CN105784190B - 一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，光产生单元产生的连续光通过第一调制放大单元得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，然后通过第二调制放大单元产生相位调制信号，该调制信号通过滤波器滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光经过延时光纤后和反斯托克斯光通过3dB耦合器合成一路光信号后经过起偏器进行偏振光的提取，提取的偏振光通过第三调制放大单元得到泵浦脉冲光，然后注入传感光纤的始端；另一边路的探测光经扰偏器通过一隔离器后从传感光纤尾端打入，在光纤内与泵浦脉冲光发生受激布里渊作用后经过环形器，由光电探测器转化为电信号。本发明能够在高空间分辨率的前提下实现更高的温度分辨率和更长的传感距离。

Description

一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器

技术领域

本发明涉及温度或应力传感器技术领域，尤其涉及一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器。

背景技术

基于受激布里渊效应的分布式光纤温度、应力传感***以光波为传感信号，以光纤为传输介质，感知和探测外界被测温度或应力信号，它不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以同时获取温度或应力随时间和空间的连续分布信息。由于光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别是能够适合在易燃、易爆及强电磁干扰等恶劣环境下使用，使得它在未来智能电网，油田管线安全监控，通信线路入侵预警等重要领域具有广泛的应用需求。

目前，基于受激布里渊效应的传感***主要包括：布里渊光时域反射计(BOTDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)、布里渊光频域分析(BOFDA)。其中，BOTDA以其测量精度高，和较短响应时间而得到广泛的关注和研究。其基本原理可概括为：有固定频率差的泵浦脉冲光和反向传输的连续探测光在光纤相遇的地方通过电致伸缩效应引起光纤折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生受激声波场，在该声波场的作用下，泵浦光和探测光之间发生能量的转移，形成受激布里渊散射。通过不断地扫频得到连续光在不同频率差下的洛仑兹型增益谱，该增益谱在布里渊频移处取得极大值，实验发现布里渊频移与温度或应力具有极强的线性相关性。因此，只要检测到光纤中布里渊频移的变化就可以得到温度或应力在光纤上的分布。实现该***需要解决的主要技术指标包括：空间分辨率、温度分辨率、测量时间、测量距离。

为了有效地提升上述四项指标，近年来基于传统的BOTDA***的各种改进方案应运而生。主要包括：预泵浦法，该方法在泵浦脉冲进入传感光纤之前，预先注入功率较低的一段长脉冲，这样会使得在泵浦脉冲到来之前，预脉冲就已与探测光作用产生稳态的声子。该方法有效地突破了声子弛豫时间对空间分辨率的限制，提高了空间分辨率；暗脉冲法，与明脉冲相反，在没有脉冲的时候泵浦有较强的功率，而在有脉冲的时候泵浦却有极低的功率。这样在暗脉冲到来前，声子会充斥整段传感光纤，探测光得到整段光纤的布里渊增益总和，一旦暗脉冲到来，探测光就会缺失暗脉冲部分对应的布里渊增益，从而实现较高的空间分辨率；π脉冲法，该方法同暗脉冲法类似，只是将暗脉冲部分替换为同其他部分功率相同的π相位脉冲。同样，当π脉冲到来时，探测光缺失的不仅仅是暗脉冲部分对应的布里渊增益，而且还有由于π脉冲反射叠加到探测光上带来的增益，其信噪比有显剧的提升，大约是暗脉冲的2倍；差分脉冲对法，即用有微小脉冲宽度差的两对脉冲对传统的BOTDA方案测量2次，2次测量信号的差即为该微小差分脉冲所对应的布里渊增益。该方案在理论上可以得到极致的空间分辨率，并且避免了由于短脉冲导致的布里渊增益谱展宽问题以及声子弛豫的限制。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

