布里渊光时域分析系统及方法与流程

本发明涉及监测技术领域，特别是涉及一种布里渊光时域分析系统及方法。

背景技术：

基于布里渊散射原理的分布式光纤温度、应变监测系统，由于其可以感知整条光纤链路上的温度、应变的空间分布以及随时间变化的信息，因此被广泛应用在电力电缆、隧道管廊、水利工程、长距离油气管道等重大结构的安全监测中。然而，目前由于在传感光纤中，脉冲光和连续光的最大入射光功率都受到了限制，脉冲光的峰值功率由于调制不确定度不能高于100-150mw，连续光最终受限于放大的自发布里渊散射，功率不能大于5mw，因此无法通过无限提高脉冲光和连续光的功率实现信噪比和距离的提升。而长距离的脉冲光和连续光的相互作用会引起泵浦耗尽，进而带来了严重的非本地效应(non-localeffect)，不仅降低了系统的测量精度，还延长了系统的测量时间。

虽然目前可以通过采用双边带以减少长距离的布里渊光纤传感器的泵浦耗尽(aldominardoetal.“asimpletechniqueforreducingpumpdepletioninlong-rangedistributedbrillouinfibersensors”)，但是，该方法利用探测光的双边带形成增益-衰减型布里渊光时域分析系统，然后滤除斯托克斯光、探测反斯托克斯光，在光纤传感器中，连续光的高阶边带能量向脉冲光转移，该方法虽然在一定程度上减轻了由于泵浦耗尽引起的布里渊增益谱变形，但在实际应用中，由于信号光和脉冲光受限于非线性效应，因此，信噪比提升并不明显，且并没有解决环路后半部分引入的非本地效应。

而采用在传感光纤内注入阶梯脉冲光，将预泵浦脉冲光1阶边带产生的后向瑞利散射作为探测光与相向传输的传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，同时传感脉冲与预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波产生的自发布里渊散射信号发生受激布里渊散射作用，再利用返回入射端携带受激布里渊散射信息的探测光，获取光纤上各点处的布里渊频移，该方法虽然减小了非本地效应对系统测量精度的影响，但由于系统的后向瑞利散射光强度较弱，因此，难以保证系统较强的信噪比。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前在长距离的布里渊分布式光纤传感系统中由于泵浦耗尽和非线性效应引起的信噪比不高的问题，提供一种布里渊光时域分析系统及方法。

一种布里渊光时域分析系统，包括：

激光器，用于产生窄线宽的连续光；

电光调制链路，用于对连续光进行调制得到双频光载波；

探测光生成链路，用于根据双频光载波生成四路探测光，并注入光纤；

双频脉冲光生成链路，用于根据双频光载波生成双频脉冲光；

第一布拉格光栅模块，用于对双频脉冲光产生时延以形成两路泵浦光，并注入光纤；

第二布拉格光栅模块，用于对注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光进行时延补偿；

信号处理模块，用于对时延补偿后的布里渊信号光进行信号处理以获取光纤的布里渊频移数据。

在其中一个实施例中，电光调制链路包括：

微波源，用于产生微波信号；

频分器，用于对微波信号进行分频；

第一电光调制器，用于在分频后的微波信号的抑制下对窄线宽的连续光进行调制以获得双频光载波；

其中，微波源的输出端与频分器的输入端连接，频分器的输出端与第一电光调制器的输入端连接。

在其中一个实施例中，探测光生成链路包括：

第二电光调制器，用于在微波信号的抑制下对双频光载波进行调制以获得四路探测光；

第一掺铒光纤放大器，用于对四路探测光进行放大；

扰偏器，用于消除放大后的四路探测光的偏振态的敏感特性，并注入光纤；

其中，第二电光调制器的输入端分别连接微波源的输出端和第一电光调制器的输出端，第二电光调制器的输出端连接第一掺铒光纤放大器的输入端，第一掺铒光纤放大器的输出端连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接光纤。

