基于少模光纤模式复用的布里渊光时域反射仪

1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种基于少模光纤模式复用的布里渊光时域反射仪。


背景技术：

2.光纤布里渊光时域反射仪botdr(brillouin optical time domain reflectometry，简称botdr)利用光纤中自发布里渊散射光的布里渊频移量与温度和应变之间的线性关系，可以实现对传感光纤沿线的温度或应变进行分布式的测量。botdr具有单端接入、温度或应变分布式传感的优点，在大型土木工程和大型基础设施的结构健康监测中有着广泛的应用前景，但是由于布里渊频移量对温度和应变都敏感，所有在实际工程应用中存在温度和应变交叉串扰问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于少模光纤模式复用的布里渊光时域反射仪。这种光时域反射仪能实现多个参量的同时测量、能解决分布式光纤传感技术在工程应用中普遍存在的温度和应变交叉敏感的问题。
4.实现本发明目的的技术方案是：
5.一种基于少模光纤模式复用的布里渊光时域反射仪，包括互连的宽激光器和第一光纤耦合器，其中，
6.第一光纤耦合器的一个输出端连接依次连接的光脉冲调制单元、掺铒光纤放大器、带通滤波器、第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的三个输出端分别连接第一光纤环形器、第二光纤环形器和第三光纤环形器，第一光纤环形器、第二光纤环形器和第三光纤环形器与光纤模式复用器即光子灯笼连接，光纤模式复用器与少模传感光纤连接；
7.第一光纤耦合器的另一个输出端连接依次连接的微波扫频单元、光纤扰偏器、第三光纤耦合器，第三光纤耦合器的三个输出端分别通过第一3db光纤耦合器、第二3db光纤耦合器、第三3db光纤耦合器与第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器和第三平衡光电探测器连接，第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器和第三平衡光电探测器均接入数字信号处理单元，第一3db光纤耦合器、第二3db光纤耦合器、第三3db光纤耦合器的一个输入端还分别与第一光纤环形器、第二光纤环形器和第三光纤环形器连接；
8.窄线宽激光器输出的激光经第一光纤耦合器分成第一路光和第二路光，第一路光经过微波扫频单元进行扫频调制后，再经光纤扰偏器进行扰偏以便减小光偏振态对测量结果的影响，扰偏后的第一路光称为本振光；第二路输入光脉冲调制单元调制成探测光脉冲，探测光脉冲经掺铒光纤放大器放大后再由相匹配的带通滤波器滤除ase噪声，接着由第二光纤耦合器分成三路分别进入到第一光纤环形器、第二光纤环形器和第三光纤环形器，探测光脉冲从第一光纤环形器、第二光纤环形器和第三光纤环形器出射后经光纤模式复用器进入到少模传感光纤，探测光脉冲在少模传感光纤中产生的三种模式的后向自发布里渊散
射光并随外部环境参数而变化，三种模式的后向自发布里渊散射光再经过光纤模式复用器和第一光纤环形器、第二光纤环形器和第三光纤环形器输出，与本振光分别在第一3db光纤耦合器、第二3db光纤耦合器、第三3db光纤耦合器耦合后由第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器和第三平衡光电探测器探测，第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器和第三平衡光电探测器输出的三路电信号由数字信号处理单元进行信号采集、处理，利用三种模式的后向自发布里渊散射光对外界环境的不同响应特性实现外界多参量的同时测量，有效解决传统光纤布里渊光时域反射仪温度和应变交叉敏感问题。
9.所述少模传感光纤和光纤模式复用器均支持lp01、lp11a和lp11b三种导模的光波。
10.所述三种模式的后向自发布里渊散射光分别为lp01、lp11a和lp11b模式并且这三种模式的后向自发布里渊散射光对外界环境的具有不同响应，这三种模式的后向自发布里渊散射光对外界环境的不同响应，可以用如公式(1)所示矩阵表示：
[0011][0012]
其中，δv
blp01
，δv
blp01
和δv
blp01
分别为自发布里渊散射光lp01、lp11a和lp11b模式的布里渊频移变化量；δt，δε和δp分别为传感少模光纤外部温度、应变和横向压力的变化量；c
t1
，c
ε1
和c
p1
分别是自发布里渊散射光lp01模布里渊频移的温度响应系数，应变响应系数和横向压力系数；c
t2
，c
ε2
和c
p2
分别是自发布里渊散射光lp11a模布里渊频移的温度响应系数，应变响应系数和横向压力系数，c
t3
，c
ε3
和c
p3
分别是自发布里渊散射光lp11b模布里渊频移的温度响应系数，应变响应系数和横向压力系数。
[0013]
实验中分别测出自发布里渊散射光lp01、lp11a和lp11b模式的布里渊频移变化量δv
blp01
，δv
blp01
和δv
blp01
，利用矩阵公式(1)即可实现对传感少模光纤外部的温度、应变和横向压力的同时测量，有效解决分布式光纤传感技术在工程应用中普遍存在的温度和应变交叉敏感的问题。
[0014]
本技术方案与现有技术相比，本技术方案同时测量少模传感光纤中lp01、lp11a和lp11b三个模式的自发布里渊散射光，并利用三个模式的自发布里渊散射光对外界环境参数如温度、应变和压力的不同响应，可以实现多个参量的同时测量，有效解决分布式光纤传感技术在工程应用中普遍存在的温度和应变交叉敏感的问题。