传统的BOTDA***，由于受到声子弛豫的限制，脉冲宽度不可能小于声子弛豫时间，否则会导致声子达不到稳态，造成信噪比下降，布里渊增益谱展宽，频率分辨率降低，这样极大地限制了空间分辨率的进一步提高。预泵浦法通过事先预泵浦一段脉冲在一定程度上解决了声子弛豫的限制，但是传感距离受限，长距离的传感会导致脉冲底座的布里渊增益大于脉冲本身带来的增益。暗脉冲法由于在暗脉冲部分泵浦脉冲和探测光之间几乎没有激发出声子，导致在暗脉冲过后的一段时间内，由于声子的不足而产生了布里渊增益的损失，即“secondary echo”，进而会使得计算布里渊频移的误差增大。而脉冲法尽管其信噪比比暗脉冲高一倍，但仍然会受到和暗脉冲同样的缺陷，影响***的实用性。至于差分脉冲对法，确实可以获得高的空间分辨率和频率分辨率，以及长距离传感，但由于需要测量2次，耗时长，其响应时间是传统BOTDA的2倍。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，同时实现高空间分辨率和长测量距离传感，实现更高的频率分辨率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，包括：

用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、滤波器、延时光纤、3dB耦合器、起偏器、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器以及光电探测器；

所述光产生单元产生的泵浦光通过所述第一调制放大单元进行双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，然后通过第二调制放大单元进行相位调制，得到相位调制信号，所述相位调制信号通过所述滤波器滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，所述斯托克斯光经过所述延时光纤后和所述反斯托克斯光通过所述3dB耦合器合成一路光信号后经过所述起偏器进行偏振光的提取，提取出的偏振光通过所述第三调制放大单元进行预设强度的调制并放大得到泵浦脉冲光，将所述泵浦脉冲光注入所述传感光纤的第一端；

所述光产生单元产生的探测光经过所述扰偏器后通过所述隔离器注入所述传感光纤的另一端，在所述传感光纤内与所述泵浦脉冲光发生受激布里渊作用后通过所述环形器传输到所述光电探测器，由所述光电探测器转化为电信号。

优选地，所述基于受激布里渊效应的差分式温度传感器还包括示波器，与所述光电探测器的输出端连接，用于对所述光电探测器形成的电信号进行输出显示。

优选地，所述光产生单元包括顺次连接的激光器和光纤耦合器，所述激光器用于发射波长为1550nm，功率为15.5dBm的激光，所述光纤耦合器用于将所述激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。

优选地，所述光纤耦合器的分光比为10:90。

优选地，所述第一调制放大单元包括顺次连接的第一电光调制器和第一光纤放大器；

所述第一电光调制器用于将泵浦光调制为抑制载波的双边带信号，所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光，所述双边带信号经过所述第一光纤放大器进行信号放大。

优选地，所述第二调制放大单元包括顺次连接的第二电光调制器和第二光纤放大器；

所述第二电光调制器用于对所述第一调制放大单元输出的双边带信号进行相位调制，相位调制后的信号经过所述第二光纤放大器进行信号放大。

优选地，所述第三调制放大单元包括顺次连接的第三电光调制器和第三光纤放大器；

所述第三电光调制器用于对所述起偏器提取的偏振光进行宽度为60ns的强度调制，得到泵浦脉冲光，所述泵浦脉冲光通过第三光纤放大器进行放大。

优选地，所述基于受激布里渊效应的差分式温度传感器还包括若干个偏振控制器，所述若干个偏振控制器用于控制所述斯托克斯光和反斯托克斯光保持相同的峰值功率和偏振态进入所述第三电光调制器。

优选地，所述传感光纤为单模光纤。

(三)有益效果

本发明提供的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，使得传感器只会检测到光纤上温度变化的差分量，就是说哪里有温度的变化探测光就会在哪里经历布里渊增益，而当没有温度变化时，探测光经历的布里渊增益差分保持为0。并且在没有增加测量时间的前提下，本发明能够同时实现高空间分辨率和长测量距离传感，更重要的是它对温度变化及其敏感，能够实现更高的频率分辨率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明提出的一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的结构框图；

图2为本发明提出的一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提出的一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的实验方案图；

