发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种光纤布里渊分布式测量光路、装置和方法,以解决现有光纤测量精度不高的技术缺陷。
为此,本发明实施方式提供了一种光纤布里渊分布式测量光路,包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一环形器、第一光通道、第二光通道、传感光纤、第三光通道和第四光通道,
所述第一耦合器的两个输出端口分别与所述第一光通道的输入端和第二光通道的输入端连接,所述第一光通道的输出端与第二耦合器的输入端口连接,所述第二耦合器的一个输出端口经第一偏振控制器与所述第三耦合器的一个输入端口连接,另一输出端口经所述第三光通道与所述传感光纤的一端连接;
所述第二光通道的输出端与所述第一环形器的第一端口连接,所述第一环形器的第二端口与所述传感光纤的另外一端连接,所述第一环形器的第三端口与光栅连接,所述第一环形器的第四端口与第四光通道的输入端连接;所述第四光通道的输出端与所述第三耦合器的一输入端口连接。
作为一种优选的技术方案,所述第一光通道从输入端至输出端依次包括第二偏振控制器、相位型电光调制器。
作为一种优选的技术方案,所述第二光通道从输入端至输出端依次包括第三偏振控制器、强度型电光调制器、掺铒光纤放大器、第二环形器、光隔离器,所述第二环形器的第一端口与所述掺铒光纤放大器的输出端连接,第二端口与光栅连接,第三端口与所述光隔离器的输入端口连接。
作为一种优选的技术方案,所述第三光通道从输入端至输出端依次包括光滤波器、光隔离器和扰偏器。
作为一种优选的技术方案,所述第四光通道从输入端至输出端依次包括掺铒光纤放大器、第三环形器、双通马赫曾德尔干涉仪,所述第三环形器的第一端口与所述掺铒光纤放大器的输出端连接,第二端口与光栅连接,第三端口与所述双通马赫曾德尔干涉仪的输入端口连接。
本发明实施方式还提供了一种光纤布里渊分布式测量装置,包括激光器、光电检测器和数据采集处理模块,还包括上述的光纤布里渊分布式测量光路,所述激光器与所述第一耦合器的输入端口连接,所述光电检测器与所述数据采集与处理模块连接,所述第三耦合器的一输出端口与所述光电检测器连接。
本发明实施例又提供了一种光纤布里渊分布式测量方法,包括:
将激光器发出的激光分成两路光信号,其中一路光信号调制成脉冲光,另外一路光信号调制成具有布里渊频移频率的连续光;
将所述连续光分成第一脉冲连续光信号和第二连续光信号;
将所述第一连续光信号和所述脉冲光在传感光纤中产生受激布里渊散射,产生布里渊散射光;
将所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉,经数据分析处理后得到测量结果。
作为一种优选的技术方案,所述第一脉冲光强度占所述连续光光强度的95%。
作为一种优选的技术方案,所述“将所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉,经数据分析处理后得到测量结果”的步骤包括:
根据所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉结果,获取布里渊频移;
根据下式计算温度:
νB(T,0)=vB(T0,0)[1+1.18*10-4ΔT]
其中:νB(T,0)表示应变ε为0且保持不变时,布里渊散射光频移随温度变化的关系式;T0为参考温度,一般取20℃;vB(T0,0)表示温度为20℃,应变ε为0时布里渊散射光的频移量;ΔT=T-T0为相对于参考温度的温度变化量。
作为一种优选的技术方案,所述“将所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉,经数据分析处理后得到测量结果”的步骤包括:
根据所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉结果,获取布里渊频移;
根据下式计算应变:
νB(T0,ε)=vB(T0,0)(1+4.48ε)
其中:νB(T0,ε)表示温度为参考温度(T0=20℃)时,布里渊频移随应力ε变化的关系式;vB(T0,0)表示温度为参考温度(T0=20℃)、应力ε为0时的布里渊频移量。
与现有技术相比,本发明实施方式具有如下有益效果:
1.该测量光路、装置和方法采用单光源输入,利用双端输入激光来激发布里渊散射,这样使得测量***得到简化并且测量精度更高;
2.利用双通马赫曾德尔干涉仪来实现受激布里渊散射和瑞利散射的分离,使得分离效果更好,提高了测量精度;
