基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感方法
【专利摘要】布里渊光时域分析仪(BOTDA)可实现温度、应变的连续分布式传感，已经发展成实用化的光纤传感技术，目前广泛应用于输油管道、高压电缆以及桥梁建筑的温度和应变的监测。本实用新型建立一种全新分析传感系统，该系统在利用泵浦上边带与探测光作用产生增益谱同时，利用下边带与探测光作用产生损耗谱，实现了两者的光域相减，不仅可实现快速与高空间分辨传感，且可使测量时间在摘要极大减少。
【专利说明】
基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感方法
技术领域
[0001]本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于相移脉冲及频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感方法。
【背景技术】
[0002]布里渊光时域分析仪(BOTDA)可实现温度、应变的连续分布式传感，已经发展成实用化的光纤传感技术，目前广泛应用于输油管道、高压电缆以及桥梁建筑的温度和应变的监测。
[0003]BOTDA的物理机制基于光纤的受激布里渊散射(SBS)。布里渊探测光和栗浦光从传感光纤两端输入，其拍频产生以声速移动的光栅，在多普勒效应下，该光栅对布里渊栗浦产生频移约10-12GHZ的散射光，最终探测光由于布里渊增益而被放大。布里渊增益大小取决于信号光和栗浦光之间的频率差和光纤的固有布里渊频移，当信号光和栗浦光之间的频率差与布里渊频移一致时，SBS增益最强。布里渊频移与温度及应变之间呈线性关系，通过测得布里渊增益谱沿光纤的分布，即可获知温度及应变沿光纤的分布。
[0004]常规BOTDA—般采用扫频技术获取布里渊增益谱，因此耗时较长，只能测量静态的温度、应变事件，而无法捕获动态事件;此外，由于声子寿命约为10ns，过窄的光脉冲会引起增益谱快速展宽及峰值增益降低，影响接收信噪比(SNR)及测量精度。一般地，常规BOTDA的空间分辨物理极限为约Imc3A.Voskoboinik等人提出频率梳注入技术(A.Voskoboinik,
0.F.YiImaz,A.ff.ffillner,et al.Sweep-free distributed Brillouin time-domainanalyzer(SF-BOTDA).0pt.Express，2011,19(26):B842-B847)以实现多个频率成分同时注入，提升BOTDA的测量速度。但是，该方法只能实现大于Im的空间分辨率。如何同时实现快速测量及高空间分辨小于Im传感则尚未见相关报道，解决该问题具有重要的实用价值。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题是:如何提供一种基于相移脉冲及频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感方法，其旨在提升传感速度的同时，显著改进系统的空间分辨率。
[0006]为达上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感系统，
[0008]包括激光器(1’)、电光调制器(2’)、掺铒光纤放大器(3’)、光纤光栅(4’)、环形器(5’)、调制器(6’)、掺铒光纤放大器(7’)、衰减器(8’)、调制器(9’)、掺铒光纤放大器(10’)、衰减器(11’)、扰偏器(12’)、环形器(13’)、电光调制器(14’)、掺铒光纤放大器(15’)、滤波器(16’)、衰减器(17’)、隔离器(18’)、传感光纤(19’)、任意波形发生器(20’)、混频器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23’)、射频放大器(24’)、衰减器(25’)、探测器(26’)、微波放大器(27’)、混频器(28’)、微波源(29’)、低通滤波器(30’)、数据采集卡(31’)、计算机(32，)。
[0009]进一步地，所述基于相移脉冲与频率梳注入的布里渊光时域分析传感方法，第二类实施方法中，如图3所示，光源(Γ )经电光调制器(2’)后产生两个边带，经光纤光栅(4’)反射后，再经调制器(6’)形成栗浦上边带；同时，透射部分经调制器(9’)形成下边带。栗浦边带分别由任意波形发生器(20’)产生的频率梳驱动;其中一边带为相移脉冲，另一边带则为无相移脉冲。光纤光栅(4)透射端经调制器(14’)后产生探测光梳。其中，调制器(14’)由任意波形发生器产生的频率梳与微波源(22’)经混频器(21’)后驱动。栗浦下边带光梳的间距等于探测光梳间距与布里渊增益谱重构步长之差;而栗浦上边带光梳的间距则等于探测光梳间距与布里渊增益谱重构步长之和。
[0010]向光纤注入探测光及布里渊栗浦光，得出功率一布里渊频移一距离三维图，经洛伦兹曲线拟合，得出传感光纤的温度/应变分布。
[0011]进一步的，上述方法在利用栗浦上边带与探测光作用产生增益谱同时，利用下边带与探测光作用产生损耗谱，实现两者的光域相减。
