CN113008280A - 基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，包括：激光器，用于产生第一路光和第二路光；第一电光调制器，用于将第一路光调制为光学捷变频信号光；第二电光调制器，用于将光学捷变频信号光调制为脉冲光；第一滤波器，用于将脉冲光滤出上边带；掺饵光纤放大器，用于进行功率放大后得到泵浦光；偏振控制器，用于调整泵浦光的偏振态；环形器，用于向待测光纤的另一端输入泵浦光，并输出布里渊散射信号和瑞利散射信号；第二滤波器，用于将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开；光电探测器，用于探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，得到温度和应变信息。本发明可以降低激光器对泵浦光源的要求。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器。
背景技术
由于散射型光纤传感器利用光纤同时传输和感知信号，能够实现真正意义上的分布式测量，被逐渐应用于对大型基础设施进行监测。比如说，基于频率扫描方案的瑞利散射的光时域发射***(OTDR，Opitcal Time-Domain Reflectometry)能够实现纳应变的高精度测量，然而瑞利信号解调过程中，利用两组相邻信号之间的相关运算确定频移量，随着测量次数的增加，其累计误差会不断增加，从而影响测量精度。
对此，中国专利CN109163829A公开了一种基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，一路光经电光调制器调制为脉冲的上下边带的光学捷变频信号光，经第一滤波器滤出上边带，再经掺饵光纤放大器放大后作为泵浦光，由待测光纤的一端输入，另一路光由待测光纤的另一端输入；待测光纤内发生受激布里渊散射和瑞利散射，通过第二滤波器将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，两个探测器分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，采集模块采集探测器的输出信号。
上述技术方案中，在OTDR信号的基础上同时测量BOTDA(Brillouin Optical TimeDomain Analysis，布里渊时域分析)信号，能够测量应变的真实值，应变测量范围可以从纳应变到光纤所承受的最大应变值，布里渊信号能够对OTDR***的累积误差进行修正，实现高精度测量，具有超高的应变分辨率。但是，对泵浦光源的要求较高，一般的激光器并不能较好地满足要求。
发明内容
本发明提供一种基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，解决了现有技术对泵浦光源的要求较高的技术问题。
本发明提供的基础方案为：基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，包括：
激光器，用于产生第一路光和第二路光，并将第一路光输入到第一光电调制器，将第二路光输入到待测光纤的一端；
第一电光调制器，用于将第一路光调制为上下边带的光学捷变频信号光；
第二电光调制器，用于将光学捷变频信号光调制为脉冲光；
第一滤波器，用于将脉冲光滤出上边带；
掺饵光纤放大器，用于在脉冲光滤出上边带以后，进行功率放大后得到泵浦光；
偏振控制器，用于调整泵浦光的偏振态；
环形器，用于向待测光纤的另一端输入泵浦光，并输出布里渊散射信号和瑞利散射信号；
第二滤波器，用于通过透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开；
两个光电探测器，用于分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，得到所需的温度和应变信息；
电频谱分析仪，用于显示所得到的温度和应变信息。
本发明的工作原理及优点在于：第一路光经第一电光调制器调制为脉冲的上下边带的光学捷变频信号光，经第一滤波器滤出上边带，再经掺饵光纤放大器放大后作为泵浦光，调整泵浦光的偏振态以后，由待测光纤的一端输入，第二路光由待测光纤的另一端输入；使得待测光纤内发生受激布里渊散射和瑞利散射，通过第二滤波器将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，得到所需的温度和应变信息。通过这样的方式，可以降低激光器对泵浦光源的要求，同时确保激光器的输出稳定。
本发明可以降低激光器对泵浦光源的要求，同时确保激光器的输出稳定，解决了现有技术对泵浦光源的要求较高的技术问题。
进一步，还包括：
捷变频模块，用于为第一电光调制器提供微波捷变频信号；
脉冲模块，用于为第二电光调制器提供脉冲信号。
