CN104677396B - 动态分布式布里渊光纤传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态分布式布里渊光纤传感装置及方法，包括窄线宽激光器、保偏耦合器、耦合器、第一电光强度调制器、脉冲信号发生器、移频器、光放大器、扰偏器、光环形器、偏振控制器，第二光电强度调制器，微波信号源、传感光纤、3dB耦合器、平衡光电探测器和数据采集处理模块。其同时采用了布里渊增益谱双斜率频点辅助法和相干探测两种技术。相干探测技术可以提高***的信噪比、测量精度和增加传感距离；布里渊增益谱双斜率频点辅助法克服了传统布里渊增益斜率频点辅助法中泵浦脉冲光功率波动对测量精度影响的问题。因此本发明可以在保证布里渊光纤传感***具有较长传感距离的同时，还能实现较高测量精度的动态事件测量。

Description

动态分布式布里渊光纤传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种动态分布式布里渊光纤传感装置及方法。

背景技术

光纤布里渊光时域分析技术(BOTDA)是一种基于受激布里渊散射效应的分布式光纤传感技术，通过将一束泵浦光(脉冲光)和一束探测光(连续光)分别注入光纤两端，当两束光的频率差在布里渊增益范围时，两束光之间由于受激布里渊效应发生能量转移；对探测光逐点扫频，可得出传感光纤沿线的布里渊增益谱(BGS)分布，由此可以得到布里渊频移(BFS)沿传感光纤的分布，利用频移量与温度/应变成正比关系以及光时域反射技术，可实现温度和应变的分布式测量。

BOTDA技术具有探测信号较强，传感距离长、测量精度高的特点，在大型基础设施结构健康监测中有着广泛的应用。但是由于其测量过程往往需要扫描几百兆赫兹的布里渊增益谱来获得布里渊频移，测量时间较长，因此不能将其应用于动态事件如动态应变、振动等的测量。目前已有的可用于动态信号测量的BOTDA技术，有频率梳免扫频法，调制探测光频率法或者可变频探测光法和布里渊增益斜率法，这些方法中，布里渊增益斜率法最为简单且性能效果较好，其他方法需要复杂的频率调制和数据处理，然而布里渊增益斜率法除了测量范围有限外还存在一个严重的问题，***的测量精度严重受泵浦光功率波动的影响。

发明内容

本发明所要解决的是布里渊增益斜率法BOTDA动态传感技术中测量精度严重受泵浦光功率波动影响的问题，提供了一种基于相干探测和BGS双斜率频点辅助方法的动态分布式布里渊光纤传感装置及方法，可以在保证布里渊光纤传感***具有较长传感距离的同时，还能实现较高测量精度的动态事件测量。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种动态分布式布里渊光纤传感装置，包括窄线宽激光器、保偏耦合器、耦合器、第一电光强度调制器、脉冲信号发生器、移频器、光放大器、扰偏器、光环形器、偏振控制器、第二光电强度调制器、微波信号源、传感光纤、3dB耦合器、平衡光电探测器和数据采集处理模块。窄线宽激光器的输出端连接保偏耦合器的输入端，保偏耦合器的两路输出端分别连接第一电光强度调制器的输入端和耦合器的输入端。脉冲信号发生器直接连接第一电光强度调制器的射频接口，第一电光强度调制器的输出端连接光放大器的输入端；光放大器的输出端连接扰偏器的输入端；扰偏器的输出端与光环形器的A端口相连接。耦合器的两路输出端分别连接移频器的输入端和3dB耦合器的一个输入端；移频器的输出端连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接第二光电强度调制器的输入端，微波信号源直接连接第二电光强度调制器的射频接口；第二电光强度调制器的输出端连接传感光纤的一端；传感光纤的另一端连接光环形器的B端口；3dB耦合器的另一个输入端连接光环形器的C端口。3dB耦合器的输出端经平衡光电探测器与数据采集处理模块相连。

上述方案中，第一电光强度调制器的输出的泵浦脉冲光宽度为10ns-50ns。

上述方案中，移频器的移频量f_m＝Δv_B/2,其中Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽。