3.传感光纤的一端输入脉冲光、另一端输入连续光来激发布里渊散射,这样加强了反斯托克斯成分,如果反斯托克斯光的强度足够强,那么相对而言斯托克斯光的强度则较弱,可以被忽略,这样既解决了输入光脉冲光度和空间分辨率的矛盾,又可以避免使用高精度的滤光器;
4.本发明实施方式不再需要额外参考光的外差干涉方法来检测布里渊频移,参考光经过电光调制器进行调制产生约11GHZ的连续信号,与经过滤波处理过的探测光在光电传感器进行外差干涉,进一步简化了***。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的实施方式做进一步说明。
参见图1,图1是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量光路的结构示意图。图1示出的光纤布里渊分布式测量光路100包括第一耦合器111、第二耦合器112、第三耦合器114、第一环形器115、第一光通道120、第二光通道130、传感光纤117、第三光通道140和第四光通道150。
其中,第一耦合器111的两个输出端口分别与第一光通道120的输入端和第二光通道130的输入端连接,第一光通道120的输出端与第二耦合器112的输入端口连接。第二耦合器112的一个输出端口经第一偏振控制器113与第三耦合器114的一个输入端口连接,另一输出端口经第三光通道140与传感光纤117的一端连接。
第二光通道130的输出端与第一环形器115的第一端口连接,第一环形器115的第二端口与传感光纤117的另外一端连接,第一环形器115的第三端口与光栅连接,第一环形器115的第四端口与第四光通道150的输入端连接。第四光通道150的输出端与第三耦合器114的一输入端口连接。
请参阅图1,第一光通道120从输入端至输出端依次包括第二偏振控制器121、相位型光电调制器122。第二光通道130从输入端至输出端依次包括第三偏振控制器131、强度型电光调制器132、掺铒光纤放大器133、第二环形器134、光隔离器135,第二环形器134的第一端口与掺铒光纤放大器133的输出端连接,第二端口与光栅116连接,第三端口与光隔离器135的输入端口连接。第三光通道140从输入端至输出端依次包括光滤波器141、光隔离器142和扰偏器143。第四光通道150从输入端至输出端依次包括掺铒光纤放大器151、第三环形器152、双通马赫曾德尔干涉仪153,第三环形器152的第一端口与掺铒光纤放大器151的输出端连接,第二端口与光栅116连接,第三端口与双通马赫曾德尔干涉仪153的输入端口连接。
参见图2,图2是图1示出实施方式中双通马赫曾德尔干涉仪153的结构图。在图2示出的实施方式中,双通马赫曾德尔干涉仪153具有两个3dB耦合器1531和1533,一个圆筒形压电陶瓷(PZT)1532和一个光隔离器1535。为了实现干涉自由程的调节,将双通马赫曾德尔干涉仪153的一个臂的光纤绕在圆筒形PZT(压电陶瓷1532)上,通过直流电压控制器1536调节加在PZT两电极上的直流电压来实现干涉仪光程差的控制,从而实现受激布里渊散射和瑞利散射的分离。
双通马赫曾德尔干涉仪153的传输函数为:
F(v)=Iout/Iin=[1+cos(2πv/FSR)]2/4
在常温下,当光波波长为1550nm时,光纤布里渊频移为10.85GHz,由上式可知,当FSR=2vB=21.7GHz时,可以实现布里渊散射光和瑞利散射光的分离。
在图1和图2示出的实施方式中,激光器发出的连续光经第一耦合器111平均分为两束,其中一束进入第一光通道120,另外一束进入第二光通道130。进入第一光通道120的激光经过第二偏振控制器121后进入相位型电光调制器122后,被调制产生接近布里渊频移频率(约11GHz)的连续光。该连续光经过第二耦合器112后,被分为两束激光。其中5%强度的激光光束由第一偏振控制器113进入第三耦合器114;而95%的激光束则进入第三光通道140。进入第三光通道140的激光束依次由光滤波器141、光隔离器142和扰偏器143后进入传感光纤117。
另外一方面,从第一耦合器111出来的另一束50%的激光束(即进入第二光通道130的激光束)经第三偏振控制器131后进入相位型电光调制器132,被调制为脉冲光。该脉冲光通过掺铒光纤放大器133放大后经第二环形器134后,经光隔离器135进入第一环形器115的第一端口,然后从第一环形器115的第二端口出来进入传感光纤117的另一端。这样,从第三光通道140和第二光通道130出来的两束光在传感光纤117中产生受激布里渊散射,产生的后向布里渊散射沿连续光的反方向进入第一环形器115的第二端口,经光栅116滤波后由掺铒光纤放大器151放大后,再次经过光栅116滤波后进入双通马赫曾德尔干涉仪153。