在其中一个实施例中，双频脉冲光生成链路包括：

脉冲调制器，用于对双频光载波进行调制以获得双频脉冲光；

第二掺铒光纤放大器，用于对双频脉冲光进行放大；

其中，脉冲调制器的输入端与第一电光调制器的输出端连接，脉冲调制器的输出端与第二掺铒光纤放大器的输入端连接。

在其中一个实施例中，第一布拉格光栅模块、第二布拉格光栅模块分别包括两个布拉格光栅，其中，两个布拉格光栅之间相距l米，l大于脉冲调制器调制的脉冲时间宽度的一半与脉冲光速的乘积。

在其中一个实施例中，脉冲调制器包括声光调制器、电光调制器和高速光开关中的任一种。

在其中一个实施例中，激光器输出的光载波的中心频率为ν0，微波源产生的微波信号的频率为2f0，双频光载波的频率分别为ν0-f0、ν0+f0。

在其中一个实施例中，四路探测光的频率分别为ν0-3f0、ν0-f0、ν0+f0、ν0+3f0。

在其中一个实施例中，第一布拉格光栅模块的中心波长为ν0-f0、ν0+f0，第二布拉格光栅模块的中心波长为ν0-3f0、ν0-f0或ν0+f0、ν0+3f0。

一种布里渊光时域分析方法，包括：

产生窄线宽的连续光，对连续光进行调制得到双频光载波；

根据双频光载波生成四路探测光，并注入光纤；

根据双频光载波生成双频脉冲光，对双频脉冲光产生时延以形成两路泵浦光，并注入光纤；

对注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光进行时延补偿，对时延补偿后的布里渊信号光进行信号处理以获取光纤的布里渊频移数据。

上述布里渊光时域分析系统及方法，通过采用电光调制链路以生成双频脉冲光，通过采用第一布拉格光栅模块结合第二布拉格光栅模块进行时分复用，从而避免了单频脉冲光和信号光功率过高引入的非线性效应，降低了脉冲光的功率需求，提高了系统的信噪比，并降低了由于泵浦耗尽引起的非本地效应，进而保障了对光纤的测量精度。

附图说明

图1为一个实施例中布里渊光时域分析系统的结构示意图；

图2为一个实施例中脉冲光的频率示意图；

图3为一个实施例中连续光的频率示意图；、

图4为一个实施例中布里渊光时域分析方法的流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光器，2、第一电光调制器，3、频分器，4、第二电光调制器，5、微波源，6、第一掺铒光纤放大器，7、扰偏器，8、脉冲调制器，9、第二掺铒光纤放大器，10、第一环形器，11、第一布拉格光栅模块，12、第二环形器，13、第二布拉格光栅模块，14、光电探测模块，15、信号处理模块，16、耦合器，17、光纤。

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。

本发明实施例提供了一种布里渊光时域分析系统，包括激光器、电光调制链路、探测光生成链路、双频脉冲光生成链路、第一布拉格光栅模块、第二布拉格光栅模块以及信号处理模块，其中，激光器，用于产生窄线宽的连续光；电光调制链路，用于对连续光进行调制得到双频光载波；探测光生成链路，用于根据双频光载波生成四路探测光，并注入光纤；双频脉冲光生成链路，用于根据双频光载波生成双频脉冲光；第一布拉格光栅模块，用于对双频脉冲光产生时延以形成两路泵浦光，并注入光纤；第二布拉格光栅模块，用于对注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光进行时延补偿；信号处理模块，用于对时延补偿后的布里渊信号光进行信号处理以获取光纤的布里渊频移数据。

本实施例的系统通过激光器产生窄线宽的连续光，通过电光调制链路对连续光进行调制得到双频光载波，通过探测光生成链路和双频脉冲光生成链路对双频光载波生成四种不同频率的探测光和双频脉冲光，其中每个频率的光信号功率都处于其非线性阈值之下；然后通过第一布拉格光栅模块控制双频脉冲光产生时延以消除双频脉冲光的串扰，从而形成两路泵浦光并注入光纤，通过第二布拉格光栅模块对注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光进行时延补偿，从而避免了单频脉冲光和信号光功率过高引入的非线性效应，降低了脉冲光的功率需求，提高了系统的信噪比，并降低了由于泵浦耗尽引起的非本地效应，进而保障了对光纤上温度和应变的测量精度，最后经信号处理后获取光纤的布里渊频移数据。