上述方案中，微波信号源输出的微波电信号的频率等于传感光纤未受动态应变时的布里渊频移。

上述方案中，所述传感光纤为普通单模光纤。

上述方案中，所述平衡光电探测器的探测带宽为12GHz。

一种动态分布式布里渊光纤传感方法，包括如下步骤：

窄线宽激光器发出频率为f₀的连续光被保偏耦合器分成两路连续光，即第一路连续光和第二路连续光；其中

第一路连续光由第一电光强度调制器调制成泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的频率为f₀，第一电光强度调制器调制的泵浦脉冲光的脉冲宽度大小由脉冲信号发生器控制，调制好的泵浦脉冲光经过光放大器放大到预期峰值功率后输出至扰偏器，扰偏器输出的泵浦脉冲光由光环形器的A端口进入光环形器，并由光环形器的B端口输出到传感光纤的一端；

第二路连续光经耦合器分成两路连续光，即探测光和本振光，此时探测光和本振光的频率都为f₀；探测光经移频器进行移频f_m后输出至偏振控制器的输入端，由偏振控制器进行光偏振态控制之后输出到工作在抑制载频模式的第二电光强度调制器，第二电光强度调制器将其调制成上边带探测光和下边带探测光，第二电光强度调制器输出的上边带探测光和下边带探测光都注入传感光纤的另一端；

光环形器的B端口输出的泵浦脉冲光与第二电光强度调制器注入的上边带探测光和下边带探测光在传感光纤相遇时，产生受激布里渊散射相互作用；传感光纤输出的经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光与耦合器输出的本振光，经3dB耦合器耦合后，再由平衡光电探测器进行相干探测；平衡光电探测器输出的中频电信号由数据采集处理模块进行采集和处理，分别得到经过受激布里渊相互作用后的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率分布及它们的比值，再根据所获得的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率比值与所处传感光纤位置布里渊频移的关系R(t,z,δv_B)可以得到所处位置的布里渊频移变化量δv_B(t,z)，最后根据布里渊频移变化量δv_B(t,z)与应变的线性关系实现动态分布式应变传感。

上述方法，还进一步包括，通过传统BOTDA的扫频方法预先获得传感光纤未受动态应变时的布里渊频移的步骤。

上述方法中，第二电光强度调制器输出的上边带探测光的频率v⁺为：

第二电光强度调制器输出的下边带探测光的频率v^-为：

式中，f₀为第一电光强度调制器调制出的泵浦脉冲光的频率，为微波信号源输出给第二电光强度调制器的微波信号的调制频率，其数值等于传感光纤未受动态应变时的布里渊频移，Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽。

上述方法中，经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率分布与所处传感光纤位置的布里渊频移变化量的关系R(t,z,δv_B)为：

式中，P_上(t,z)为经过受激布里渊相互作用的上边带探测光沿传感光纤的功率分布，P_下(t,z)为经过受激布里渊相互作用的下边带探测光沿传感光纤的功率分布，z为所处传感光纤的位置，G(v)表示归一化的布里渊增益，v⁺为上边带探测光的频率，v^-为下边带探测光的频率；f₀为第一电光强度调制器调制出的泵浦脉冲光的频率，Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽， 为微波信号源输出给第二电光强度调制器的微波信号的调制频率，δv_B(t,z)为所处传感光纤位置的布里渊频移变化量。

与现有技术相比，本发明基于相干探测和BGS双斜率频点辅助方法的动态分布式布里渊光纤传感装置及方法，其同时采用了布里渊增益谱双斜率频点辅助法和相干探测两种技术。相干探测技术可以提高***的信噪比、测量精度和增加传感距离；布里渊增益谱双斜率频点辅助法克服了传统布里渊增益斜率频点辅助法中泵浦脉冲光功率波动对测量精度影响的问题。因此本发明可以在保证布里渊光纤传感***具有较长传感距离的同时，还能实现较高测量精度的动态事件测量。

附图说明

图1为动态分布式布里渊光纤传感装置的示意图。

图2是泵浦脉冲光、探测光和本振光的频率关系。

图3为布里渊增益谱双斜率频点辅助法输出的中频信号示意图。

图4为所测探测光相干探测后输出的中频信号示意图。

具体实施方式

一种动态分布式布里渊光纤传感装置，如图1所示，它包括窄线宽激光器01、保偏耦合器02、耦合器03、第一电光强度调制器04、脉冲信号发生器05、移频器06、光放大器07、扰偏器08、光环形器09、偏振控制器10、第二光电强度调制器11、微波信号源12、传感光纤13、3dB耦合器14、平衡光电探测器15和数据采集处理模块16。

