CN105784195B - 单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感技术，具体为单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置及方法。解决现有布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置利用光脉冲信号作为探测信号存在的测量距离和空间分辨率之间无法调和的矛盾，以及双端式带来的在传感光纤中出现断点时会导致传感***瘫痪而无法工作，因此，其应用范围受限的问题。本发明利用混沌激光信号代替光脉冲信号实现光纤温度或应变的测量和定位，并且采用了单端BOTDA传感***。可突破目前分布式光纤传感***中存在着的传感距离和空间分辨率之间的矛盾，而且避免了双端BOTDA传感***光纤中出现断点时无法正常工作的限制问题。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术，具体为单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置及方法。利用混沌激光在光纤中的后向瑞利散射及布里渊受激散射效应，能够实现对温度或应变的高空间分辨率、长距离的连续测量。
背景技术
分布式光纤传感技术，采用普通单模光纤作为传感传输介质，可以对光纤沿线的被测量场进行大规模全分布式的温度、应变监测，已在航空航天、土木工程、智能电网等领域得到广泛应用。
分布式光纤传感技术已得到了快速发展，并在以下三个方面取得了突破：①基于瑞利散射测量光纤损耗和故障点的分布式光纤传感技术；②基于拉曼散射测量温度的分布式光纤传感技术；③基于布里渊散射测量温度或应变的分布式光纤传感技术。其中，基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纤传感技术已趋于成熟，并逐步走向实用化。然而，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术应能对温度、应变同时测量，且测量范围和空间分辨率均高于其它两种传感技术，已得到研究者的广泛关注。
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，可分为时域***和相关域***。相对于相关域***，时域***在传感距离上具有明显的优势，进一步可分为布里渊光时域反射***（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry, BOTDR）和布里渊光时域分析***（Brillouin Optical Time-Domain Analysis, BOTDA）。BOTDR和BOTDA***是分别基于光纤的自发和受激布里渊散射效应，因此，BOTDA***具有更长的传感距离。然而，BOTDA时域***利用光脉冲信号作为探测信号实现光纤温度或应变的定位，本质上，存在着测量距离和空间分辨率之间无法调和的矛盾。这是因为，增加探测脉冲的脉冲宽度可增加脉冲光功率，提高测量距离，但会严重降低空间分辨率，致使BOTDA时域***的空间分辨率在1米左右。此外，双端BOTDA时域***需要在传感光纤两端分别注入泵浦光和探测光，当在传感光纤中出现断点时会导致传感***瘫痪而无法工作，因此，其应用范围受限。
发明内容
本发明解决现有布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置利用光脉冲信号作为探测信号存在的测量距离和空间分辨率之间无法调和的矛盾，以及双端式带来的在传感光纤中出现断点时会导致传感***瘫痪而无法工作，因此，其应用范围受限的问题，提供一种单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，包括混沌激光器、1×2第一光纤耦合器、第一高速电光调制器、微波信号源、光扰偏器、2×1光纤耦合器、光环行器、传感光纤、光纤反射镜、第二高速电光调制器、脉冲发生器、1×2第二光纤耦合器、第一光放大器、第二光放大器、1×2第三光纤耦合器、第一光带通滤波器、第二光带通滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡、计算机；
其中，混沌激光器的出射端与1×2第一光纤耦合器的入射端连接；
1×2第一光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一高速电光调制器的入射端连接；第一高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器的入射端连接；微波信号源的信号输出端与第一高速电光调制器的信号输入端连接；光扰偏器的出射端通过单模光纤跳线与2×1光纤耦合器的第一个入射端连接；2×1光纤耦合器的出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；光环行器的反射端与传感光纤的一端连接；传感光纤的另一端与光纤反射镜连接；
1×2第一光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器的入射端连接；第二高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器的入射端连接；脉冲发生器的信号输出端与第二高速电光调制器的信号输入端连接；1×2第二光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器的入射端连接；第一光放大器的出射端通过单模光纤跳线与2×1光纤耦合器的第二个入射端连接；
