CN104697557A - 一种基于循环移频的新型botdr相干探测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，包括激光器、第一耦合器、可控循环移频模块、电光调制器、光纤环形器、第二耦合器、传感光纤、平衡探测器、信号调理电路、采集卡、同步装置；所述可控循环移频模块包括第一光开关、声光调制器、光纤放大器、环路光纤、第二光开关。本发明还公开了一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置的方法，本发明在现有BOTDR相干探测传感***基础上，通过引入可控循环移频模块，从而实现了对探测光的频移，降低了PD的带宽要求、降低了***成本、极大地节约了能量并且可以通过控制移频的次数可以实现BOTDR扫频的功能。

Description

一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置和方法。

背景技术

布里渊光时域反射(BOTDR)技术是近年来才发展起来的分布式光纤传感技术。它利用光纤的背向布里渊散射移频对光纤所受应变和温度十分敏感，而且具有较好线性关系的特性，对被测物进行分布式应变和温度的传感检测，具有可测量多个物理参量(如温度、应变、线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，特别是其通过一次测量可获取整个光纤区域内被测量的分布信息，并可将被测点的位置表达成被测量和时间的函数，从而对隐患和故障进行准确识别和定位，还可以通过光纤的合理架设对大型复杂结果进行二维和三维的连续分布式检测，在大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、体育馆、电力通信网络及油气管道等的安全健康检测和故障预警与评估中显示出十分诱人的前景。

目前的BOTDR探测技术主要有两大方式：直接探测方式和相干探测方式。其中直接探测技术是直接把脉冲信号通过环形器输入到传感光纤，然后通过对环形器中散射回来的布里渊散射光直接进行探测。这种方法及装置类似附图2所示，激光器产生连续的激光，通过耦合器1分光，一路作为本振光到耦合器2，另一路经过电光调制器(ElectroopticalModulator，EOM)调制产生脉冲光，射入到传感光纤后反射回布里渊散射光到耦合器2，被平衡探测器探测后经过信号调理电路调理后被采集卡采集，然后进行处理。这种利用多峰布里渊谱之间的相差，这就需要高带宽的光电探测器(Photoelectric Detector，PD)。光纤中自发布里渊散射的光功率非常弱，直接探测比较困难，这就导致直接探测方式测量精度有限。

相干探测是目前比较常用的探测方式，通过把本振光和信号光通过耦合器合在一起送到探测器中进行探测，可以使得最后探测器探测的中频交流分量与本振光功率和信号光功率的乘积的开方成正比，而不在是只与信号光功率成正比；另外采用平衡探测器和50/50耦合器来实现外差探测，可以是探测器输出电流幅度增加一倍，可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的探测灵敏度和共模抑制比，国内涂郭结等人的《Strain variationmeasurement with STFT based BOTDR sensing system》就使用了如附图2所示的***结构。对于布里渊散射信号的探测，散射信号光与本振光之间存在与布里渊频移相同的频率差(对于1550nm光源，普通单模光纤的布里渊频移大约11GHz)，这时还是需要一个很大带宽的PD，从而提升了***成本。目前常用的解决方法是对本振光或者探测光进行移频，一般选用微波源控制电光调制器(EOM)来对探测光进行频率上移或者对本振光进行频率下移，最后使得相干信号的频率在百兆Hz量级，从而降低了对PD带宽的要求，但是高频的微波源价格也比较昂贵且EOM的移频效率受工作点漂移的影响稳定性差。

另外日本Tsuneo Horiguchi等人在《Development of a Distributed Sensing TechniqueUsing Brillouin Scattering》中提出一种如附图3所示的光纤移频BOTDR相干探测结构，这种结构是对探测光进行移频的相干自外差探测方式，激光器发射的连续模式光通过耦合器分成两束，一路作为本振光，一路作为探测光。探测光经过声光调制器1(Acoustic OpticalModulator，AOM)调制成脉冲光，然后通过耦合器把大部分光耦合进入移频回路，在AOM2中使脉冲光频率上移Δf，然后通过掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)放大后再经过耦合器，小部分光直接输出到EDFA放大后进入探测光纤，剩余大部分光再次进入移频回路，进行下一步移频，这个过程重复N次。最后在频率会达到f₀，这时就是达到要求的探测光，进入传感光纤后得到布里渊信号光和本振光一起相干然后对混频后的的信号进行处理，得到光纤沿线的布里渊频移，这种方式在保证高探测灵敏度的同时有利于降低***成本。但是这种方式也有一个缺点，输出的探测光是频率间隔为Δf的光学梳，为了避免两束不同频率光之间的布里渊散射的相互影响，就要求Δf要大于布里渊散射谱宽(约为几百MHz)，这种结构浪费探测光的能量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置和方法，本装置、方法在现有BOTDR相干探测传感***基础上，通过引入可控循环移频模块，从而实现了对探测光的频移，降低了PD的带宽要求、降低了***成本、极大地节约了能量并且可以通过控制移频的次数可以实现BOTDR扫频的功能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，包括激光器、第一耦合器、电光调制器、光纤环形器、第二耦合器、传感光纤、平衡探测器、信号调理电路、采集卡、同步装置；还包括可控循环移频模块，所述可控循环移频模块包括第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、环路光纤和第二光开关；其中，