有益效果在于：通过自带捷变频模块为第一电光调制器提供微波捷变频信号，自带脉冲模块为第二电光调制器提供脉冲信号，有利于提高整个***工作的可靠性。
进一步，捷变频模块输出的微波捷变频信号的频率从f1到fN，每个频率的持续时间为T，f1、fN和T预先设定；脉冲模块输出的脉冲信号的周期为T，每一个脉冲对应微波捷变频信号的一个频率。
有益效果在于：通过这样的方式，有利于使得捷变频模块与脉冲模块工作时处于连续输出模式，并进行信号同步，确保两次测量无缝连。
进一步，捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器。
有益效果在于：捷变频模块为第一电光调制器提供微波捷变频信号，脉冲模块为第二电光调制器提供脉冲信号，采用任意波形发生器能够很好地实现这样的功能。
进一步，第一滤波器与第二滤波器均采用光纤布拉格光栅。
有益效果在于：第一滤波器将脉冲光滤出上边带，第二滤波器通过透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，光纤布拉格光栅技术成熟、可靠性高。
进一步，第二滤波器透射布里渊散射信号，反射瑞利散射信号。
有益效果在于：采用这样的方式，通过透射和反射可以很好地将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开。
进一步，第二滤波器反射布里渊散射信号，透射瑞利散射信号。
有益效果在于：采用这样的方式，有利于快速地将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开。
附图说明
图1为本发明基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
实施例基本如附图1所示，包括：
激光器，用于产生第一路光和第二路光，并将第一路光输入到第一光电调制器，将第二路光输入到待测光纤的一端；
第一电光调制器，用于将第一路光调制为上下边带的光学捷变频信号光；
第二电光调制器，用于将光学捷变频信号光调制为脉冲光；
第一滤波器，用于将脉冲光滤出上边带；
掺饵光纤放大器，用于在脉冲光滤出上边带以后，进行功率放大后得到泵浦光；
偏振控制器，用于调整泵浦光的偏振态；
环形器，用于向待测光纤的另一端输入泵浦光，并输出布里渊散射信号和瑞利散射信号；
第二滤波器，用于通过透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开；
两个光电探测器，用于分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，得到所需的温度和应变信息；
电频谱分析仪，用于显示所得到的温度和应变信息。
具体实施过程如下：
首先，激光器产生两路光，分别记为第一路光和第二路光；并将第一路光输入到第一光电调制器，将第二路光输入到待测光纤的一端，待测光纤共有两端。也就是说，将第一路光产生上频移脉冲的泵浦光，第二路光直接作为探测光输入到待测光纤。
然后，第一电光调制器将第一路光调制为上下边带的光学捷变频信号光，第二电光调制器将光学捷变频信号光调制为脉冲光。在本实施例中，采用捷变频模块为第一电光调制器提供微波捷变频信号，采用脉冲模块为第二电光调制器提供脉冲信号，捷变频模块和脉冲模块为任意波形发生器。具体来说，捷变频模块输出的微波捷变频信号的频率从f1到fN，每个频率的持续时间为T，f1、fN和T预先设定；脉冲模块输出的脉冲信号的周期为T，每一个脉冲对应微波捷变频信号的一个频率。比如说，第一电光调制器的微波捷变频信号由捷变频模块提供，微波捷变频信号的频率范围为10.6GHz到11GHz，步长4MHz，每个频率持续时间T，持续时间决定传感距离；第二电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，脉冲宽度20ns，总共101脉冲，脉冲间隔T。
接着，第一滤波器将脉冲光滤出上边带，第一滤波器与后面用到的第二滤波器均采用光纤布拉格光栅；掺饵光纤放大器在脉冲光滤出上边带以后，进行功率放大后得到泵浦光。也就是说，在本实施例中，通过第一滤波器滤出脉冲光的上边带，以及通过掺饵光纤放大器对脉冲光进行功率放大，将功率放大后的脉冲光作为泵浦光。
再接着，偏振控制器调整泵浦光的偏振态，环形器向待测光纤的另一端输入泵浦光，并输出布里渊散射信号和瑞利散射信号。这样，待测光纤内就会发生受激布里渊散射和瑞利散射，布里渊散射信号和瑞利散射信号同向传输且均由待测光纤的一端输入环形器，再由环形器输出。在本实施例中，环形器要实现这些功能，需要设计或者具有若干个端口，具体可参照现有技术进行。