图4(a)为本发明实施例中以2KHz的频率间隔扫描得到的三维布里渊增益谱的示意图；

图4(b)为本发明实施例中以2KHz的频率间隔扫描得到的布里渊增益随频率和位置变化的三维图；

图5(a)为本发明实施例中当温度变化区域与温度不变区域内的布里渊频移差为1MHz时仿真得到的三维布里渊增益谱示意图；

图5(b)为现有π脉冲法当温度变化区域与温度不变区域内的布里渊频移差为1MHz时仿真得到的三维布里渊增益谱示意图

图6为本发明实施例中温度变化区域的末端(13.7m处)的三个典型频率处布里渊增益的时域曲线；

图7(a)为本发明实施例与现有π脉冲法针对不同的温度变化区域与温度不变区域内布里渊频移差在13.7m处所对应的布里渊增益谱；

图7(b)为本发明实施例拟合计算得出温度变化区域内的布里渊频移的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提出的一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的结构框图，如图1所示，包括：

用于产生泵浦光和探测光的光产生单元1、第一调制放大单元2、第二调制放大单元3、滤波器4、延时光纤5、3dB耦合器6、起偏器7、第三调制放大单元8、扰偏器9、隔离器10、传感光纤11、环形器12以及光电探测器13；

所述光产生单元1产生的泵浦光通过所述第一调制放大单元2进行双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，然后通过第二调制放大单元3进行相位调制，得到相位调制信号，所述相位调制信号通过所述滤波器4滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，所述斯托克斯光经过所述延时光纤5后和所述反斯托克斯光通过所述3dB耦合器6合成一路光信号后经过所述起偏器7进行偏振光的提取，提取出的偏振光通过所述第三调制放大单元8进行预设强度的调制并放大得到泵浦脉冲光，将所述泵浦脉冲光注入所述传感光纤11的第一端；

所述光产生单元1产生的探测光经过所述扰偏器9后通过所述隔离器10注入所述传感光纤11的另一端，在所述传感光纤11内与所述泵浦脉冲光发生受激布里渊作用后通过所述环形器12传输到所述光电探测器13，由所述光电探测器13转化为电信号。

图2为本发明提出的一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的工作原理示意图；

如图2所示，基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的工作原理具体为：

包含反斯托克斯频率v₀+f_m和斯托克斯频率v₀-f_m的泵浦光从光纤一段注入，他们同时被相位调制后，通过滤波器分成两路，使得其中一边带相对另外一边带延时T，然后调节两边带上的偏振控制器保持他们的峰值功率和偏振态一致经过3dB耦合器将他们合成一路后，再将他们调制成宽度为60ns的脉冲，经过光纤放大器的放大后和反向传输的频率为v₀的探测光在传感光纤中相遇激发布里渊散射。探测光在两脉冲前面的公共部分，接受反斯托克斯脉冲的放大和斯托克斯脉冲的衰减，两个脉冲的公共部分仅仅用于形成稳态的声子，对载波功率的影响正好相互抵消。而在延时T部分，探测光由于遇到π相位的反斯托克斯脉冲，反射等量反斯托克斯脉冲的放大增益，使得探测光同时接受反斯托克斯脉冲和斯托克斯脉冲的衰减，信噪比显剧提升。经过延时部分后，上下两边带均主要表现为π相位声子并逐步趋向稳态，反斯托克斯脉冲和斯托克斯脉冲对载波功率的影响又慢慢正好相互抵消。通过滤波器滤出载波分量，即可得知沿光纤长度分布的温度或者应力信息。

本发明实施例中的传感光纤11为单模光纤。

本发明实施例提出的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，还包括示波器，该示波器与光电探测器的输出端连接，用于对光电探测器形成的电信号进行输出显示。

本发明实施例中，光产生单元1包括顺次连接的激光器和光纤耦合器，所述激光器用于发射波长为1550nm，功率为15.5dBm的激光，所述光纤耦合器用于将所述激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。其中，光纤耦合器的分光比为10:90。

本发明实施例中，第一调制放大单元2包括顺次连接的第一电光调制器和第一光纤放大器；

所述第一电光调制器用于将泵浦光调制为抑制载波的双边带信号，所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光，所述双边带信号经过所述第一光纤放大器进行信号放大。

