CN109781154A - 基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析*** - Google Patents

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基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，属于分布式光纤传感技术领域，本发明为解决现有布里渊相关域分析方法的非完美相位调制码型导致空间分辨率低的问题。激光器发出激光经过相位调制器调制后分为上路和下路；上路作为探测光经过单边带电光调制器调制为下移频探测光，调制后的探测光经过第一掺铒光纤放大器和延时光纤进入待测光纤；下路作为泵浦光进入第二掺铒光纤放大器，然后输入环形器，从环形器输出后进入待测光纤；探测光在待测光纤中与泵浦光相互作用后，输入环形器，从环形器输出后进入光电探测器，示波器采集光电探测器的信号后，经过平均去除噪声和解调，获得待测光纤中相关峰的温度和应变信息。本发明用于无缝检测。

Description

基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***
技术领域
本发明涉及一种布里渊相关域分析***，属于分布式光纤传感技术领域。
背景技术
分布式布里渊光纤传感技术有着灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀以及便于布设等诸多优点。相对于其它点式传感器，分布式布里渊光纤传感技术其传感单元为光纤沿线上的所有位置，可以做到无缝检测。目前可广泛应用于建筑结构健康监测、电力电缆健康监测和石油天然气管线监测等领域，有着极大的研究价值。
空间分辨率是表征分布式传感技术性能的关键参量，该参数不仅表征传感***的空间定位精度，而且表征了***可感知事件的最小空间尺度，只有空间尺度大于空间分辨率的事件才能被感知。布里渊相关域分析(BOCDA)技术是目前空间分辨率最高的一种布里渊光纤传感技术。该技术通过在待测光纤中构造相关峰，将布里渊散射效应局限在相关峰内，以此实现高空间分辨率传感。对泵浦光和探测光施加随机的0和π相移的相位调制是构造相关峰的一种有效手段。该技术的空间分辨率由相位调制的码宽决定，现有的基于相位调制的BOCDA技术的最优空间分辨率为14mm。限制其空间分辨率提升的根本原因在于器件的有限带宽所导致的非完美调制码型：由于任意波源和射频放大器等与调制有关的器件带宽的限制，调制码型表现为非0和π相移的非完美码型，这导致布里渊散射效应不能够局限于相关峰处，在非相关峰区域存在布里渊放大，从而导致信噪比降低，空间分辨率下降。
发明内容
本发明目的是为了解决现有布里渊相关域分析方法的非完美相位调制码型导致空间分辨率低的问题，提供了一种基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析方法。
本发明所述基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，激光器发出的激光经过相位调制器的调制后分为上路和下路；
上路作为探测光经过单边带电光调制器进行调制，微波源产生正弦信号加载到单边带电光调制器上，单边带电光调制器将输入光信号调制为下移频的探测光，调制后的探测光经过第一掺铒光纤放大器和延时光纤进入待测光纤；
下路作为泵浦光进入第二掺铒光纤放大器，然后输入环形器的第一端口，从环形器的第二端口输出后进入待测光纤；
探测光在待测光纤中与泵浦光相互作用后，输入环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出后进入光电探测器，示波器采集光电探测器的信号后，经过平均去除噪声和解调，获得待测光纤中相关峰的温度和应变信息；
所述相位调制器采用电光强度调制器，首先用直流电源加载等于电光强度调制器半波电压的偏置电压，然后将任意波形发生器产生的编码信号经过微波放大器放大后加载到电光强度调制器上。
优选的，激光器采用分布反馈式光纤激光器，输出波长为1550nm。
优选的，延时光纤的长度根据相关峰距离和待测光纤长度选取。
优选的，光电探测器采用光电二极管实现。
优选的，微波源产生正弦信号加载到单边带电光调制器上，通过改变微波源的频率对探测光进行扫频。
优选的，在泵浦光进入第二掺铒光纤放大器前，将泵浦光输入脉冲模块，加强信号和相关峰的鉴别。
本发明的优点：本发明通过强度调制实现完美相移码型的相位调制，相移与射频电信号的大小无关，只与射频信号的极性有关；当射频电信号电压为正时，输出光场相对于输入光场的相移为0，当射频电信号电压为负时，输出光场相对于输入光场的相移为π。因此，即使调制码型不完美，其相移码型依然是完美的0、π码型。本发明显著降低了BOCDA技术对调制器件带宽及输出功率的要求；实现了完美相移码型的产生，提高了布里渊相关域分析技术的空间分辨率。
附图说明
图1是本发明所述基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***的原理图；
图2是采用本发明所述基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***实现完美相移编码的原理图，a表示输入的完美的调制电信号码型，b表示受带宽限制的不完美的电信号码型，c表示利用b所示电信号通过相位调制器调制后的光信号的相位变化，d表示经由b所示电信号通过强度调制器调制后的光信号的相位变化。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，激光器发出的激光经过相位调制器的调制后分为上路和下路；
上路作为探测光经过单边带电光调制器进行调制，微波源产生正弦信号加载到单边带电光调制器上，单边带电光调制器将输入光信号调制为下移频的探测光，调制后的探测光经过第一掺铒光纤放大器和延时光纤进入待测光纤；
下路作为泵浦光进入第二掺铒光纤放大器，然后输入环形器的第一端口，从环形器的第二端口输出后进入待测光纤；
探测光在待测光纤中与泵浦光相互作用后，输入环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出后进入光电探测器，示波器采集光电探测器的信号后，经过平均去除噪声和解调，获得待测光纤中相关峰的温度和应变信息；
所述相位调制器采用电光强度调制器，首先用直流电源加载等于电光强度调制器半波电压的偏置电压，然后将任意波形发生器产生的编码信号经过微波放大器放大后加载到电光强度调制器上。
本实施方式中，第二掺铒光纤放大器将泵浦光放大到峰值功率数瓦的量级。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，激光器采用分布反馈式光纤激光器，输出波长为1550nm。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，延时光纤的长度根据相关峰距离和待测光纤长度选取。
本实施方式中，延时光纤的长度一般在几千米左右。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，光电探测器采用光电二极管实现。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，微波源产生正弦信号加载到单边带电光调制器上，通过改变微波源的频率对探测光进行扫频。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，在泵浦光进入第二掺铒光纤放大器前，将泵浦光输入脉冲模块，加强信号和相关峰的鉴别。
本发明中，通过强度调制实现完美相移编码的原理如下：
电光强度调制器采用M-Z型电光调制器。
M-Z型电光调制器的输入光场Ein和输出光场Eout满足：
Eout＝Einh；
其中，h表示传递函数：
其中，VπDC为直流半波电压，VDC为直流偏置电压，VπRF为射频半波电压，Vm(t)为射频电信号；
此处忽略光传输引入的恒定相移；
当直流偏置电压VDC等于直流半波电压VπDC时，传递函数为：
当射频电信号Vm(t)的值为正时的输出光场为：
当射频电信号Vm(t)的值为负时的输出光场为：
因此，当射频电信号Vm(t)为正电压时，输出光场相对于输入光场Ein的相移为0，此处忽略光传输引入的恒定相移，当射频电信号Vm(t)为负电压时，输出光场相对于输入光场Ein的相移为π。
因此，相移与射频电信号的大小无关，只与符号有关。因此，虽然调制电信号的码型不完美，相移码型依然是完美的0、π码型，如图2所示。