[0015]
这种光时域反射仪能实现多个参量的同时测量、能解决分布式光纤传感技术在工程应用中普遍存在的温度和应变交叉敏感的问题。
附图说明
[0016]
图1为实施例的结构示意图。
[0017]
图中，10.窄线宽激光器11.第一光纤耦合器12.光脉冲调制单元13.掺铒光纤放大器14.带通滤波器15.第二光纤耦合器16
‑
1.第一光纤环形器16
‑
2.第二光纤环形器16
‑
3.第三光纤环形器17.光纤模式复用器18.少模传感光纤19.微波扫频单元20.光纤扰偏器21.第三光纤耦合器22
‑
1.第一3db光纤耦合器22
‑
2.第二3db光纤耦合器22
‑
3.第三3db光纤耦合
器23
‑
1.第一平衡光电探测器23
‑
2.第二平衡光电探测器23
‑
3.第三平衡光电探测器24.数字信号处理单元。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
[0019]
实施例：
[0020]
参照图1，一种基于少模光纤模式复用的布里渊光时域反射仪，包括互连的宽激光器10和第一光纤耦合器11，其中，
[0021]
第一光纤耦合器11的一个输出端连接依次连接的光脉冲调制单元12、掺铒光纤放大器13、带通滤波器14、第二光纤耦合器15，第二光纤耦合器15的三个输出端分别连接第一光纤环形器16
‑
1、第二光纤环形器16
‑
2和第三光纤环形器16
‑
3，第一光纤环形器16
‑
1、第二光纤环形器16
‑
2和第三光纤环形器16
‑
3与光纤模式复用器即光子灯笼17连接，光纤模式复用器17与少模传感光纤18连接；
[0022]
第一光纤耦合器(11)的另一个输出端连接依次连接的微波扫频单元19、光纤扰偏器20、第三光纤耦合器21，第三光纤耦合器21的三个输出端分别通过第一3db光纤耦合器22
‑
1、第二3db光纤耦合器22
‑
2、第三3db光纤耦合器22
‑
3与第一平衡光电探测器23
‑
1、第二平衡光电探测器23
‑
2和第三平衡光电探测器23
‑
3连接，第一平衡光电探测器23
‑
1、第二平衡光电探测器23
‑
2和第三平衡光电探测器23
‑
3均接入数字信号处理单元24，第一3db光纤耦合器22
‑
1、第二3db光纤耦合器22
‑
2、第三3db光纤耦合器22
‑
3的一个输入端还分别与第一光纤环形器16
‑
1、第二光纤环形器16
‑
2和第三光纤环形器16
‑
3连接，
[0023]
窄线宽激光器10输出的激光经第一光纤耦合器11分成第一路光和第二路光，第一路光经过微波扫频单元19进行扫频调制后，再经光纤扰偏器20进行扰偏以便减小光偏振态对测量结果的影响，扰偏后的第一路光称为本振光；第二路输入光脉冲调制单元12调制成探测光脉冲，探测光脉冲经掺铒光纤放大器13放大后再由相匹配的带通滤波器14滤除ase噪声，接着由第二光纤耦合器15分成三路分别进入到第一光纤环形器16
‑
1、第二光纤环形器16
‑
2和第三光纤环形器16
‑
3，探测光脉冲从第一光纤环形器16
‑
1、第二光纤环形器16
‑
2和第三光纤环形器16
‑
3出射后经光纤模式复用器17进入到少模传感光纤18，探测光脉冲在少模传感光纤18中产生的三种模式的后向自发布里渊散射光并随外部环境参数而变化，三种模式的后向自发布里渊散射光再经过光纤模式复用器17和第一光纤环形器16
‑
1、第二光纤环形器16
‑
2和第三光纤环形器16
‑
3输出，与本振光分别在第一3db光纤耦合器22
‑
1、第二3db光纤耦合器22
‑
2、第三3db光纤耦合器22
‑
3耦合后由第一平衡光电探测器23
‑
1、第二平衡光电探测器23
‑
2和第三平衡光电探测器23
‑
3探测，第一平衡光电探测器23
‑
1、第二平衡光电探测器23
‑
2和第三平衡光电探测器23
‑
3输出的三路电信号由数字信号处理单元24进行信号采集、处理，利用三种模式的后向自发布里渊散射光对外界环境的不同响应特性实现外界多参量的同时测量，有效解决传统光纤布里渊光时域反射仪温度和应变交叉敏感问题。
[0024]
本例少模传感光纤18和光纤模式复用器17均支持lp01、lp11a和lp11b三种导模的光波。
[0025]
本例三种模式的后向自发布里渊散射光分别为lp01、lp11a和lp11b模式并且这三种模式的后向自发布里渊散射光对外界环境的具有不同响应，这三种模式的后向自发布里渊散射光对外界环境的不同响应，可以用如公式(1)所示矩阵表示：
[0026][0027]
其中，δv
blp01
，δv
blp01
和δv
blp01
分别为自发布里渊散射光lp01、lp11a和lp11b模式的布里渊频移变化量；δt，δε和δp分别为传感少模光纤外部温度、应变和横向压力的变化量；c
t1
，c
ε1
和c
p1
分别是自发布里渊散射光lp01模布里渊频移的温度响应系数，应变响应系数和横向压力系数；c
t2
，c
ε2
和c
p2
分别是自发布里渊散射光lp11a模布里渊频移的温度响应系数，应变响应系数和横向压力系数，c
t3
，c
ε3
和c
p3
分别是自发布里渊散射光lp11b模布里渊频移的温度响应系数，应变响应系数和横向压力系数。
[0028]
实验中分别测出自发布里渊散射光lp01、lp11a和lp11b模式的布里渊频移变化量δv
blp01
，δv
blp01
和δv
blp01
，利用矩阵公式(1)即可实现对传感少模光纤外部的温度、应变和横向压力的同时测量，有效解决分布式光纤传感技术在工程应用中普遍存在的温度和应变交叉敏感的问题。