在一个实施例中，如图1所示，电光调制链路包括微波源5、频分器3以及第一电光调制器2，微波源5的输出端与频分器3的输入端连接，频分器3的输出端与第一电光调制器2的输入端连接。其中，微波源5用于产生微波信号；频分器3，用于对微波信号进行分频；第一电光调制器2用于在分频后的微波信号的抑制下对窄线宽的连续光进行调制以获得双频光载波。举例来说，若激光器1输出的光载波的中心频率为ν0，微波源5产生的微波信号的频率为2f0，经频分器3分频后进入第一电光调制器2的微波信号的频率为f0，则经第一电光调制器2调制后获得的双频光载波的频率分别为ν0-f0、ν0+f0。

在一个实施例中，探测光生成链路包括第二电光调制器4、第一掺铒光纤放大器6以及扰偏器7，第二电光调制器4的输入端分别连接微波源5的输出端和第一电光调制器2的输出端，第二电光调制器4的输出端连接第一掺铒光纤放大器6的输入端，第一掺铒光纤放大器6的输出端连接扰偏器7的输入端，扰偏器7的输出端连接光纤17。其中，第二电光调制器4用于在微波信号的抑制下对双频光载波进行调制以获得四路探测光；第一掺铒光纤放大器6用于对四路探测光进行放大；扰偏器7用于消除放大后的四路探测光的偏振态的敏感特性，并注入光纤。举例来说，若激光器1输出的光载波的中心频率为ν0，微波源5产生的微波信号的频率为2f0，经第一电光调制器2调制后获得的双频光载波的频率分别为ν0-f0、ν0+f0，则经第二电光调制器4在微波信号2f0的抑制下对双频光载波ν0-f0、ν0+f0进行调制获得的四路探测光的频率分别为ν0-3f0、ν0-f0、ν0+f0、ν0+3f0。

在一个实施例中，双频脉冲光生成链路包括脉冲调制器8以及第二掺铒光纤放大器9，脉冲调制器8的输入端与第一电光调制器2的输出端连接，脉冲调制器8的输出端与第二掺铒光纤放大器9的输入端连接。其中，脉冲调制器8用于对双频光载波进行调制以获得双频脉冲光；第二掺铒光纤放大器9用于对双频脉冲光进行放大。。举例来说，若激光器1输出的光载波的中心频率为ν0，微波源5产生的微波信号的频率为2f0，经第一电光调制器2调制后获得的双频光载波的频率分别为ν0-f0、ν0+f0，则经脉冲调制器8对双频光载波进行调制后获得的双频脉冲光的频率为ν0-f0、ν0+f0。

在一个实施例中，如图1所示，该系统包括激光器1、第一电光调制器2、频分器3、第二电光调制器4、微波源5、第一掺铒光纤放大器6、扰偏器7、脉冲调制器8、第二掺铒光纤放大器9、第一环形器10、第一布拉格光栅模块11、第二环形器12、第二布拉格光栅模块13、光电探测模块14、信号处理模块15、耦合器16以及光纤17，其中，激光器1输出窄线宽的连续光，频分器3对微波源5产生的微波信号进行分频后，驱动第一电光调制器2对连续光进行调制，从而获得双频光载波，并通过耦合器16将双频光载波分为两路，一路经过被微波源5产生的微波信号抑制的第二电光调制器4调制后获得四种频率的探测光，该探测光经第一掺铒光纤放大器6放大后由扰偏器7消除偏振态的敏感特性，然后注入光纤17；另一路经过脉冲调制器8调制后生成双频脉冲光，经第二掺铒光纤放大器9放大后进入第一环形器10，通过与第一环形器10相连的第一布拉格光栅模块11控制双频脉冲光产生时延以消除双频脉冲光的串扰，从而形成泵浦光，经第二环形器12注入光纤17；然后通过第二布拉格光栅模块13对注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光进行时延补偿，经光电探测模块14后由信号处理模块15进行信号处理以获取整条光纤17链路上的布里渊频移数据。

本实施例提供的布里渊光时域分析系统其结构简单，通过采用双电光调制器以生成双频脉冲光，并结合时分复用技术，从而避免了单频脉冲光和信号光功率过高引入的非线性效应，降低了脉冲光功率需求，提高了系统的信噪比。通过采用布里渊损耗谱和连续光多边带，在光纤链路中，连续光不断向脉冲光转移能量，降低了系统的非本地效应，从而保障了整段光纤上的测量精度。

在一个实施例中，若激光器1输出的连续光的中心频率为ν0、微波源5产生的微波信号的频率为2f0，则经频分器3分频后以f0的频率驱动第一电光调制器2对光载波ν0进行调制后获得频率为ν0-f0、ν0+f0的双频光载波，再经耦合器16分为两路，一路经过被微波源5产生的频率为2f0的微波信号抑制的第二电光调制器4调制后获得四种频率的连续探测光，分别包括频率为ν0-3f0、ν0-f0、ν0+f0、ν0+3f0的探测光。另一路经过脉冲调制器8调制后生成频率为ν0-f0、ν0+f0的双频脉冲光。

在一个实施例中，第一布拉格光栅模块11可以包括两个布拉格光栅，两个布拉格光栅分别对应两束脉冲光的频率ν0-f0、ν0+f0，两个布拉格光栅之间相距l米，从而使两束脉冲光在时域上产生2*l*n/c秒的延迟(其中n为光纤折射率，c为真空中的光速，c/n为脉冲光速，即脉冲光在光纤中的光速)，进而通过该时延去除掉重叠，消除了两束脉冲光的串扰，提高了系统的信噪比。其中，l大于脉冲调制器8调制的脉冲时间宽度的一半与脉冲光速的乘积。第二布拉格光栅模块13也可以包括两个布拉格光栅，两个布拉格光栅分别对应的频率为ν0-3f0、ν0-f0或ν0+f0、ν0+3f0，两个光栅间隔长度与第一布拉格光栅模块11相同，以严格补偿第一布拉格光栅模块11引入的时延，使信号在时域上重叠，同时传入光电探测模块14，从而增强了系统的信噪比，提高了系统的测量精度。

在一个实施例中，如图2、图3所示，频率为ν0+3f0的连续光通过受激布里渊效应将能量传递给频率为ν0+f0的脉冲光，频率为ν0+f0的脉冲光通过受激布里渊效应将能量传递给频率ν0-f0的连续光，频率为ν0+f0的连续光通过受激布里渊效应将能量传递给频率为ν0-f0的脉冲光，频率为ν0-f0的脉冲光通过受激布里渊效应将能量传递给频率ν0-3f0的连续光，这四种能量转移过程在传感光纤中按照一定的时延发生，从而大大减小了由于两束泵浦光损耗和相互串扰引起的非本地效应，降低了系统长距离传输的测量误差。

