CN103940501B - 一种基于动态相位解调的botda分布式振动传感*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，属于光纤传感器技术领域，解决难以解调和计算光纤分布的动态应变、应力及压力大小的问题。一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，包括布里渊信号输出装置、第四隔离器、窄带光滤波器、相位解调检测装置和数据采集及信号处理***；布里渊信号输出装置的信号经过第四隔离器，接入窄带光滤波器滤除杂光，注入相位解调检测装置探测输出的光强信号，再接入数据采集及信号处理***进行信号解调。本发明通过相位解调***快速解调和计算出沿光纤分布的动态应变、应力及压力大小，以实现分布式振动传感，提高了BOTDA***信号检测的动态特性，能够实现振动点定位快、测量动态范围大、测量距离长。

Description

一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***

技术领域

一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，计算出BOTDA***因动态应变引起的波长漂移量，并相应计算出应变、应力或压力的大小，从而实现分布式振动测量，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

伴随着光纤技术的发展，分布式光纤传感研究已经成为最具代表性的新兴技术之一，其最显著的优点是可以准确地测出光纤沿线上任一点应力、温度、振动和损伤等信息，却无需构成回路。它根据光波在光纤中传播时产生的后向散射光的频谱与功率特征与外界环境相互关系，通过频谱和功率分析光纤的散射光的分布来进行检测。它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤上对光纤沿线的外部物理参量进行连续的测量。从上世纪七十年代问世至今，取得了相当大的发展。特别是三个方面：分别基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射的分布式传感技术。

瑞利散射（Rayleighscattering）是由比光波波长还要小的气体分子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段；使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动，当电磁波波长大于1微米时，瑞利散射可以忽略不计。

拉曼散射透明气体、液体、固体介质的分子对入射光的一种特殊的散射现象，是印度物理学家拉曼首先发现的。如果入射光是单色光，则在散射光谱中，在原有谱线两侧的对称位置上，将出现一些新的弱谱线，长波侧的谱线较短波侧的强些。前者称斯托克斯线，后者称反斯托克斯线。二者统称为拉曼谱线。这些谱线特征将由散射物质的性质决定。产生拉曼散射的原因是散射分子的转动能态和振动能态发生变化，结果使得散射光子频率不同于入射光子。因此，这一效应常常用于分子结构的研究和分子的定性、定量分析。

布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。

基于布里渊散射原理的布里渊光时域分析(BOTDA)是一门极具发展前景的应变和温度监测技术,它利用脉冲光在光纤中的受激布里渊散射效应和光时域反射(OTDR)技术来实现温度和应变的长距离全分布式测量,适用于大型结构体的健康状况的检测和监测。1989年,日本安腾公司的Horiguchi与英国学者Culverhouse等人分别独立发现光纤布里渊频移与其相应的应变和温度成线性关系以来,基于布里渊散射的传感技术在测试***以及工程应用方面得到迅速发展,目前已经在石油天然气、土木工程结构、地质灾害调查及预防、航空航天测试等领域得到了广泛应用,完全符合大型结构健康监测的需求。加拿大Ottawa大学的XiaoyiBao教授领导的小组多年来一直在该领域取得不断的进展。他们开发的BOTDA***不论在测量精度还是测量距离上都取得了出色的性能。早在1994年他们小组实现了BOTDA***10m的空间分辩率和50km的长距离检测。

但BOTDA***较复杂,在应用上还存在许多不足：

一、由于BOTDA***较复杂，不能测断点（即分布式点）,应用条件受到限制；

二、目前的布里渊散射信号解调仪在实际工程应用中，***频率扫描很难保持线性度，对空间分辨率和测量灵敏度进行了限制；

三、测量精度与空间分辨率相互制约,检测信号一般比较微弱,并且需要对大量信号进行繁琐的运算处理等,都制约着布里渊传感技术在实际工程中的应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处提供了一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，可以检测动态应力、应变和压力，提高了BOTDA***的动态特性，有利于实现传感器全光纤化和信号的远距离传输。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：包括布里渊信号输出装置、第四隔离器、窄带光滤波器、相位解调检测装置和数据采集及信号处理***；布里渊信号输出装置的信号经过第四隔离器，接入窄带光滤波器滤除杂光，注入相位解调检测装置探测输出的光强信号，再接入数据采集及信号处理***进行信号解调。

作为优选，所述相位解调检测装置包括第一耦合器、延迟光纤、3*3耦合器和光电探测器（PD)；第一耦合器的1端口连接布里渊信号的输出端，第一耦合器的3端口通过延迟光纤与3*3耦合器的1端口相连构成信号臂，第一耦合器的4端口与3*3耦合器的3端口相连构成参考臂，3*3耦合器的4、5、6端口分别与光电探测器相连。

作为优选，所述3*3耦合器为2π/3的固定相位差。

作为优选，所述相位解调检测装置包括第一耦合器、延迟光纤、声光调制器、第二耦合器和光电探测器（PD)；第一耦合器的1端口连接布里渊信号的输出端，第一耦合器的3端口通过延迟光纤与第二耦合器的1端口相连构成信号臂，第一耦合器的4端口通过声光调制器与第二耦合器的2端口相连构成参考臂，第二耦合器的3、4端口分别与光电探测器相连。

作为优选，所述声光调制器的移频范围为1kHz-10MHz。

作为优选，所述相位解调检测装置包括第一耦合器、延迟光纤、压电陶瓷、第二耦合器和光电探测器（PD)；第一耦合器的1端口连接布里渊信号的输出端，第一耦合器的3端口通过延迟光纤与第二耦合器的1端口相连构成信号臂，第一耦合器的4端口通过压电陶瓷与第二耦合器的2端口相连构成参考臂，第二耦合器的3、4端口与光电探测器相连。

作为优选，所述压电陶瓷附加了π/2的相位。

作为优选，所述相位解调检测装置中的相位变化量满足关系式为：

其中为延迟光纤的长度，为布里渊频移的波长，为布里渊散射光的频率，为布里渊散射光在光纤中的速度。

作为优选，所述布里渊信号输出装置包括泵浦激光器、第二隔离器、传感光纤、环形器、第三隔离器、脉冲调制器、第一隔离器和探测激光器；所述探测激光器发出的连续光依次经过第一隔离器、脉冲调制器、第三隔离器和环形器与泵浦激光器发出的脉冲光经过第二隔离器进入传感光纤进行耦合，在传感光纤处发生布里渊效应。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、通过BOTDA动态测量应变大小与相位解调方法相结合，可直接提取BOTDA因应变引起的波长漂移量，从而实现振动时应力、应变和压力的测量，具有振动点定位快、测量动态范围大、测量距离长的优点。

二、通过相位解调，避免了***进行频率扫描对测量灵敏度及空间分辨率的限制，在获得高灵敏度、大动态范围及高空间分辨率的同时，也提高了***的动态响应特性。

三、通过调节激光器输出功率，来得到高信噪比的BOTDA输出信号，与EDFA对信号的放大相比，其结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中相位解调检测装置（3*3光纤耦合器相位解调检测装置）示意图；

图3是本发明中相位解调检测装置（外差干涉信号相位解调检测装置）示意图；

图4是本发明中相位解调检测装置（PGC相位解调相位解调检测装置）示意图；

图中：1-第一隔离器、2-第二隔离器、3-第三隔离器、4-第四隔离器、5-泵浦激光器、6-传感光纤、7-脉冲调制器、8-环形器、9-探测激光器、10-窄带光滤波器、11-相位解调检测装置、12-数据采集以及信号处理***、13-第一耦合器、14-声光调制器、15-第二耦合器、16-延迟光纤、17-3*3耦合器、18-压电陶瓷。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，包括泵浦激光器5、第二隔离器2、传感光纤6、环形器8、第三隔离器3、脉冲调制器7、第一隔离器1、探测激光器9、第四隔离器4、窄带光滤波器10、相位解调检测装置11和数据采集及信号处理***12；所述探测激光器9发出的连续光依次经过第一隔离器1、脉冲调制器7、第三隔离器3和环形器8与泵浦激光器5发出的脉冲光经过第二隔离器2进入传感光纤6进行耦合，在传感光纤6处发生布里渊效应，使得泵浦光与探测光的频差与传感光纤中某区域的布里渊频移相等，布里渊散射信号经过第四隔离器4，第四隔离器4阻隔环形器8返回的光，防止返回光产生的干扰，再接入窄带光滤波器10滤除布里渊光谱外的杂光，输出布里渊信号，布里渊信号注入相位解调检测装置11，相位解调检测装置11探测输出的光强信号，再由数据采集及信号处理***12进行信号解调。

利用了受激布里渊放大特性，让两束光在传感光纤6中反向传播，其中一束是频率为f₁的脉冲泵浦光，另一束是频率为f₂的连续探测光。让两者的频率差（f₂-f₁）等于布里渊频移f_b时，弱的连续光信号将被强的脉冲泵浦光放大，即所谓的受激布里渊放大。当传感光纤6上的某一段发生振动时，其传感光纤6相应部位的应变、应力将产生变化，同时该位置的布里渊频移将由f_b变成f_b+△f。当输出光信号经过相位解调检测装置11将布里渊偏移量转化为相位变化量，即可计算出BOTDA***因动态应变引起的波长漂移量，计算出应变、应力或压力的大小，从而实现分布式振动测量。

当传感光纤6某一处发生振动、应变、应力或压力时，传感光纤6的背向布里渊散射光的频率或波长将发生漂移，通过相位解调的方法解调出相位变化量，相位的变化量满足关系式为：

其中为延迟光纤的长度，为布里渊频移的波长，为布里渊散射光的频率，为布里渊散射光在光纤中的速度，即可计算出BOTDA***因应变引起的波长漂移量，也就得到了振动、应变、应力或压力的大小。