Claims (6)

1.基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，其特征在于：
激光器发出的激光经过相位调制器的调制后分为上路和下路；
上路作为探测光经过单边带电光调制器进行调制，微波源产生正弦信号加载到单边带电光调制器上，单边带电光调制器将输入光信号调制为下移频的探测光，调制后的探测光经过第一掺铒光纤放大器和延时光纤进入待测光纤；
下路作为泵浦光进入第二掺铒光纤放大器，然后输入环形器的第一端口，从环形器的第二端口输出后进入待测光纤；
探测光在待测光纤中与泵浦光相互作用后，输入环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出后进入光电探测器，示波器采集光电探测器的信号后，经过平均去除噪声和解调，获得待测光纤中相关峰的温度和应变信息；
所述相位调制器采用电光强度调制器，首先用直流电源加载等于电光强度调制器半波电压的偏置电压，然后将任意波形发生器产生的编码信号经过微波放大器放大后加载到电光强度调制器上。
2.根据权利要求1所述的基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，其特征在于，激光器采用分布反馈式光纤激光器，输出波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，其特征在于，延时光纤的长度根据相关峰距离和待测光纤长度选取。
4.根据权利要求1所述的基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，其特征在于，光电探测器采用光电二极管实现。
5.根据权利要求1所述的基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，其特征在于，微波源产生正弦信号加载到单边带电光调制器上，通过改变微波源的频率对探测光进行扫频。
6.根据权利要求1所述的基于强度调制的高空间分辨率的布里渊相关域分析***，其特征在于，在泵浦光进入第二掺铒光纤放大器前，将泵浦光输入脉冲模块，加强信号和相关峰的鉴别。
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