采集卡，用于输出触发信号至同步装置；

同步装置，用于当接收到触发信号后在预先设定的不同时间段内，分别向第一光开关、第二光开关、声光调制器、电光调制器输入脉冲信号，从而控制第一光开关、第二光开关、声光调制器、电光调制器工作；

激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至第一光开关，第二路为本振光输入至第二耦合器；

第一光开关，用于当接收到同步装置输出的高电平时，将初始探测光由其第一输入端输入，并由其输出端输出至声光调制器；

声光调制器，用于将初始探测光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大后输出至第二光开关；

第二光开关，用于当接收到同步装置输出的低电平时，将放大后的脉冲光由其输入端输入，并由其第一输出端输出至环路光纤；

环路光纤，用于当第一光开关接收到同步装置输出的低电平时，将放大后的脉冲光输入至第一光开关的第二输入端，如此循环在由第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、第二光开关、环路光纤构成的循环通道内，当满足预先设定的循环终止条件时，同步装置输出低电平至第二光开关，第二光开关的第二输出端输出前端探测光至电光调制器；

电光调制器，用于将接收到的前端探测光调制成最终探测光输入至光纤环形器；

光纤环形器，用于将最终探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；

传感光纤，用于当接收到最终探测光时，产生布里渊散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器；

第二耦合器，用于将接收到的布里渊散射光与本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

平衡探测器，用于将相干光转换成电信号后输出至信号调理电路；

信号调理电路，用于对电信号进行调理，输出调理信号至采集卡经处理得到频谱信息。

作为本发明所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置进一步优化方案，所述预先设定的循环终止条件为循环次数。

作为本发明所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置进一步优化方案，所述第一耦合器为90:10耦合器。

作为本发明所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置进一步优化方案，所述第二耦合器为50:50耦合器。

基于一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置的方法，包括以下步骤，

步骤一、预先设定在不同时间段内分别向第一光开关输入第一切换脉冲、第二光开关输入第二切换脉冲、声光调制器输入第一调制脉冲、电光调制器输入第二调制脉冲；

步骤二、采用激光器输出连续的窄线宽激光，该窄线宽激光经第一耦合器分成两路：第一路作为初始探测光输入至第一光开关，第二路为本振光输入至第二耦合器；

步骤三、当第一切换脉冲为高电平时，第一光开关的第一输入端在时间段t₁导通，产生脉冲宽度为t₁的激光脉冲输入至声光调制器；在时间段t₁后，第一光开关的第二输入端导通；

步骤四、控制第一调制脉冲的脉冲宽度t₂，声光调制器输出频率上移Δf的脉冲光至掺铒光纤放大器，放大后的脉冲光输入至第二光开关；其中，t₂>t₁；

步骤五、当第二切换脉冲为低电平，放大后的脉冲光由第二光开关的第一输出端输出，经环路光纤后又输入至第一光开关的第二输入端，如此循环在由第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、第二光开关、环路光纤构成的循环通道内；当满足预先设定的循环终止条件时，第二切换脉冲为低电平，则第二光开关的第二输出端输出前端探测光至电光调制器，经调制成脉冲宽度t₀的最终探测光由光纤环形器的第1端口输入至光纤环形器，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤；其中，t₂>t₁>t₀；

步骤六、当传感光纤接收到最终探测光，产生布里渊散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出并与本振光经混频后输出相干光，该相干光转换成电信号后经调理、处理得到频谱信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明采用可控循环移频模块来对探测光进行移频进行相干探测，可以降低对PD的带宽要求，可以省去EOM的高频调制微波源，降低***成本，同时采集卡脉冲对***装置的精确控制可以提高能量的利用率；

(2)通过改变可控循环移频模块移频的次数N，可以改变最后输入到传感光纤内的脉冲光中心频率，从而以f₀为中心遍历整个布里渊散射谱(谱宽约为几百MHz)，其频率间距为Δf(Δf范围在5-10MHz)，便实现了BOTDR扫频的功能。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是BOTDR相干探测***结构图。