1×2第二光纤耦合器的第二个出射端利用一根单模光纤跳线与第一光电探测器的入射端连接；
光环行器的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器的入射端连接；第二光放大器的出射端与1×2第三光纤耦合器的入射端连接；
1×2第三光纤耦合器的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光带通滤波器的入射端连接；1×2第三光纤耦合器的第二出射端通过单模光纤跳线与第二光带通滤波器的入射端连接；第一光带通滤波器的出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器的入射端连接；第二光带通滤波器的出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的信号输出端与数据采集卡的第一信号输入端连接；第二光电探测器的信号输出端与数据采集卡的第二信号输入端连接；第三光电探测器的信号输出端与数据采集卡的第三信号输入端连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接。
单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感方法，该方法在本发明所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置中实现，该方法是采用如下步骤实现的：
a.混沌激光器发出的混沌激光信号经1×2第一光纤耦合器分为两路：第一路混沌激光信号作为探测光信号，第二路混沌激光信号作为泵浦光信号；探测光信号先经过第一高速电光调制器，并被微波信号源输出的正弦信号调制，使得探测光调制边带信号的频移接近于布里渊频移，然后经光扰偏器进行扰偏后，经2×1光纤耦合器和光环行器合束、环行后进入传感光纤；泵浦光信号先经第二高速电光调制器，并被脉冲发生器输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器分束，其中的一束经第一光放大器、2×1光纤耦合器和光环行器放大、再合束、环行后与探测光信号一起进入传感光纤，另一束作为参考光经第一光电探测器转换为电信号，再经数据采集卡采集后，输入到计算机中；
b. 经1×2第二光纤耦合器分束的其中一束泵浦光信号与经传感光纤远端的光纤反射镜反射回的探测光调制边带信号，在传感光纤中的某一位置处相向而遇，当探测光调制边带信号的频率落在了光纤布里渊增益谱内，探测光调制边带信号就会被放大，当频率正好等于布里渊频移量时，探测光调制边带信号达到最大；在泵浦光放大探测光调制边带信号的同时，泵浦光本身还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和探测光调制边带从环行器的出射端输出后，再经第二光放大器、1×2第三光纤耦合器放大、分束后，分别被第一光带通滤波器和第二光带通滤波器滤波；经第一光带通滤波器滤出的后向瑞利散射泵浦光由第二光电探测器转换为电信号输入到数据采集卡中，经第二光带通滤波器滤出的探测光调制边带由第三光电探测器转换为电信号输入到数据采集卡中；将采集到的数据输入到计算机中，通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考光信号之间的相关函数，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号，与此同时，通过计算探测光调制边带信号的功率与微波信号源输出的正弦信号调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，从而获得光纤任意位置处的温度或应变值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、本发明利用混沌激光自身信号与其延迟的混沌信号互相关呈现类δ函数的形状，互相关迹线上峰值的位置和半高全宽可以确定光纤温度或应变的距离信息以及空间分辨率。与基于脉冲信号实现温度或应变定位的布里渊光时域***的分布式光纤传感技术相比，这从根本上克服了现有布里渊光时域***的分布式光纤传感技术中测量距离和空间分辨率之间的矛盾问题；
二、本发明与基于频率被正弦信号调制的连续光实现温度或应变定位的布里渊光相关域***相比，可使传感距离提高2个数量级，同时解决了上述相关域***中存在的测量距离和空间分辨率之间的矛盾问题；
三、与中国专利（ZL201310045097.3，CN201510531253.6，CN201510531180.0）基于混沌激光相干探测的分布式光纤传感装置及方法相比，本发明光纤温度或应变的定位是通过混沌激光信号和其参考信号的相关运算以获得光纤温度或应变的位置信息。相对于上述专利利用可变光延迟线实现光纤温度或应变的定位，致使每次测量只能对光纤上单独一点进行测量。而本发明可实现长距离温度或应变的连续测量。此外，上述发明是基于光纤的布里渊散射效应进行光纤温度或应变的定位，而本发明是基于光纤的瑞利散射，其散射信号更强，因而具有更长的传感距离。
四、本发明采用单端结构的BOTDA传感***，既可以基于光纤的受激布里渊增益作用，实现对光纤温度或应变的长距离监测，又可以避免双端BOTDA传感***光纤中出现断点时无法正常工作的限制问题。