[0012]本发明的有益效果为本发明中，与常规布里渊光时域分析系统相比，不仅可实现快速与高空间分辨传感，且可使测量时间大大减少，具备很强的实用性。
【附图说明】
[0013]图1是本发明所提供的基于相移脉冲与频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感第一类方法结构图。
[0014]附图标记为:激光器(1)、调制器(2)、扰偏器(3)、掺铒光纤放大器(4)、衰减器(5)、环形器(6)、传感光纤(7)、电光调制器(8)、掺铒光纤放大器(9)、滤波器(10)、衰减器(11)、隔离器(12)、任意波形发生器(13)、混频器(14)、微波源(15)、微波放大器(16)、衰减器
(17)、探测器(18)、微波放大器(19)、微波源(20)、混频器(21)、低通滤波器(22)、数据采集卡(23)、计算机(24)；
[0015]图2是本发明所提供的基于相移脉冲与频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感第一类方法栗浦频率梳调制波形。
[0016]图3是本发明所提供的基于相移脉冲与频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感第二类方法结构图。
[0017]其中包括激光器(1’)、电光调制器(2’)、掺铒光纤放大器(3’)、光纤光栅(4’)、环形器(5’)、调制器(6’)、掺铒光纤放大器(7’)、衰减器(8’)、调制器(9’)、掺铒光纤放大器(10’)、衰减器(11’)、扰偏器(12’)、环形器(13’)、电光调制器(14’)、掺铒光纤放大器(15’)、滤波器(16’)、衰减器(17’)、隔离器(18’)、传感光纤(19’)、任意波形发生器(20’)、混频器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23’)、射频放大器(24’)、衰减器(25’)、探测器(26’)、微波放大器(27’)、混频器(28’)、微波源(29’)、低通滤波器(30’)、数据采集卡(31’)、计算机(32’)
[0018]图4是经洛沦兹拟合后，峰值布里渊频移分布。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步描述:
[0020]实施例1
[0021]如图1所示:本发明的基于相移脉冲与频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感系统，第一类方法中，包括激光器(I)、调制器(2)、扰偏器(3)、掺铒光纤放大器(4)、衰减器(5)、环形器(6)、传感光纤(7)、电光调制器(8)、掺铒光纤放大器
(9)、滤波器(10)、衰减器(11)、隔离器(12)、任意波形发生器(13)、混频器(14)、微波源
(15)、微波放大器(16)、衰减器(17)、探测器(18)、微波放大器(19)、微波源(20)、混频器
[21]、低通滤波器(22)、数据采集卡(23)、计算机(24)。
[0022]所述激光器(I)产生光束，光束经分束器分为两束，一束经电光调制器(8)产生频移为10?IlGHz的布里渊探测光梳，探测光梳由任意波形发生器(13)与微波源(15)经混频器(14)后驱动电光调制器(8)产生;探测光的一个边带由滤波器(10)滤除，再经掺铒光纤放大器(9)及衰减器(11)后注入传感光纤(7)。另一束光经调制器(2)产生栗浦脉冲频率梳;调制器(2)由任意波形发生器(13)经微波放大器(16)进行驱动；该栗浦脉冲频率梳进一步经扰偏器(3)克服偏振相关增益噪声，及掺铒光纤放大器(4)放大后，通过环形器(6)注入传感光纤(7)。两路光梳的间距之差由布里渊增益谱重构步长决定。探测光中心载波与频率梳边带经探测器(18)产生拍频，再混频器(21)产生基带信号。采集数据后，每一频率成分经快速傅里叶变换(FFT)滤出各个频率成分，再经快速反傅里叶变换(IFFT)得出每种频率成分的时域波形，从而实现布里渊增益谱快速重构。
[0023]如图2所示:本发明的基于相移脉冲与频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感系统，第一类方法中，脉冲调制频率梳由无相移及有相移的两个脉冲构成脉冲对。将有、无相移两种情形所得布里渊增益谱相减可获取布里渊增益谱，相移持续时间决定了空间分辨率。
[0024]实施例2:
[0025]如图3所示:本发明的基于相移脉冲与频率梳注入同时实现快速及高空间分辨的布里渊光时域分析传感系统，第二类方法中，包括激光器(1’)、电光调制器(2’)、掺铒光纤放大器(3’)、光纤光栅(4’)、环形器(5’)、调制器(6’)、掺铒光纤放大器(7’)、衰减器(8’)、调制器(9’)、掺铒光纤放大器(10’)、衰减器(11’)、扰偏器(12’)、环形器(13’)、电光调制器(14’)、掺铒光纤放大器(15’)、滤波器(16’)、衰减器(17’)、隔离器(18’)、传感光纤(19’)、任意波形发生器(20’)、混频器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23’)、射频放大器(24’)、衰减器(25’)、探测器(26’)、微波放大器(27’)、混频器(28’)、微波源(29’)、低通滤波器(30’)、数据采集卡(31’)、计算机(32’)。