最后，第二滤波器通过透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开。在本实施例中，可以采用这样的方式将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，也即，第二滤波器透射布里渊散射信号，反射瑞利散射信号；或者，第二滤波器反射布里渊散射信号，透射瑞利散射信号。随后，两个光电探测器分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，结合振幅、频率和相位信息计算得到所需的温度和应变信息，具体计算公式可参照现有技术，最终由电频谱分析仪显示所得到的温度和应变信息。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，偏振控制器的具体结构如下：包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈，光纤线圈为λ/4光纤线圈，光纤线圈用于调整入射的泵浦光，筒状压电陶瓷在外加电压的控制下调节泵浦光的偏振态。在本实施例中，还包括电机，电机用于驱动光纤线圈转动至预设位置，以使光纤线圈将入射的泵浦光转换为预设偏振方向的泵浦光输出。
实施例3
与实施例2不同之处仅在于，将光纤埋设在煤层中，检测煤层是否出现断层，以及断层的具***置。预先准备一个小车，大小类似于玩具小车，能够刚好负荷将本方案中的光纤传感器即可。将光纤传感器通过螺丝或者胶带固定安装在小车上，并把小车固定在光纤上，采用发条装置驱动小车沿着光纤进行运动。在本实施例中，要实现利用发条驱动小车进行运动，可参照现有的发条玩具小车的原理进行实施。比如说，对于小孩经常玩耍的拉线小车来说，通常包括弹性动力总成、车架、车轴和车轮，将拉线小车平稳地放到地面，左手抓住弹性动力总成，右手向后拉动拉线后快速放开拉线，在发条弹性作用下驱动两个后轮并推动小车向前快速行驶。发条之所以能够起到动力装置的作用驱动小车前进，是因为在拉动拉线的过程中机械能转化为发条的弹性势能，这个环节是储存能量；而在放开拉线后发条的弹性势能转化为小车的动能，这个环节是释放能量。将类似的原理与结构应用到本实施例中，即可实现发条驱动小车沿着光纤运动，光纤传感器随着小车一起运动，从而沿着光纤检测煤层是否有出现断层的情况。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，包括：
激光器，用于产生第一路光和第二路光，并将第一路光输入到第一光电调制器，将第二路光输入到待测光纤的一端；
第一电光调制器，用于将第一路光调制为上下边带的光学捷变频信号光；
第二电光调制器，用于将光学捷变频信号光调制为脉冲光；
第一滤波器，用于将脉冲光滤出上边带；
掺饵光纤放大器，用于在脉冲光滤出上边带以后，进行功率放大后得到泵浦光；
偏振控制器，用于调整泵浦光的偏振态；
环形器，用于向待测光纤的另一端输入泵浦光，并输出布里渊散射信号和瑞利散射信号；
第二滤波器，用于通过透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开；
两个光电探测器，用于分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，得到所需的温度和应变信息；
电频谱分析仪，用于显示所得到的温度和应变信息。
2.如权利要求1所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，还包括：
捷变频模块，用于为第一电光调制器提供微波捷变频信号；
脉冲模块，用于为第二电光调制器提供脉冲信号。
3.如权利要求2所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，捷变频模块输出的微波捷变频信号的频率从f1到fN，每个频率的持续时间为T，f1、fN和T预先设定；脉冲模块输出的脉冲信号的周期为T，每一个脉冲对应微波捷变频信号的一个频率。
4.如权利要求3所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器。
5.如权利要求4所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，第一滤波器与第二滤波器均采用光纤布拉格光栅。
6.如权利要求5所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，第二滤波器透射布里渊散射信号，反射瑞利散射信号。
7.如权利要求5所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，第二滤波器反射布里渊散射信号，透射瑞利散射信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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