附图说明
图1 是本发明所述装置的结构示意图。
图中，1：混沌激光器；2：1×2第一光纤耦合器；3：第一高速电光调制器；4：微波信号源；5：光扰偏器；6： 2×1光纤耦合器；7：光环行器；8：传感光纤；9：光纤反射镜；10：第二高速电光调制器；11：脉冲发生器； 12：1×2第二光纤耦合器；13：第一光放大器；14：第二光放大器；15：1×2第三光纤耦合器；16：第一光带通滤波器；17：第二光带通滤波器；18：第一光电探测器；19：第二光电探测器；20：第三光电探测器；21：数据采集卡；22：计算机。
具体实施方式
单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，包括混沌激光器1、1×2第一光纤耦合器2、第一高速电光调制器3、微波信号源4、光扰偏器5、2×1光纤耦合器6、光环行器7、传感光纤8、光纤反射镜9、第二高速电光调制器10、脉冲发生器11、1×2第二光纤耦合器12、第一光放大器13、第二光放大器14、1×2第三光纤耦合器15、第一光带通滤波器16、第二光带通滤波器17、第一光电探测器18、第二光电探测器19、第三光电探测器20、数据采集卡21、计算机22；
其中，混沌激光器1的出射端与1×2第一光纤耦合器2的入射端连接；
1×2第一光纤耦合器2的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一高速电光调制器3的入射端连接；第一高速电光调制器3的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器5的入射端连接；微波信号源4的信号输出端与第一高速电光调制器3的信号输入端连接；光扰偏器5的出射端通过单模光纤跳线与2×1光纤耦合器6的第一个入射端连接；2×1光纤耦合器6的出射端通过单模光纤跳线与光环行器7的入射端连接；光环行器7的反射端与传感光纤8的一端连接；传感光纤8的另一端与光纤反射镜9连接；
1×2第一光纤耦合器2的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器10的入射端连接；第二高速电光调制器10的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器12的入射端连接；脉冲发生器11的信号输出端与第二高速电光调制器10的信号输入端连接；1×2第二光纤耦合器12的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器13的入射端连接；第一光放大器13的出射端通过单模光纤跳线与2×1光纤耦合器6的第二个入射端连接；
1×2第二光纤耦合器12的第二个出射端利用一根单模光纤跳线与第一光电探测器18的入射端连接；
光环行器7的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器14的入射端连接；第二光放大器14的出射端与1×2第三光纤耦合器15的入射端连接；
1×2第三光纤耦合器15的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光带通滤波器16的入射端连接；1×2第三光纤耦合器15的第二出射端通过单模光纤跳线与第二光带通滤波器17的入射端连接；第一光带通滤波器16的出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器19的入射端连接；第二光带通滤波器17的出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器20的入射端连接；第一光电探测器18的信号输出端与数据采集卡21的第一信号输入端连接；第二光电探测器19的信号输出端与数据采集卡21的第二信号输入端连接；第三光电探测器20的信号输出端与数据采集卡21的第三信号输入端连接；数据采集卡21的信号输出端与计算机22的信号输入端连接。
单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感方法，该方法在本发明所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置中实现，该方法是采用如下步骤实现的：
a.混沌激光器1发出的混沌激光信号经1×2第一光纤耦合器2分为两路：第一路混沌激光信号作为探测光信号，第二路混沌激光信号作为泵浦光信号；探测光信号先经过第一高速电光调制器3，并被微波信号源4输出的正弦信号调制，使得探测光调制边带信号的频移接近于布里渊频移，然后经光扰偏器5进行扰偏后，经2×1光纤耦合器6和光环行器7合束、环行后进入传感光纤8；泵浦光信号先经第二高速电光调制器10，并被脉冲发生器11输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器12分束，其中的一束经第一光放大器13、2×1光纤耦合器6和光环行器7放大、再合束、环行后与探测光信号一起进入传感光纤8，另一束作为参考光经第一光电探测器18转换为电信号，再经数据采集卡21采集后，输入到计算机22中；
b. 经1×2第二光纤耦合器12分束的其中一束泵浦光信号与经传感光纤8远端的光纤反射镜9反射回的探测光调制边带信号，在传感光纤8中的某一位置处相向而遇，当探测光调制边带信号的频率落在了光纤布里渊增益谱内，探测光调制边带信号就会被放大，当频率正好等于布里渊频移量时，探测光调制边带信号达到最大；在泵浦光放大探测光调制边带信号的同时，泵浦光本身还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和探测光边带从环行器7的出射端输出后，再经第二光放大器14、1×2第三光纤耦合器15放大、分束后，分别被第一光带通滤波器16和第二光带通滤波器17滤波；经第一光带通滤波器16滤出的后向瑞利散射泵浦光由第二光电探测器19转换为电信号输入到数据采集卡21中，经第二光带通滤波器17滤出的探测光调制边带由第三光电探测器20转换为电信号输入到数据采集卡21中；将采集到的数据输入到计算机22中，通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考光信号之间的相关函数，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号，与此同时，通过计算探测光调制边带信号的功率与微波信号源4输出的正弦信号调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，从而获得光纤任意位置处的温度或应变值。
具体实施时，混沌激光器1由一个无内置光隔离器的DFB半导体激光器、一个有内置光隔离器的DFB半导体激光器、线性啁啾光纤光栅、可调光衰减器、偏振控制器、光纤耦合器构成。混沌激光器1可产生中心波长为1530-1565nm、频谱宽度大于10GHz的混沌激光信号。1×2第一光纤耦合器2、1×2第二光纤耦合器12、1×2第三光纤耦合器15、2×1光纤耦合器6的耦合比为50:50。第一高速电光调制器3、第二高速电光调制器10采用LN81S-FC型强度调制器。微波信号源4采用Model-SNP1012-520-01型微波信号源。脉冲发生器11采用HP8015A型脉冲信号发生器。第一光放大器13、第二光放大器14采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。第一光带通滤波器16、第二光带通滤波器17采用XTM-50型波长和带宽可调谐光滤波器。传感光纤8采用G.652系列单模光纤，其长度为250km。
Claims (8)
1.一种单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，其特征在于，包括混沌激光器（1）、1×2第一光纤耦合器（2）、第一高速电光调制器（3）、微波信号源（4）、光扰偏器（5）、2×1光纤耦合器（6）、光环行器（7）、传感光纤（8）、光纤反射镜（9）、第二高速电光调制器（10）、脉冲发生器（11）、1×2第二光纤耦合器（12）、第一光放大器（13）、第二光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）、第一光带通滤波器（16）、第二光带通滤波器（17）、第一光电探测器（18）、第二光电探测器（19）、第三光电探测器（20）、数据采集卡（21）、计算机（22）；
其中，混沌激光器（1）的出射端与1×2第一光纤耦合器（2）的入射端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一高速电光调制器（3）的入射端连接；第一高速电光调制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（5）的入射端连接；微波信号源（4）的信号输出端与第一高速电光调制器（3）的信号输入端连接；光扰偏器（5）的出射端通过单模光纤跳线与2×1光纤耦合器（6）的第一个入射端连接；2×1光纤耦合器（6）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（7）的入射端连接；光环行器（7）的反射端与传感光纤（8）的一端连接；传感光纤（8）的另一端与光纤反射镜（9）连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器（10）的入射端连接；第二高速电光调制器（10）的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器（12）的入射端连接；脉冲发生器（11）的信号输出端与第二高速电光调制器（10）的信号输入端连接；1×2第二光纤耦合器（12）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器（13）的入射端连接；第一光放大器（13）的出射端通过单模光纤跳线与2×1光纤耦合器（6）的第二个入射端连接；
1×2第二光纤耦合器（12）的第二个出射端利用一根单模光纤跳线与第一光电探测器（18）的入射端连接；
光环行器（7）的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（14）的入射端连接；第二光放大器（14）的出射端与1×2第三光纤耦合器（15）的入射端连接；
1×2第三光纤耦合器（15）的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光带通滤波器（16）的入射端连接；1×2第三光纤耦合器（15）的第二出射端通过单模光纤跳线与第二光带通滤波器（17）的入射端连接；第一光带通滤波器（16）的出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器（19）的入射端连接；第二光带通滤波器（17）的出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器（20）的入射端连接；第一光电探测器（18）的信号输出端与数据采集卡（21）的第一信号输入端连接；第二光电探测器（19）的信号输出端与数据采集卡（21）的第二信号输入端连接；第三光电探测器（20）的信号输出端与数据采集卡（21）的第三信号输入端连接；数据采集卡（21）的信号输出端与计算机（22）的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，其特征在于，混沌激光器（1）由一个无内置光隔离器的DFB半导体激光器、一个有内置光隔离器的DFB半导体激光器、线性啁啾光纤光栅、可调光衰减器、偏振控制器、光纤耦合器构成。
3.根据权利要求1或2所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，其特征在于，1×2第一光纤耦合器（2）、1×2第二光纤耦合器（12）、1×2第三光纤耦合器（15）、2×1光纤耦合器（6）的耦合比为50:50。
4.根据权利要求1或2所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，其特征在于，第一高速电光调制器（3）、第二高速电光调制器（10）采用LN81S-FC型强度调制器；微波信号源（4）采用Model-SNP1012-520-01型微波信号源；脉冲发生器（11）采用HP 8015A型脉冲信号发生器。
5.根据权利要求1或2所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，其特征在于，第一光放大器（13）、第二光放大器（14）采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器；第一光带通滤波器（16）、第二光带通滤波器（17）采用XTM-50型波长和带宽可调谐光滤波器。
6.根据权利要求1或2所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置，其特征在于，传感光纤（8）采用G.652系列单模光纤，其长度为250km。
7.一种单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感方法，其特征在于该方法在权利要求1所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感装置中实现，该方法是采用如下步骤实现的：
a.混沌激光器（1）发出的混沌激光信号经1×2第一光纤耦合器（2）分为两路：第一路混沌激光信号作为探测光信号，第二路混沌激光信号作为泵浦光信号；探测光信号先经过第一高速电光调制器（3），并被微波信号源（4）输出的正弦信号调制，使得探测光调制边带信号的频移接近于布里渊频移，然后经光扰偏器（5）进行扰偏后，经2×1光纤耦合器（6）和光环行器（7）合束、环行后进入传感光纤（8）；泵浦光信号先经第二高速电光调制器（10），并被脉冲发生器（11）输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器（12）分束，其中的一束经第一光放大器（13）、2×1光纤耦合器（6）和光环行器（7）放大、再合束、环行后与探测光信号一起进入传感光纤（8），另一束作为参考光经第一光电探测器（18）转换为电信号，再经数据采集卡（21）采集后，输入到计算机（22）中；
b. 经1×2第二光纤耦合器（12）分束的其中一束泵浦光信号与经传感光纤（8）远端的光纤反射镜（9）反射回的探测光调制边带信号，在传感光纤（8）中的某一位置处相向而遇，当探测光调制边带信号的频率落在了光纤布里渊增益谱内，探测光调制边带信号就会被放大，当频率正好等于布里渊频移量时，探测光调制边带信号达到最大；在泵浦光放大探测光调制边带信号的同时，泵浦光本身还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和探测光调制边带信号从环行器（7）的出射端输出后，再经第二光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）放大、分束后，分别被第一光带通滤波器（16）和第二光带通滤波器（17）滤波；经第一光带通滤波器（16）滤出的后向瑞利散射泵浦光由第二光电探测器（19）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中，经第二光带通滤波器（17）滤出的探测光调制边带信号由第三光电探测器（20）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中；将采集到的数据输入到计算机（22）中，通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考光信号之间的相关函数，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号，与此同时，通过计算探测光调制边带信号的功率与微波信号源（4）输出的正弦信号调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，从而获得光纤任意位置处的温度或应变值。
8.根据权利要求7所述的单端混沌布里渊光时域分析的分布式光纤传感方法，其特征在于混沌激光器（1）产生的混沌激光信号中心波长为1530-1565nm、频谱宽度大于10GHz。
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