图3是光纤移频BOTDR相干探测***结构图。

图4是BOTDR扫频的频率示意图。

图5是同步装置产生的四路控制脉冲同步关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，包括激光器、第一耦合器、可控循环移频模块、电光调制器、光纤环形器、第二耦合器、传感光纤、平衡探测器、信号调理电路、采集卡、同步装置；所述可控循环移频模块包括第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、环路光纤、第二光开关；其中，

采集卡，用于输出触发信号至同步装置；

同步装置，用于当接收到触发信号后在预先设定的不同时间段内，分别向第一光开关、第二光开关、声光调制器、电光调制器输入脉冲信号，从而控制第一光开关、第二光开关、声光调制器、电光调制器工作；

激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至第一光开关，第二路为本振光输入至第二耦合器；

第一光开关，用于当接收到同步装置输出的高电平时，初始探测光由第一光开关的第一输入端输入，并由第一光开关的输出端输出至声光调制器；

声光调制器，用于将初始探测光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大后输出至第二光开关；

第二光开关，用于当接收到同步装置输出的低电平时，放大后的脉冲光由第二光开关的输入端输入，并由第二光开关的第一输出端输出至环路光纤；

环路光纤，用于当第一光开关接收到同步装置输出的低电平时，将放大后的脉冲光输入至第一光开关的第二输入端，如此循环在由第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、第二光开关、环路光纤构成的循环通道内，当满足预先设定的循环终止条件时，同步装置输出低电平至第二光开关，第二光开关的第二输出端输出前端探测光至电光调制器；

电光调制器，用于将接收到的前端探测光调制成最终探测光输入至光纤环形器；

光纤环形器，用于将最终探测光由光纤环形器的第1端口输入至光纤环形器，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤；

传感光纤，用于当接收到最终探测光时，产生布里渊散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器；

第二耦合器，用于将接收到的布里渊散射光与本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

平衡探测器，用于将相干光转换成电信号后输出至信号调理电路；

信号调理电路，用于对电信号进行调理，输出调理信号至采集卡经处理得到频谱信息。

所述预先设定的循环终止条件为循环次数。

所述第一耦合器为90:10耦合器。

所述第二耦合器为50:50耦合器。

本发明激光器的型号为安捷伦N7714，该激光器波长为1550nm，线宽为100kHz，输出光功率为16dBm；第一光开关、第二光开关的开关速率为100kHz；声光调制器的型号为Gooch&Housego，可以实现200MHz的频率上移；掺铒光纤放大器(EDFA)型号为Amonics，最高放大增益为23dBm；EOM型号为Photline 20GHz强度调制器，输出消光比为40dB；平衡探测器带宽1GHz，放大倍数40dB。

具体实验条件：传感光纤的长度为25km，常温下普通单模光纤的布里渊频移为10.85Ghz；进入传感光纤的脉冲宽度为50ns；由于本次实验AOM单次移频为200MHz，所以要实现11GHz左右的频移，需要55次；移频回路中的光纤长度为500m，加上环路上两个光开关、AOM和EDFA上的延时为120ns(每个光器件的光纤跳线长度为2m，在忽略器件内部结构的延迟)，则整个光纤回路将产生约5.12us的延迟，则在完成整个循环过程时间为281.6us，相当于在一个28.16km长的光纤中传播的时间。

结合实验参数的具体步骤如下：

步骤一：激光器产生CW模式激光通过90/10耦合器，10％的激光作为相干探测的本振光，初始频率为f_z，这时采集卡中第一切换脉冲控制的光开关1使得A1和K1路导通，使90％那路激光进入循环回路，在时间t₁＝1us后B1和K1导通，阻断连续光进入的光路，产生脉冲宽度为t₁＝1us的激光脉冲。

步骤二：这时t₁＝1us脉冲光到达AOM，通过控制第一调制脉冲的脉冲宽度t₂＝2us(其中t₂>t₁)控制AOM的工作时间覆盖光脉冲通过的时间，得到了频率上移Δf的脉冲光，然后通过EDFA放大来弥补脉冲在整个循环回路中经过第一光开关、AOM、环路光纤带来的损耗，然后经过第二光开关，这时第二光开关在第二切换脉冲的控制下打开K2和B2通路，使得经过放大的脉冲光经过环路光纤重新通过第一光开关进入循环回路，其中每次循环所需时间为Δt＝5.12us。

步骤三：脉冲光一共在环路中循环了N＝55次，把光频率上移f₀＝11GHZ，所需时间为t_B＝281.6us。然后通过第二切换脉冲控制使得K2和A2通路，频移光从循环回路中射出到EOM，在第二调制脉冲的控制下把脉冲光调制成宽度为t₀＝50ns的脉冲光(t₂>t₁>t₀)，射入环形器中后进入传感光纤，同时由于t₁>t₀，可以避开脉冲光边沿处移频不彻底的部分，保证EOM输出的探测脉冲光中心频率的一致性。

步骤四：由于布里渊散射的实际频移为f_B＝10.85GHZ，因此由频率上移f₀散射回来的斯托克斯光频率为f_z+150MHZ，该信号与频率为f_z的本振光相干后，平衡探测器将获得150MHz的中频信号，该信号经过放大后，以2GHz的采样率采集，在数字域对信号进行处理，得到光纤沿路的布里渊频移，在经过相关的理论计算处理从而实现了对传感光纤内温度/应变的传感。

每次改变循环次数N的不同，使得最后产生的脉冲频率在f₀附近一定范围内随着频率间距Δf遍历(Δf范围在5-10MHz)，从而实现了扫频的功能，遍历过程如附图4所示。

如图5所示是同步装置产生的四路控制脉冲同步关系图，图中分别是第一切换脉冲、第一调制脉冲、第二切换脉冲、第二调制脉冲的关系图。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，包括激光器、第一耦合器、电光调制器、光纤环形器、第二耦合器、传感光纤、平衡探测器、信号调理电路、采集卡、同步装置；其特征在于，还包括可控循环移频模块，所述可控循环移频模块包括第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、环路光纤和第二光开关；其中，

采集卡，用于输出触发信号至同步装置；

同步装置，用于当接收到触发信号后在预先设定的不同时间段内，分别向第一光开关、第二光开关、声光调制器、电光调制器输入脉冲信号，从而控制第一光开关、第二光开关、声光调制器、电光调制器工作；

激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至第一光开关，第二路为本振光输入至第二耦合器；

第一光开关，用于当接收到同步装置输出的高电平时，将初始探测光由其第一输入端输入，并由其输出端输出至声光调制器；

声光调制器，用于将初始探测光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大后输出至第二光开关；

第二光开关，用于当接收到同步装置输出的低电平时，将放大后的脉冲光由其输入端输入，并由其第一输出端输出至环路光纤；

环路光纤，用于当第一光开关接收到同步装置输出的低电平时，将放大后的脉冲光输入至第一光开关的第二输入端，如此循环在由第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、第二光开关、环路光纤构成的循环通道内，当满足预先设定的循环终止条件时，同步装置输出低电平至第二光开关，第二光开关的第二输出端输出前端探测光至电光调制器；

电光调制器，用于将接收到的前端探测光调制成最终探测光输入至光纤环形器；

光纤环形器，用于将最终探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；

传感光纤，用于当接收到最终探测光时，产生布里渊散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器；

第二耦合器，用于将接收到的布里渊散射光与本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

平衡探测器，用于将相干光转换成电信号后输出至信号调理电路；

信号调理电路，用于对电信号进行调理，输出调理信号至采集卡经处理得到频谱信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，其特征在于，所述预先设定的循环终止条件为循环次数。

3.根据权利要求1所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，其特征在于，所述第一耦合器为90:10耦合器。

4.根据权利要求1所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置，其特征在于，所述第二耦合器为50:50耦合器。

5.基于权利要求1所述的一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一、预先设定在不同时间段内分别向第一光开关输入第一切换脉冲、第二光开关输入第二切换脉冲、声光调制器输入第一调制脉冲、电光调制器输入第二调制脉冲；

步骤二、采用激光器输出连续的窄线宽激光，该窄线宽激光经第一耦合器分成两路：第一路作为初始探测光输入至第一光开关，第二路为本振光输入至第二耦合器；

步骤三、当第一切换脉冲为高电平时，第一光开关的第一输入端在时间段t₁导通，产生脉冲宽度为t₁的激光脉冲输入至声光调制器；在时间段t₁后，第一光开关的第二输入端导通；

步骤四、控制第一调制脉冲的脉冲宽度t₂，声光调制器输出频率上移Δf的脉冲光至掺铒光纤放大器，放大后的脉冲光输入至第二光开关；其中，t₂>t₁；

步骤五、当第二切换脉冲为低电平，放大后的脉冲光由第二光开关的第一输出端输出，经环路光纤后又输入至第一光开关的第二输入端，如此循环在由第一光开关、声光调制器、掺铒光纤放大器、第二光开关、环路光纤构成的循环通道内；当满足预先设定的循环终止条件时，第二切换脉冲为低电平，则第二光开关的第二输出端输出前端探测光至电光调制器，经调制成脉冲宽度t₀的最终探测光由光纤环形器的第1端口输入至光纤环形器，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤；其中，t₂>t₁>t₀；

步骤六、当传感光纤接收到最终探测光，产生布里渊散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出并与本振光经混频后输出相干光，该相干光转换成电信号后经调理、处理得到频谱信息。