双通马赫曾德尔干涉仪153将后向散射中的瑞利散射光和布里渊散射光分离,从而得到噪声较小的布里渊散射光,该布里渊散射光与经第一偏振器113进入第三耦合器114中输入的连续光(即参考光)发生干涉。
参见图3,图3是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量装置的结构示意图。图3示出的光纤布里渊分布式测量装置包括激光器200、光电检测器300和数据采集处理模块400,以及上述实施方式涉及的光纤布里渊分布式测量光路100,激光器与第一耦合器111的输入端口连接,光电检测器300与数据采集与处理模块400连接,第三耦合器114的一输出端口与光电检测器300连接。
在图3示出的实施方式中,激光器200可以是窄线宽激光器。激光器200发出的激光进入图1示出的光纤布里渊分布式测量光路100的第一耦合器111,在图1示出的光纤布里渊分布式测量光路100中干涉后,经第三耦合器114照射在光电检测器300上转变为电信号。干涉信号经数据采集与处理模块400中的电路进行采集与处理。在一些优选的实施方式中,采集的信号在调解后,被NI数据采集卡采集进计算机,由计算机的LabVIEW程序调用。
参见图4,图4是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量方法的流程图。图4示出的光纤布里渊分布式测量方法包括步骤S401-S404。
在步骤S401中,将激光器发出的激光分成两路光信号,其中一路光信号调制成脉冲光,另外一路光信号调制成具有布里渊频移频率的连续光。
在步骤S402中,将连续光分成第一连续光信号和第二连续光信号。在一些优选的实施方式中,第一连续光强度占连续光强度的95%。
在步骤S403中,将第一连续光信号和脉冲光在传感光纤117中产生受激布里渊散射,产生布里渊散射光。
在步骤S404中,将布里渊散射光与第二连续光信号进行干涉,经数据分析处理后得到测量结果。
参见图5,图5是是没有施加温度和应变时的布里渊后向散射强度-频移量-距离和温度变化关系图。在一些实施方式中,可以根据布里渊频移与传感光纤117温度变化的关系,计算温度。例如,根据布里渊散射光与第二连续光信号进行干涉结果,获取布里渊频移;
然后,根据下式计算温度:
νB(T,0)=vB(T0,0)[1+1.18*10-4ΔT]
其中:νB(T,0)表示应变ε为0且保持不变时,布里渊散射光频移随温度变化的关系式;T0为参考温度,一般取20℃;vB(T0,0)表示温度为20℃,应变ε为0时布里渊散射光的频移量;ΔT=T-T0为相对于参考温度的温度变化量。
根据布里渊频移计算传感光纤117温度变化的具体实现过程如下:
第一步:由于温度的改变会引发传感光纤117中的热膨胀效应,从而影响光纤密度。传感光纤117的热光效应会引起光纤折射率变化,传感光纤117的自由能随温度变化也会引起传感光纤117的杨氏模量和泊松比等物性参数的变化。计算温度影响时首先假设传感光纤117不受应变,即ε=0,利用微元法当温度变化较小时,根据式
用泰勒级数展开并代入微元的数值进行计算。这里不再对详细推导作进一步的讨论,令ε=0,最终得到布里渊频移对温度的变化关系为:
νB(T,0)=vB(T,0)[1+(Δnr+Δρr+ΔEr+Δkr)ΔT] (2)
式中,T0为参考温度,一般指T0=20℃,温度变化量是ΔT。nT是折射率温度系数。ρT是光纤密度温度系数,ET和kT分别是杨氏模量温度系数和泊松比温度系数。普通单模石英光纤与温度相关的各个参数取值为:
将式(2)代到式(3),在通过推倒计算,最终得出布里渊频移与温度变化的关系式:
νB(T,0)=vB(T,0)[1+1.18*10-4ΔT] (4)
当T=20℃,应变为0,入射光波长为1550nm时,普通单模光纤的布里渊频移约为10.85GHz,由式(4)可知温度与布里渊频移成线性关系,温度每变化1℃,布里渊频移变化约为1.2803MHz。
第二步:频差检测。频差检测是指通过对入射***的探测光和泵浦光进行调频,使两光源的频差稳定地处于受激布里渊散射放大区域,从而可以直接通过功率检测得到受激布里渊散射增益谱从而检测布里渊频移。原理如下:
设单端入射激光的强度为:
微波调制信号的电场强度为:
Em=Amcos(2πfmt) (6)
经过调制后,总场强可以表示为:
将上式变形得到:
其中fm为频移,m为调幅系数。入射激光经过调频后其光场强度的分布为中心场强两侧还对称分布着两个边带载波。通过调节电光调制器的调制频率,使其落在受激布里渊散射增益放大区域,光在传输过程中,最右侧边带f+fm放大中心光f,将能量都转移到中心光处,与此同时,中心光还将放大最左侧边带f+fm,这样使边带载波的光场强度实现逐步转移,最终全部移至最左侧的边带上。最后,我们只需测量出不同的调制频率所对应输出功率的最大值,就能实现受激布里渊散射增益谱的检测,并得到此时相对应的布里渊频移。
第三步:采用递推式累加平均的方法对信号进行初步处理。
一般情况下一维信号模型为:
f(t)=s(t)+n(t) (9)
式中s(t)是有效信号,n(t)是均值为0、方差为σ2的高斯白噪声,原幅度信噪比为
对于线性累加平均来讲,经过m次取样以后,第i点的值为:
由于这是一种批量算法,采集完m组数据后再由计算机计算其平均值,所以具有计算量大、占用***资源多等缺点。为此,我们采用递推式累加平均算法,改变其累加方式以克服线性累加平均的缺点。
令表示时刻m-1前的m-1个数据平均结果,表示时刻m的平均结果,fm表示时刻m的取值,由上式得:
这样,每当数据到来,即可用新的数据对上次的平均结果进行更新,从而得到新的平均结果。
由式(11)可以得到:
由此可见,随着m的增大,上式第二项会越来越小,即新数据的作用会越来越小。当m达到一定程度后,该项趋于零。之后的平均结果将稳定不变。
第四步:对信号进行小波变换。
由于布里渊信号会因为光纤受到温度、应变和其他噪声的影响而使包络不是一个理想的平滑曲线,信号包络有一些小突起。因此,寻求一种既能对噪声有所抑制,又能检测到这些突起的信号的信号处理方法是十分重要的,基于以上分析,在信号处理领域中常用的小波变换基本符合要求,在本申请中可以用该方法来解决微弱信号提取最终环节的方法。
小波变换的原理为:
假定给定一个基本函数令
式中a和b均为常数,如果a和b的取值不断变化,则可以得到一族函数设平方可积的信号为x(t),则x(t)的小波变换为:
其中b是时移,a是尺度因子,由式中可知信号x(t)的小波变换Wx(a,b)是a和b的函数。成为小波基,母小波既可以是实数,又可以是复函数。
从式可知,尺度因子a的作用是对进行伸缩,而b是用来确定对x(t)分析的时间位置,,代表了时间中心。因此,由变为可以有下面的解释:当a>1时,a越大,则的时域宽度较之变得越大。反之,当a<1时,若a越小,则的宽度变得越窄。这样a和b结合起来就可以确定对x(t)分析的中心位置和时间宽度。
令x(t)经过fourier变换为X(Ω),的fourier变换为Ψ(Ω),则由fourier变换的性质可知,小波变换的频域表达式为:
由前面的实现过程可知,当a变小时,对x(t)的时域处理范围变窄,但是对X(Ω)在频率可处理的范围变宽,而且其中心频率向高频处移动。反之,当a变大时,对x(t)的时域处理范围变宽,频域可处理的范围变窄,而且其中心频率向低频处移动。
图6示出了传感光纤117的3000m距离处改变一温度时的受激布里渊后向散射强度-频移量-距离和温度的关系。
在另外一些实施方式中,根据布里渊散射光与第二连续光信号进行干涉结果,获取布里渊频移;
根据下式计算应变:
νB(T0,ε)=vB(T0,0)(1+4.48ε)
其中:νB(T0,ε)表示温度为参考温度(T0=20℃)时,布里渊频移随应力ε变化的关系式;vB(T0,0)表示温度为参考温度(T0=20℃)、应力ε为0时的布里渊频移量。
参见图7,图7是在传感光纤的3000m距离处施加一微应力时的受激布里渊后向散射强度-频移量-距离和温度的关系图。根据布里渊频移计算传感光纤117应变变化的具体实现过程如下:
令温度为一定值的条件下,对应变会引起布里渊频率漂移进行理论分析,在光传输过程中会发生弹光效应,进而导致了应变对光纤折射率的影响,也引起光纤杨氏模量和泊松比的变化。根据推倒可得到:
对于小应变,在ε=0对式(16)进行泰勒级数展开,精确到ε的一次项,可以推导出应变与布里渊频移之间的关系:
νB(T,0)=vB(T,0)[1+(Δnε+Δρε+ΔEε+Δkε)ε] (17)
因此,应变与布里渊频移的关系式为:
νB(T0,ε)=vB(T0,0)(1+4.48ε) (19)
ΔνB(T0,ε)-vB(T0,0)=4.48vB(T0,0)ε (20)
在常温下,普通单模光纤在无应变的情况下布里渊频移为10.85GHz,所以每个微应变所导致的布里渊频移变化ΔvB约为0.0486MHz。其中,频差检测与信号处理与计算温度变化的实施例相似。
应该理解,本发明并不局限于上述实施方式,凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围,倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内,则本发明也意味着包含这些改动和变型。