本发明实施例中，第二调制放大单元3包括顺次连接的第二电光调制器和第二光纤放大器；

所述第二电光调制器用于对所述第一调制放大单元输出的双边带信号进行相位调制，相位调制后的信号经过所述第二光纤放大器进行信号放大。

本发明实施例中，第三调制放大单元8包括顺次连接的第三电光调制器和第三光纤放大器；所述第三电光调制器用于对所述起偏器提取的偏振光进行宽度为60ns的强度调制，得到泵浦脉冲光，所述泵浦脉冲光通过第三光纤放大器进行放大。

本发明实施例提出的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器中还包括若干个偏振控制器，所述若干个偏振控制器用于控制所述斯托克斯光和反斯托克斯光保持相同的峰值功率和偏振态进入所述第三电光调制器。

下面通过具体实施例对本发明提出的技术方案进行详细的说明。

图3为本发明实施例提出的一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器的实验方案图。

本发明实施例如图3所示，一波长为1550nm的窄线宽激光器，发出15.5dBm的激光，被10：90的光纤耦合器分成两路，其中，上路作为泵浦光，下路作为探测光。上路的连续泵浦光先被第一电光调制器(EOM1)调制为抑制载波的双边带信号，即包含斯托克斯和反斯托克斯频率光，经第一光纤放大器(EDFA1)放大后通过第二电光调制器(EOM2)做相位调制，再经过第二光纤放大器(EDFA2)放大后通过可编程滤波器(Wave shaper 4000S)分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，其中斯托克斯光经过一段延时光纤后和反斯托克斯光通过3dB耦合器合成一路后经过一起偏器，分别调节两分支路的偏振控制器PC1-PC5保持两者具有相同的峰值功率和偏振态进入第三电光调制器(EOM3)做宽度为60ns的强度调制，出来的泵浦脉冲光通过第三光纤放大器(EDFA3)的放大后注入传感光纤。另一方面，探测光经扰偏器通过一隔离器从传感光纤尾端打入，在光纤内与泵浦脉冲光发生受激布里渊作用后经过环形器，由光电探测器转化为电信号输出到示波器上。

本发明实施例中的传感光纤为一段长度为21.5m的普通单模光纤，在室温下的布里渊频率为10.873GHz，其中在13.2m到13.7m区间有一段50cm的加热区域，温度比室温高40度左右，其对应的理论布里渊频率为10.909GHz。以2MHz的频率间隔扫描后得到的布里渊增益随位置和频率变化的三维图如图4(a)和图4(b)所示，图4(a)为本发明实施例以2KHz的频率间隔扫描得到的三维布里渊增益谱的示意图；图4(b)为本发明实施例以2KHz的频率间隔扫描得到的布里渊增益随频率和位置变化的三维图；由图4(a)和图4(b)可见，加热区域的温度变化被明显的检测到，而其他非加热区域的布里渊增益为零。为了更进一步地论证本发明的有效性，比较本发明的技术方案和传统π脉冲法的方案在温度变化区域与温度不变区域内的布里渊频移差为1MHz时候的三维布里渊增益谱如图5(a)和图5(b)所示，图5(a)为本发明实施例当温度变化区域与温度不变区域内的布里渊频移差为1MHz时仿真得到的三维布里渊增益谱示意图；图5(b)为现有π脉冲法当温度变化区域与温度不变区域内的布里渊频移差为1MHz时仿真得到的三维布里渊增益谱示意图；比较图4(a)和图5(a)，可见采用本发明提出的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器得到的三维布里渊增益谱切实可信的，也从仿真上论证了本发明的可行性。而图5(a)和图5(b)的比较可以看出，本发明提出的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器只检测到温度变化的差分增益，而自动滤掉了直流部分增益，相比其他传统的方案同时检测温度变化的直流部分增益和差分增益来说，有效地提高了信噪比。并且，从这两幅图中也可以看到在温度变化极小的情况下，如1MHz的频率偏移，传统的π脉冲法已经无法检测到温度的变化的区域了，而本发明却可以很清晰地检测到温度的变化。因此，本发明提出的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器能够有效地检测传感光纤中的微小温度变化。