窄线宽激光器01的输出端连接保偏耦合器02的输入端，保偏耦合器02的两路输出端分别连接第一电光强度调制器04的输入端和耦合器03的输入端；

脉冲信号发生器05直接连接第一电光强度调制器04的射频接口，第一电光强度调制器04的光路输出作为泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的宽度由脉冲信号发生器05控制，第一电光强度调制器04的输出端连接光放大器07的输入端；光放大器07的输出端连接扰偏器08的输入端；扰偏器08的输出端与光环形器09的A端口相连接；

耦合器03的两路输出端分别连接3dB耦合器14的一个输入端和移频器06的输入端，其中与3dB耦合器14一个输入端相连的一路光作为本振光，与移频器06的输入端的另一路光作为探测光；移频器06的输出端连接偏振控制器10的输入端，偏振控制器10的输出端连接第二光电强度调制器11，微波信号源12直接连接第二电光强度调制器11的射频接口；第二电光强度调制器11的输出端连接传感光纤13的一端；传感光纤13的另一端连接光环形器09的B端口；3dB耦合器14的另一个输入端连接光环形器09的C端口；

在传感光纤13中，探测光和泵浦脉冲光因受激布里渊散射而发生相互作用；经相互作用的探测光进入光环形器09的B端口，并从光环形器09的C端口输出至3dB耦合器14，3dB耦合器14的输出端经平衡光电探测器15进行相干探测后与数据采集处理模块16相连，数据采集处理模块16同时获取双边带探测光与本振光相干探测之后的2个中频信号。

在本发明中，所述第一电光强度调制器04的输出的泵浦脉冲光宽度为10ns-50ns，本实施例中输出的泵浦脉冲光宽度为30ns。所述脉冲信号发生器05采用安捷伦公司生产的、型号为8110A脉冲信号发生器，脉冲信号发生器输出脉冲宽度为30ns的电脉冲信号，这可以让传感装置实现3m的空间分辨率。所述移频器06的移频量f_m为20-80MHz，作为优选，本实施例采用频率上移30MHz的声光调制器作为移频器。所述光放大器07为掺铒光纤放大器，并将泵浦脉冲光的期峰值功率放大到约23dBm。所述微波信号源12输出的微波电信号的频率等于传感光纤未受动态应变时的布里渊频移。所述传感光纤13为普通单模光纤。所述平衡光电探测器15的探测带宽为12GHz。所述数据采集处理模块16工作在外触发模式并能同时获取上、下边带探测光与本振光相干探测之后的两个中频信号，触发信号由脉冲信号发生器05提供。

基于上述动态分布式布里渊光纤传感装置而设计的动态分布式布里渊光纤传感方法，包括以下步骤：

所述窄线宽激光器01发出频率为f₀的连续光被保偏耦合器02分成两路连续光，即第一路连续光和第二路连续光；其中

第一路连续光由第一电光强度调制器04调制成泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的频率为f₀，第一电光强度调制器04调制的泵浦脉冲光的脉冲宽度大小由脉冲信号发生器05控制，作为优选，泵浦脉冲光宽度为10ns-50ns，调制好的泵浦脉冲光经过光放大器07放大到预期峰值功率后输出至扰偏器08的输入端，从扰偏器08输出端输出的泵浦脉冲光由光环形器09的A端口进入光环形器09并由光环形器09的B端口输出至传感光纤的一端；

第二路连续光经耦合器03分成两路连续光，即探测光和本振光，此时探测光和本振光的频率都为f₀；探测光经移频器06进行移频f_m后输出至偏振控制器10的输入端，由偏振控制器10进行光偏振态控制之后输出到工作在抑制载频模式的第二电光强度调制器11，第二电光强度调制器11将其调制成频率分别为和的上边带探测光和下边带探测光，其中为微波信号源12输出给第二电光强度调制器11的微波信号的调制频率，等于传感光纤13未受动态应变时的布里渊频移，Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽；第二电光强度调制器11输出的上边带探测光和下边带探测光都注入传感光纤13的另一端；

