实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学领域。
【背景技术】
[0002] 20世纪60年代光纤的发明改变了世界的通信方式，伴随着光纤通信技术的发展， 光纤传感技术迅速发展起来。目前光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航空航天、海洋探 测、工业控制、能源环保、土木建筑等诸多领域。
[0003] 散射型分布式光纤传感技术是近二三十年来发展起来的新型传感技术，其基本原 理为利用光纤同时感知和传输信号，外部扰动作用下产生的瑞利、拉曼、布里渊等效应进行 测量，可以测量光纤沿线上不同位置的温度与应变等物理量的变化，实现了真正的分布式 传感。布里渊散射频移的大小取决于声波速度，温度和应变都会影响光纤内部声波的速度， 所以可以通过测量布里渊频移来得到传感光纤感受的温度和应变。基于布里渊散射的分布 式布里渊传感相比于其它传感原理，具有空间分辨率高、测量精度高、长距离传感、可以实 现动态测量等优点。
[0004] 目前国内外已经利用光学捷变频技术实现动态分布式布里渊光纤传感比如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"，以及采用布里渊增益谱斜坡法实现动态布里渊光纤传感(Peled Y，Motil A，Yaron L，et al.Slope-assisted fast distributed sensing in optical fibers with arbitrary Brillouin profile[J].Optics express，2011，19(21):19845-19854.)〇
[0005] 但是现有的动态分布式布里渊光纤传感系统由于测量数据量较大、布里渊增益谱 中心频率拟合算法较慢，无法在下一次测量之前完成数据处理，不能实现实时的动态监测， 只能先进行实验数据采集后进行数据分析。相比较而言布里渊增益谱斜坡法数据更少并且 数据解调得到布里渊中心频率更为简单快速，有能力实现实时动态分布式布里渊光纤传 感。不过受限于布里渊增益谱的线性段(约为布里渊增益谱线宽)较短，无法实现大应变测 量在实际应用中受到限制；以及布里渊增益谱斜坡法对布里渊增益谱谱型变化较为敏感， 容易将光功率变化误解调为温度或应变信息，对系统的稳定性提出更高的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明目的是为了解决现有动态分布式布里渊光纤传感系统无法实时监测的问 题，提供了一种实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法。解决布里渊增益谱斜坡法动 态系统实际应用中受到的限制。
[0007] 本发明所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置，它包括激光器、親合器、偏振控 制器PC 1、偏振控制器PC2、任意函数发生器AFG3 2 5 2、电光调制器E0M1、电光调制器E0M2、任 意波形发生器AWG、环形器、X波段上变频模块、掺饵光纤放大器EDFA、光纤布拉格光栅FBG、 光隔离器01、光电探测器、采集卡和待测光纤；
[0008] 激光器输出的光束经親合器均分成两束激光；
[0009] 上路激光经过偏振控制器PCI调节进入电光调制器E0M1的偏振态，使入射电光调 制器E0M1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控 制电光调制器E0M1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光 放大作为栗浦光，通过光纤环形器进入待测光纤；
[0010] 下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器E0M2的偏振态，使入射电光调 制器E0M2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X 波段上变频模块调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器E0M2在X波段 上变频模块输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光 纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光，光隔离器01确保该探测光通过防止高功率栗浦 光反向通过，并从另一方向进入待测光纤中；
[0011] 在待测光纤中，满足布里渊放大条件的探测光与栗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的2端口，并从环形器的3端口输出经光电探测器探测后进 行数据采集与数据分析；
[0012] 任意波形发生器AWG同步触发任意函数发生器AFG3252向电光调制器E0M1提供方 形脉冲调制信号;任意波形发生器AWG同步触发采集卡进行数据采集；
[0013] 根据返回光电探测器的时间确定SBS作用在待测光纤中的位置，同时测得的布里 渊中心频率u B与温度T或应变ε的线性关系uB = uBQ+CTT或uB = _+Cse求解不同位置的温度或 应变情况;在下一次采集之前完成本次数据处理并将结果输出，实现实时动态布式布里渊 光纤传感；
[0014] 式中uBQ为待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数，Cs是应变系数。
[0015] 实时动态分布式布里渊光纤传感方法，该方法是上述实时动态分布式布里渊光纤 传感装置实现的，该方法包括以下步骤：
[0016] 步骤一、耦合器将激光束均分成两束，其中上路激光利用步骤二生成栗浦光，下路 激光利用步骤三生成探测光;栗浦光和探测光均在任意波发生器AWG的同步控制下完成，任 意波发生器AWG发出三路控制信号，分别为给X波段上变频模块的几百兆赫兹的微波信号、 给任意函数发生器AFG3252的触发信号和给采集卡的触发信号；
[0017] 步骤二、上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器E0M1的偏振态，使入射 电光调制器E0M1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制 信号控制电光调制器E0M1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲 序列光放大作为栗浦光，
[0018] 步骤三、下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器E0M2的偏振态，使入射 电光调制器E0M2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波 信号经X波段上变频模块调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器E0M2 在X波段上变频模块输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的 光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光；
[0019] 步骤四、步骤二生成的栗浦光通过光纤环形器从一个方向进入待测光纤中；步骤 三生成的探测光从另一个方向进入待测光纤中；在待待测光纤中，满足布里渊放大条件的 探测光和栗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经光电探测器 探测后进行数据采集与数据分析；
[0020] 步骤五、根据返回光电探测器的时间确定SBS作用在待测光纤中的位置，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光纤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％与应变ε的线性函数关系UB = UBQ+Cse，完成待测光纤在 该频率状态下的应变的测量，
[0022] 其中，uBQ是待测光纤自由状态的布里渊频移，CS是应变系数；
[0023] 根据布里渊频移uB与温度T的线性函数关系ub = Ubq+CtT，完成待测光纤在该频率状 态下的温度的测量，
[0024] 其中，uBQ是待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数。
[0025] 本发明的优点：本发明采用AWG实现频率一定间隔的快速扫描，利用X波段上变频 模块使AWG输出