图6为本发明实施例中温度变化末端(13.7m处)在三个典型频率处布里渊增益的时域曲线，如图6，对于不同的频率偏移，本发明探测得到的布里渊增益的时域曲线呈现出反对称型，相比单峰的洛仑兹型拟合精度更高，布里渊频率计算更准确，并且其峰值增益随频率偏移而明显增加。而传统的π脉冲法，在没有温度变化时就已呈现出信噪比较高的洛仑兹型增益谱，随着频率的偏移，该洛仑兹型增益谱只有微弱的偏移，在存在***噪声的情况下，是很难准确识别出两者在峰值增益处对应的布里渊频率。

图7(a)为本发明实施例与现有π脉冲法针对不同的温度变化区域与温度不变区域内布里渊频移差在13.7m处所对应的布里渊增益谱；；图7(b)为本发明实施例拟合计算得出温度变化区域内的布里渊频移的示意图。如图7所示，图7(a)中不同的温度变化区域与温度不变区域内布里渊频移差在z＝13.7m处所对应的增益谱，其中实线为本发明的结果，虚线为传统π脉冲法的结果；为了体现该实例的空间分辨率，图7(b)通过拟合温度变化区域内各点的布里渊频率以及计算其中心频率值，比较该曲线10％到90％功率的响应时间，可以得出，我们提出的方案中的空间分辨率，确实只取决于两个泵浦脉冲的相位延时差。

本发明提供的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，同时实现了一个理想分布式布里渊温度传感器的主要技术指标，包括：高空间分辨率，高频率分辨率，长距离测量以及正常的测量时间，同时，由于本发明只探测到温度变化的相对量，具有更高的检测效率以及温度分辨率，对于布里渊温度或应力传感器投入实际使用有很大的推动作用。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，包括：

用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、滤波器、延时光纤、3dB耦合器、起偏器、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器以及光电探测器；

所述光产生单元产生的泵浦光通过所述第一调制放大单元进行双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，然后通过第二调制放大单元进行相位调制，得到相位调制信号，所述相位调制信号通过所述滤波器滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，所述斯托克斯光经过所述延时光纤后和所述反斯托克斯光通过所述3dB耦合器合成一路光信号后经过所述起偏器进行偏振光的提取，提取出的偏振光通过所述第三调制放大单元进行预设强度的调制并放大得到泵浦脉冲光，将所述泵浦脉冲光注入所述传感光纤的第一端；

所述光产生单元产生的探测光经过所述扰偏器后通过所述隔离器注入所述传感光纤的另一端，在所述传感光纤内与所述泵浦脉冲光发生受激布里渊作用后通过所述环形器传输到所述光电探测器，由所述光电探测器转化为电信号。

2.根据权利要求1所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，还包括示波器，与所述光电探测器的输出端连接，用于对所述光电探测器形成的电信号进行输出显示。

3.根据权利要求1或2所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，所述光产生单元包括顺次连接的激光器和光纤耦合器，所述激光器用于发射波长为1550nm，功率为15.5dBm的激光，所述光纤耦合器用于将所述激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。

4.根据权利要求3所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，所述光纤耦合器的分光比为10:90。

5.根据权利要求1或2所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，所述第一调制放大单元包括顺次连接的第一电光调制器和第一光纤放大器；

所述第一电光调制器用于将泵浦光调制为抑制载波的双边带信号，所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光，所述双边带信号经过所述第一光纤放大器进行信号放大。

6.根据权利要求1或2所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，所述第二调制放大单元包括顺次连接的第二电光调制器和第二光纤放大器；

所述第二电光调制器用于对所述第一调制放大单元输出的双边带信号进行相位调制，相位调制后的信号经过所述第二光纤放大器进行信号放大。

7.根据权利要求1或2所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，所述第三调制放大单元包括顺次连接的第三电光调制器和第三光纤放大器；

所述第三电光调制器用于对所述起偏器提取的偏振光进行宽度为60ns的强度调制，得到泵浦脉冲光，所述泵浦脉冲光通过第三光纤放大器进行放大。

8.根据权利要求7所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，还包括若干个偏振控制器，所述若干个偏振控制器用于控制所述斯托克斯光和反斯托克斯光保持相同的峰值功率和偏振态进入所述第三电光调制器。

9.根据权利要求1或2所述的基于受激布里渊效应的差分式温度传感器，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤。