB-CS邊帶濾波器。IXC-FBG是一種光纖布拉格光柵，通過多年來的技術積累，iXblue可以提供高度定制的FBG，這些FBG可以放入特殊的封裝外殼中以保證對環境的不敏感，用于去除BOTDA系統中不需要的DSB-CS邊帶。

傳感光纖：在一般情況下，標準SMF光纖就足夠了；但溫度超過85度、 光纖的標準涂覆層不能承受如此高的溫度，會熔化。iXblue提供含酰化高溫涂層的光纖最高可達130°C、 含聚酰亞胺涂層高達300°C，甚至鋁涂層高達400°C。在空間或核輻射環境中，還需要具有抗輻照保證（Radiation Induced Attenuation-RIA）的特定光纖。

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