如图2所示，所述相位解调检测装置11为3*3光纤耦合器相位解调装置，包括第一耦合器13、延迟光纤16、3*3耦合器17和光电探测器；第一耦合器13的1端口连接布里渊散射信号的输出端，第一耦合器13的3端口通过延迟光纤16与3*3耦合器17的1端口相连构成信号臂，第一耦合器13的4端口与3*3耦合器17的3端口相连构成参考臂，3*3耦合器17的4、5、6端口分别与光电探测器相连，光电探测器输出，再由数据采集及信号处理***12进行信号解调，其中3*3耦合器17为2π/3的固定相位差。

如图3所示，所述相位解调检测装置11为外差干涉信号的相位解调装置，包括第一耦合器13、延迟光纤16、声光调制器14、第二耦合器15和光电探测器；第一耦合器13的1端口连接布里渊散射信号的输出端，第一耦合器13的3端口通过延迟光纤16与第二耦合器15的1端口相连构成信号臂，第一耦合器13的4端口通过声光调制器14与第二耦合器15的2端口相连构成参考臂，第二耦合器15的3、4端口分别与光电探测器相连，光电探测器输出，再由数据采集及信号处理***12进行信号解调。所述声光调制器14的移频范围为1kHz-10MHz。

如图4所示，所述相位解调检测装置11为外差干涉信号的相位解调装置，包括第一耦合器13、延迟光纤16、压电陶瓷18、第二耦合器15和光电探测器；第一耦合器13的1端口连接布里渊散射信号的输出端，第一耦合器13的3端口通过延迟光纤16与第二耦合器15的1端口相连构成信号臂，第一耦合器13的4端口通过压电陶瓷18与第二耦合器15的2端口相连构成参考臂，第二耦合器15的3、4端口与光电探测器相连，光电探测器输出，再由数据采集及信号处理***12进行信号解调。所述压电陶瓷18附加了π/2的相位。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (8)

1.一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：包括布里渊信号输出装置、第四隔离器(4)、窄带光滤波器(10)、相位解调检测装置(11)和数据采集及信号处理***(12)；

布里渊信号输出装置的信号经过第四隔离器(4)，接入窄带光滤波器(10)滤除杂光，注入相位解调检测装置(11)探测输出的光强信号，再接入数据采集及信号处理***(12)进行信号解调；

所述相位解调检测装置(11)包括第一耦合器(13)、延迟光纤(16)、声光调制器(14)、第二耦合器(15)和光电探测器(PD)；

第一耦合器(13)的1端口连接布里渊信号的输出端，第一耦合器(13)的3端口通过延迟光纤(16)与第二耦合器(15)的1端口相连构成信号臂，第一耦合器(13)的4端口通过声光调制器(14)与第二耦合器(15)的2端口相连构成参考臂，第二耦合器(15)的3、4端口分别与光电探测器相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：所述相位解调检测装置(11)包括第一耦合器(13)、延迟光纤(16)、3*3耦合器(17)和光电探测器(PD)；

第一耦合器(13)的1端口连接布里渊信号的输出端，第一耦合器(13)的3端口通过延迟光纤(16)与3*3耦合器(17)的1端口相连构成信号臂，第一耦合器(13)的4端口与3*3耦合器(17)的3端口相连构成参考臂，3*3耦合器(17)的4、5、6端口分别与光电探测器相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：所述3*3耦合器(17)为2π/3的固定相位差。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：所述声光调制器(14)的移频范围为1kHz-10MHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：所述相位解调检测装置(11)包括第一耦合器(13)、延迟光纤(16)、压电陶瓷(18)、第二耦合器(15)和光电探测器(PD)；

第一耦合器(13)的1端口连接布里渊信号的输出端，第一耦合器(13)的3端口通过延迟光纤(16)与第二耦合器(15)的1端口相连构成信号臂，第一耦合器(13)的4端口通过压电陶瓷(18)与第二耦合器(15)的2端口相连构成参考臂，第二耦合器(15)的3、4端口与光电探测器相连。

6.根据权利要求5所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：所述压电陶瓷(18)附加了π/2的相位。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于，所述相位解调检测装置(11)中的相位变化量满足关系式为：

$\mathrm{\Φ}=f(I_1,I_2,...,I_n)=\mathrm{\Δ}L\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\Δ}L\frac{2\mathrm{\π}\·v}{c_n}$

其中ΔL为延迟光纤的长度，λ为布里渊频移的波长，v为布里渊散射光的频率，c_n为布里渊散射光在光纤中的速度。

8.根据权利要求1所述的一种基于动态相位解调的BOTDA分布式振动传感***，其特征在于：所述布里渊信号输出装置包括探测激光器(5)、第二隔离器(2)、传感光纤(6)、环形器(8)、第三隔离器(3)、脉冲调制器(7)、第一隔离器(1)和泵浦激光器(9)；

所述泵浦激光器(9)发出的连续光依次经过第一隔离器(1)、脉冲调制器(7)、第三隔离器(3)和环形器(8)与探测激光器(5)发出的脉冲光经过第二隔离器(2)进入传感光纤(6)进行耦合，在传感光纤(6)处发生布里渊效应。