光环形器09的B端口输出的泵浦脉冲光与第二电光强度调制器11注入的上边带探测光和下边带探测光在传感光纤13相遇时，探测光和所述泵浦脉冲光在传感光纤相遇时产生受激布里渊散射相互作用，传感光纤13输出经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光与所述的本振光经3dB耦合器14耦合后由平衡光电探测器15进行相干探测，平衡光电探测器15输出的中频电信号由数据采集处理模块16进行采集和处理，得到经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤13的功率分布及其它们的比值，再根据所述上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤13的功率比值与所处光纤位置布里渊频移的关系可以得到所处位置的布里渊频移变化量δv_B(t,z)，最后根据布里渊频移变化量δv_B(t,z)与应变的线性关系实现动态分布式应变传感。

上述方法中，需要通过传统BOTDA的扫频方法预先获得传感光纤13未受动态应变时的布里渊频移所述微波信号源12输出的微波信号调制频率等于传感光纤13未受动态应变时的布里渊频移所述泵浦脉冲光宽度为10ns-50ns，本实施例中输出的泵浦脉冲光宽度为30ns。所述移频器06的移频量为f_m＝Δv_B/2，其中Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽，本实施例中Δv_B为60MHz，所述移频器06为频率上移30MHz的声光调制器。所述上边带探测光和下边带探测光与泵浦脉冲光之间的频率差为恒定值，分别为和因此平衡光电探测器15进行相干探测后输出的中频电信号的频率分别为和数据采集处理模块16所提取的正是这两个中频信号的时域功率曲线。所述经过受激布里渊相互作用后的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率分别为：

P_上(t,z)＝K×P(z)×G([v⁺-f₀-v_B(t,z)]/Δv_B)

P_下(t,z)＝K×P(z)×G([v^--f₀-v_B(t,z)]/Δv_B)

其中，z为所处传感光纤位置，K为常数，P(z)为泵浦脉冲光功率，G(v)表示归一化布里渊增益，Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽，δv_B(t,z)为传感光纤受动态应变时产生的布里渊频移变化量，v⁺和v^-分别为上边带探测光和下边带探测光频率，且有：

和

所述经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率比值与所处光纤位置布里渊频移变化量δv_B(t,z)的关系为：

显然所述的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率比值是布里渊频移变化量δv_B(t,z)和位置z及时间t的函数，与泵浦脉冲功率无关，因此可以大大减小泵浦脉冲光功率波动对测量精度的影响。

图2是泵浦脉冲光、探测光和本振光的频率关系。图3为布里渊增益谱双斜率频点辅助法输出的中频信号与布里渊增益谱频率分布示意图。图4为所测探测光相干探测后输出的中频信号频率示意图。

上述实施例仅用于说明本发明，但它并不是用来限定本发明，本领域的开发人员可以对本发明的实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.动态分布式布里渊光纤传感方法，其特征在于，包括如下步骤：

窄线宽激光器(01)发出频率为f₀的连续光被保偏耦合器(02)分成两路连续光，即第一路连续光和第二路连续光；其中

第一路连续光由第一电光强度调制器(04)调制成泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的频率为f₀，第一电光强度调制器(04)调制的泵浦脉冲光的脉冲宽度大小由脉冲信号发生器(05)控制，调制好的泵浦脉冲光经过光放大器(07)放大到预期峰值功率后输出至扰偏器(08)，扰偏器(08)输出的泵浦脉冲光由光环形器(09)的A端口进入光环形器(09)，并由光环形器(09)的B端口输出到传感光纤(13)的一端；

第二路连续光经耦合器(03)分成两路连续光，即探测光和本振光，此时探测光和本振光的频率都为f₀；探测光经移频器(06)进行移频f_m后输出至偏振控制器(10)的输入端，由偏振控制器(10)进行光偏振态控制之后输出到工作在抑制载频模式的第二电光强度调制器(11)，第二电光强度调制器(11)将其调制成上边带探测光和下边带探测光，第二电光强度调制器(11)输出的上边带探测光和下边带探测光都注入传感光纤(13)的另一端；

光环形器(09)的B端口输出的泵浦脉冲光与第二电光强度调制器(11)注入的上边带探测光和下边带探测光在传感光纤(13)相遇时，产生受激布里渊散射相互作用；传感光纤(13)输出的经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光与耦合器(03)输出的本振光，经3dB耦合器(14)耦合后，再由平衡光电探测器(15)进行相干探测；平衡光电探测器(15)输出的中频电信号由数据采集处理模块(16)进行采集和处理，分别得到经过受激布里渊相互作用后的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤(13)的功率分布及它们的比值，再根据所获得的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤(13)的功率比值与所处传感光纤(13)位置布里渊频移的关系R(t,z,δv_B)可以得到所处位置的布里渊频移变化量δv_B(t,z)，最后根据布里渊频移变化量δv_B(t,z)与应变的线性关系实现动态分布式应变传感；