在一个实施例中，考虑到光在光纤中的色散效应，可以取l≥t/2*c/n+1米。

在一个实施例中，脉冲调制器8可以包括声光调制器、电光调制器和高速光开关中的任一种，以调制产生脉冲信号。

在一个实施例中，激光器1可以采用窄线宽光纤激光器，从而使得输出的连续光具有极好的相干特性，能够适用于长距离的传感系统。

在一个实施例中，微波源5可以采用微波振荡器，从而产生一定频率的微波信号。

在一个实施例中，第一环形器10可以采用三端口环形器，第二环形器12可以采用四端口环形器。

在一个实施例中，激光器1具体可以采用线宽小于15khz，输出功率大于20mw，中心波长为1550.12nm的窄线宽外腔激光器，其输出光载波的中心频率为ν0；微波源5可以采用频率范围为8ghz-12ghz，扫频步进小于1mhz，输出功率大于27dbm的微波振荡器，其输出频率为2f0的微波调制信号。微波振荡器通过频分器3分频为频率的一半即f0对第一电光调制器2进行频率调制，这两个微波调制信号保持同步，从而可以通过调节微波振荡器的信号频率对布里渊增益谱进行扫频测量。窄线宽外腔激光器的输出端与第一电光调制器2的输入端相连，微波振荡器经频分器3分频后与第一电光调制器2的射频输入端相连，第一电光调制器2的直流偏压输入端输入合适的电压值，从而获得频率为ν0-f0、ν0+f0的双频光载波，第一电光调制器2的输出端与耦合器(50％/50％)16相连，光路一分为二，一路经第二电光调制器4，微波振荡器的输出端与第二电光调制器4的射频输入端相连，设置合适的直流偏压值，并输入到第一掺铒光纤放大器6，放大后形成的四种频率的连续探测光ν0-3f0、ν0-f0、ν0+f0、ν0+3f0经扰偏器7注入到传感光纤17。另一路光信号进入脉冲调制器8，从而生成频率为ν0-f0、ν0+f0的双频脉冲光，脉冲调制器8的输出端与第二掺铒光纤放大器9相连，放大的光信号进入三端口环形器，经三端口环形器传输到第一布拉格光栅模块11，经过反射后形成一定时延的双脉冲泵浦光，再经四端口环形器注入传感光纤17，系统所需的信号光(即注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光)经过四端口环形器12进入第二布拉格光栅模块13，经过滤波、反射后进入光电探测模块14，最后进入信号处理模块15。

其中，第一布拉格光栅模块11是由两个布拉格光栅组成，两个布拉格光栅分别对应的中心频率为ν0-f0、ν0+f0，若两个布拉格光栅相距5m，且两个布拉格光栅是3db带宽为10ghz的光纤光栅fbg(fiberbragggrating，简称fbg)，第二布拉格光栅模块13同样是由两个布拉格光栅组成，相距5m，对应的中心频率分别为ν0-f0,ν0-3f0，由于受激布里渊效应，传感光纤的布里渊频移量约为2f0，从而频率为ν0-f0的脉冲光与ν0-3f0的连续光相互作用，频率为ν0+f0的脉冲光与ν0-f0的连续光相互作用。因此，如果第一布拉格光栅模块11中的第一个布拉格光栅对应的中心频率为ν0-f0，则第二布拉格光栅模块13中的第二个布拉格光栅对应的中心频率为ν0-3f0，从而实现对光信号延时的补偿。

在一个实施例中，第二布拉格光栅模块13的两个布拉格光栅对应的中心频率还可以分别为ν0+f0、ν0+3f0，如果第一布拉格光栅模块11中第一个布拉格光栅对应的中心频率为ν0+f0，则第二布拉格光栅模块13中第二个布拉格光栅对应的中心频率为ν0+3f0，从而实现对光信号延时的补偿。

本发明实施例还提供了一种布里渊光时域分析方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤s401，产生窄线宽的连续光，对连续光进行调制得到双频光载波；

步骤s402，根据双频光载波生成四路探测光，并注入光纤；

步骤s403，根据双频光载波生成双频脉冲光，对双频脉冲光产生时延以形成两路泵浦光，并注入光纤；

步骤s404，对注入光纤的探测光和泵浦光相互作用而形成的布里渊信号光进行时延补偿，对时延补偿后的布里渊信号光进行信号处理以获取光纤的布里渊频移数据。

本实施例通过采用双电光调制器以生成双频脉冲光，通过采用第一布拉格光栅模块结合第二布拉格光栅模块进行时分复用，从而避免了单频脉冲光和信号光功率过高引入的非线性效应，降低了脉冲光的功率需求，提高了系统的信噪比，并降低了由于泵浦耗尽引起的非本地效应，进而保障了对光纤上温度和应变的测量精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。