[0026]所述激光器(Γ)经电光调制器(2’)及掺铒光纤放大器(3’)后产生两个边带。再经环形器(5’)及光纤光栅(4’)滤出上边带，进一步通过调制器(6’)产生栗浦脉冲频率梳上边带;光纤光栅(4’)反射端为下边带，经调制器(9’)产生栗浦频率梳下边带。该上、下边带分别经掺铒光纤放大器(7’，10’)及衰减器(8’，11’)后作为栗浦光注入传感光纤(19’)。调制器(9’，6’)分别由任意波形发生器(20’)经微波放大器(23’，24’)驱动，其中一边带为相移脉冲频率梳，另一边带则为无相移脉冲频率梳;扰偏器(12 ’)用以克服偏振相关噪声。光纤光栅(4’)透射端经电光调制器(14’)后产生探测光梳。其中，电光调制器(14’)由任意波形发生器(20’)产生的频率梳与微波源(22’)经混频器(21’)后驱动。栗浦下边带光梳的间距等于探测光梳间距与布里渊增益谱重构步长之差;而栗浦上边带光梳的间距则等于探测光梳间距与布里渊增益谱重构步长之和。探测光中心载波与频率梳边带经探测器(26’)产生拍频，再混频器(28’)产生基带信号。采集数据后，每一频率成分经快速傅里叶变换(FFT)滤出各个频率成分，再经快速反傅里叶变换(IFFT)得出每种频率成分的时域波形，从而实现布里渊增益谱快速重构。
[0027]向传感光纤注入探测光及布里渊栗浦光，得出功率一布里渊频移一距离三维图，经洛伦兹曲线拟合，得出传感光纤的温度/应变分布。
[0028]图4为实验获取的经洛沦兹拟合后，峰值布里渊频移分布。可以看出，该系统可清晰分辨光纤末端50cm加热点，从而显著突破了常规BOTDA空间分辨物理极限(约Im)。同时，频率梳注入避免了耗时的扫频过程，可使传感速度得到明显提高。
[0029]由此可知本发明中，与常规布里渊光时域分析系统相比，第一类方法可在实现快速传感的同时，获取高空间分辨(<lm)传感。第二类方法在利用栗浦上边带与探测光作用产生增益谱同时，利用下边带与探测光作用产生损耗谱，实现了两者的光域相减，不仅可实现快速与高空间分辨传感，且可使测量时间在第一类方法基础上减少一半，具备很强的实用性。
[0030]最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感系统，其特征在于，包括激光器(Γ)、电光调制器(2’)、掺铒光纤放大器(3’)、光纤光栅(4’)、环形器(5’)、调制器(6’)、掺铒光纤放大器(7’)、衰减器(8’)、调制器(9’)、掺铒光纤放大器(10’)、衰减器(11’)、环形器(13’)、电光调制器(14’)、掺铒光纤放大器(15’)、滤波器(16’)、衰减器(17’)、隔离器(18’)、传感光纤(19’)、任意波形发生器(20’)、混频器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23 ’)、射频放大器(24 ’)、探测装置； 其中激光器(I ’)依次连接电光调制器(2’)，掺铒光纤放大器(3’)，环形器(5’)及光纤光栅(4’)，光栅分别连接调制器(6’)和调制器(9’)；调制器(6’)连接掺铒光纤放大器(7’)及衰减器(8’)；调制器(9’)连接掺铒光纤放大器(10’)及衰减器(11’)后作为栗浦光注入传感光纤(19’)。2.根据权利要求1所述的一种基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感系统，其特征在于，调制器(9’，6’)分别由任意波形发生器(20’)经微波放大器(23’，24’)驱动;扰偏器(12’)一端分别连接两衰减器(8’)衰减器(11’)另一端连接环形器(13’)用以克服偏振相关噪声。3.根据权利要求1所述的一种基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感系统，其特征在于，光纤光栅(4’)透射端依次连接电光调制器(14’)、掺铒光纤放大器(15’)、滤波器(16’)、衰减器(17’)、隔离器(18’)形成探测光梳；隔离器(18’)另一端与传感光纤(19’)连接。4.根据权利要求1所述的一种基于相移脉冲及频率梳注入的布里渊光时域分析传感系统，其特征在于，探测装置由衰减器(25’)、探测器(26’)、微波放大器(27’)、混频器(28’)、微波源(29’)、低通滤波器(30’)、数据采集卡(31’)、计算机(32’)依次连接;探测装置与环形器(13’)相连接。
【文档编号】G01D5/353GK205561871SQ201521097790
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年12月24日
【发明人】贾新鸿, 常涵清
【申请人】四川师范大学