其中经过受激布里渊相互作用的上边带探测光和下边带探测光沿传感光纤的功率分布与所处传感光纤(13)位置的布里渊频移变化量的关系R(t,z,δv_B)为：

式中，P_上(t,z)为经过受激布里渊相互作用的上边带探测光沿传感光纤(13)的功率分布，P_下(t,z)为经过受激布里渊相互作用的下边带探测光沿传感光纤(13)的功率分布，z为所处传感光纤(13)的位置，G(v)表示归一化的布里渊增益，v⁺为上边带探测光的频率，v^-为下边带探测光的频率；f₀为第一电光强度调制器(04)调制出的泵浦脉冲光的频率，Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽， 为微波信号源(12)输出给第二电光强度调制器(11)的微波信号的调制频率，δv_B(t,z)为所处传感光纤(13)位置的布里渊频移变化量。

2.根据权利要求1所述的动态分布式布里渊光纤传感方法，其特征在于：还进一步包括，通过传统BOTDA的扫频方法预先获得传感光纤(13)未受动态应变时的布里渊频移的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的动态分布式布里渊光纤传感方法，其特征在于：

第二电光强度调制器(11)输出的上边带探测光的频率v⁺为：

$v^{+}=f_0+{\stackrel{\‾}{v}}_B+{\mathrm{\Δv}}_B/2;$

第二电光强度调制器(11)输出的下边带探测光的频率v^-为：

$v^{-}=f_0-{\stackrel{\‾}{v}}_B+{\mathrm{\Δv}}_B/2;$

式中，f₀为第一电光强度调制器(04)调制出的泵浦脉冲光的频率，为微波信号源(12)输出给第二电光强度调制器(11)的微波信号的调制频率，其数值等于传感光纤(13)未受动态应变时的布里渊频移，Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽。

4.实现权利要求1所述方法的动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于：包括窄线宽激光器(01)、保偏耦合器(02)、耦合器(03)、第一电光强度调制器(04)、脉冲信号发生器(05)、移频器(06)、光放大器(07)、扰偏器(08)，光环形器(09)、偏振控制器(10)，第二光电强度调制器(11)，微波信号源(12)、传感光纤(13)、3dB耦合器(14)、平衡光电探测器(15)和数据采集处理模块(16)；上述移频器(06)的移频量f_m＝△v_B/2,其中Δv_B为受激布里渊增益谱的半高全宽；

窄线宽激光器(01)的输出端连接保偏耦合器(02)的输入端，保偏耦合器(02)的两路输出端分别连接第一电光强度调制器(04)的输入端和耦合器(03)的输入端；

脉冲信号发生器(05)直接连接第一电光强度调制器(04)的射频接口，第一电光强度调制器(04)的输出端连接光放大器(07)的输入端；光放大器(07)的输出端连接扰偏器(08)的输入端；扰偏器(08)的输出端与光环形器(09)的A端口相连接；

耦合器(03)的两路输出端分别连接移频器(06)的输入端和3dB耦合器(14)的一个输入端；移频器(06)的输出端连接偏振控制器(10)的输入端，偏振控制器(10)的输出端连接第二光电强度调制器(11)的输入端，微波信号源(12)直接连接第二电光强度调制器(11)的射频接口；第二电光强度调制器(11)的输出端连接传感光纤(13)的一端；传感光纤(13)的另一端连接光环形器(09)的B端口；3dB耦合器(14)的另一个输入端连接光环形器(09)的C端口；

3dB耦合器(14)的输出端经平衡光电探测器(15)与数据采集处理模块(16)相连。

5.根据权利要求4所述的动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于：第一电光强度调制器(04)的输出的泵浦脉冲光宽度为10ns-50ns。

6.根据权利要求4所述的动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于：微波信号源(12)输出的微波电信号的频率等于传感光纤(13)未受动态应变时的布里渊频移。

7.根据权利要求4所述的动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于：所述传感光纤(13)为普通单模光纤。

8.根据权利要求4所述的动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于：所述平衡光电探测器(15)的探测带宽为12GHz。