基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种低成本、高可靠性的动态布里渊传感技术，属于光学领域。
【背景技术】
[0002] 近年来光纤传感发展迅速，布里渊光时域分析技术炬OTDA)得到国内外的广泛研 究与应用，布里渊光时域分析技术可W对温度和应变进行传感与测量，具有空间分辨率高、 传感距离远、实现分布式传感等优点。其广泛应用于建筑结构监测、火灾监测和输油管道监 测等。
[0003] 布里渊光时域分析技术利用光纤中受激布里渊散射（SB巧该一非线性效应对光 纤所受外界应变和温度进行传感。相向传输的累浦光与探测光通过受激布里渊散射进行能 量传递，探测光被放大的程度取决于累浦光与探测光之间的频率差值。一般石英光纤布里 渊频移在llGHz左右，温度和应变都会改变布里渊频移，对探测光进行频率扫描就可得到 布里渊增益谱，根据对应的系数转换为温度或应变的大小。累浦光采用脉冲光该样就可W 分布式测量光纤沿线上每点的信息。
[0004] 但是传统的布里渊光时域分析系统由于扫描频率所需时间较长，无法测量信号的 瞬时变化，只能测量静态或缓变的信号。为了解决该一问题，实现分布式动态传感技术用于 对瞬态信号的分布式监测，需要采用基于任意波技术的捷变频技术。该技术的核屯、器件是 任意波发生器（ArbitraryWave化rmGenerator)。由于普通光纤布里渊频移在11細Z左 右，所W-般需要同等带宽的任意波发生器。高带宽的任意波发生器成本极高，并且高频设 备极易损坏和受外界干扰，极大地限制了该种方法的实际应用价值。
[0005] 现有技术采用=种方案来克服采用捷变频技术时存在的技术问题，前两种方案采 用的的是应用任意波形发生器将探测光快速扫频的方式。
[0006] 第一种方案采用微波矢量发生器与双通道500MHz的AWG的I/Q升频方法实现 对布里渊增益谱的快速扫描（Yai;rPeled，AviMotil，andMoshe"Fur, "I^astBrillouin opticaltimedomainanalysisfordynamicsensing,"Vol20N0.SOpticalExpress 8584, 2012)。该种方法降低所用AWG的带宽为500MHz，但其采用的I/Q升频技术成本也比 较高。第二种方案采用强度调制器的二阶边频作为探测光，该样将所需的AWG带宽从布里 渊频移大小降低一半（比如2013年6月13日申请的、公开号为CN103335666A的中国专利 "动态分布式布里渊光纤传感装置及方法"）。有效降低所需AWG的带宽，但仍在5. 5GHz左 右。
[0007] 第=种是将探测光采用梳状频谱的调制方式避免频率扫描的动态测量方案（比 如2012年4月6日申请的、公开号为CN102645236B的中国专利"基于梳状频谱连续探测光 的B0TDA系统"）。但布里渊增益谱的测量需要采用外差探测的方法，外差探测过程中需要 一个本振电信号的扫描，电扫描需要一定的时间，因此该方案实际测量时间仍然较长，无法 真正实现动态测量。
【发明内容】
[000引本发明目的是为了解决现有采用基于任波技术的捷变频技术对瞬态信号进行分 布式监测时存在成本高、系统复杂的问题，提供了一种基于低频任意波的光学捷变频技术 的动态分布式布里渊传感装置及方法。
[0009] 本发明所述基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置，它 包括激光器、禪合器、微波源、任意函数发生器、任意波发生器、光隔离器、数据采集模块、第 一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第S偏振控制器PC3、第四偏振控制器PC4、第一光 强度调制器IM1、第二光强度调制器IM2、渗巧光纤放大器邸FA、环形器R1、单边带强度调制 器SSBM和待测保偏光纤PMF;
[0010] 激光器发出的激光束通过禪合器分成两束激光；
[0011] 其中一束激光经过第一偏振控制器PC1进入第一光强度调制器IM1，第一光强度 调制器IM1在微波源的控制下对输入的激光进行上、下边频调制，上、下边频调制后的光束 经第二光强度调制器IM2调制输出方形脉冲光，该方形脉冲光光经由光纤布拉格光栅FBG 滤除下边频，滤除下边频的光束经过渗巧光纤放大器邸FA放大后输出的光束作为累浦光， 该累浦光经过第S偏振控制器PC3进入环形器R1的1 口，从环形器R1的2 口输出至待测 保偏光纤PMF中；
[0012] 另一束激光经过第二偏振控制器PC2进入单边带强度调制器SSBM，单边带强度调 制器SSBM在任意波发生器的控制下对输入光束进行下边频调制，单边带强度调制器SSBM 输出的光束作为探测光，所述探测光经过光隔离器和第四偏振控制器PC4,从另一个方向进 入待测保偏光纤PMF中；
[0013] 在待测保偏光纤PMF中，满足布里渊放大条件的探测光和累浦光发生布里渊放大 过程；经布里渊放大的探测光进入环形器R1的2 口，并从环形器R1的3 口输出至数据采集 模块；
[0014] 任意波发生器同步触发任意函数发生器向第二光强度调制器IM2提供方形脉冲 调制信号；任意波发生器同步触发数据采集模块采集数据。
[0015] 基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置的方法，该方法 包括W下步骤：
[0016] 步骤一、禪合器将激光束均分成两束，其中一束激光利用步骤二生成累浦光，另一 束激光利用步骤=生成探测光；累浦光和探测光均在任意波发生器的控制下完成，任意波 发生器发出S路控制信号，分别为给单边带强度调制器SSBM的射频信号、给任意函数发生 器的触发信号和给数据采集模块的触发信号；
[0017] 步骤二、其中一束激光经第一偏振控制器PC1调节偏振态后进入第一光强度调制 器IM1，微波源控制第一光强度调制器IM1调制入射激光的上下边频，入射激光的频率向 上、下各频移fw，频移后的激光经第二光强度调制器IM2调制输出方形脉冲光，该方形脉冲 光经由光纤布拉格光栅FBG滤除下边频，滤除下边频的光束经过渗巧光纤放大器邸FA放大 后输出的光束作为累浦光；累浦光为由N个相同的周期T的脉冲序列；其中，fw为微波源的 微波调制频率；
[001引步骤S、另一束激光经第二偏振控制器PC2调节偏振态后进入单边带强度调制器 SSBM，单边带强度调制器SSBM在任意波发生器的控制下对输入光束进行下边频调制，单边 带强度调制器SSBM输出的光束作为探测光；
[0019] 步骤四、步骤二生成的累浦光从一个方向进入待测保偏光纤PMF中；步骤=生成 的探测光从另一个方向进入待测保偏光纤PMF中；在待测保偏光纤PMF中，满足布里渊放大 条件的探测光和累浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光经环形器输出至数据 采集模块；
[0020] 步骤五、根据返回探测器的时间确定SBS作用在光纤中的位置，当完成一个频率 扫描周期T的扫描后，获取该频率状态下的待测保偏光纤PMF上每一个空间点上的布里渊 增益光谱；
[0021] 步骤六、根据布里渊频移Ub与应变e的线性函数关系UB=UB0+C；e，完成待测 保偏光纤PMF在该频率状态下的应变的测量，
[00巧其中，Ub。是待测光纤自由状态的布里渊频移，Cs是应变系数。
[0023] 本发明的优点：本发明采用单边带调制的方法产生几百兆赫兹的下边带作为探测 光，该样就可W采用低带宽的几百兆赫兹的任意波形发生器获得捷变频探测光。采用低频 的光学捷变频技术、W及基于该技术的动态分布式布里渊光纤传感装置及方法，降低了仪 器成本并且提高系统的可靠性。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明所述基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感 装置结构示意图；
[0025] 图2是探测光和累浦光的时序图；
[0026] 图3是探测光与累浦光频率关系图；
[0027] 图4是测量应力时的示意图。
【具体实施方式】
[002引【具体实施方式】一；下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于低 频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置，它包括激光器1、禪合器2、微 波源3、任意函数发生器4、任意波发生器5、光隔离器6、数据采集模块7、第一偏振控制器 PC1、第二偏振控制器PC2、第S偏振控制器PC3、第四偏振控制器PC4、第一光强度调制器 IM1、第二光强度调制器IM