一种基于光纤的分布式高速多参量传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公布了一种基于光纤的分布式高速多参量传感器。还公布一种光纤中布里渊散射频谱的分布式快速检测方法，通过在两个布里渊频谱的峰值两侧的频率之间跳动的探测光，通过测量探测光的功率变化，获得在这两个频率处布里渊增益的大小，并调整频率至两个频率感受到的布里渊增益完全相同，接收到的探测光强度幅度变化为零，从而快速得到布里渊散射频率。本实用新型使得布里渊散射频谱检测迅速、准确，从而适应检测快速响应的要求。
【专利说明】一种基于光纤的分布式高速多参量传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及对应变与温度进行全分布式测量的分布式光纤传感系统，具体为通过快速检测光纤中的布里渊散射的频移，来实现应变与温度的快速全分布式测量的方法和装置。
【背景技术】
[0002]全分布式光纤传感器中,光纤自身不但可以传输信号，也同时是探测兀件，集实时信息感知和宽带信息传输于一体，可以准确地测量出光纤沿线上任意一点处的温度、应变等待测物理量信息，实现机械类或电类传感器所不能做到的分布式连续传感，具有广阔的应用前景。其中，布里渊光时域分析仪(Brillouin optical fiber time domain analysis)是一种重要的传感技术，它在待测光纤的一端入射脉冲光，在另一端入射频率与脉冲光频率相差约等于布里渊频移的连续光。当脉冲光与连续光在光纤中相重叠时，由于受激布里渊放大作用，脉冲光与连续光之间会通过声波场发生能量转移。能量转移的大小与两个光波之间的频率差有关，当频率差等于光纤的布里渊频移时所转移的能量最大，所以通过扫描两个光源之间的频率差检测每个频率差下转移的能量大小，便可得到光纤沿线的布里渊频移，从而实现对光纤应变和温度的全分布式传感。布里渊光时域分析仪具有动态范围大、传感距离长、测量精度高等优点，已经在很多结构检测中得到了应用。
[0003]在现有的技术中，对布里渊频移的探测采取扫频探测方式，即每次向光纤中注入一个频率的探测光，只检测光纤中布里渊散射光谱的在相应频率上的分布。其检测系统如图1所示，激光器发出频率为V的连续光，经耦合器分为两路，一路作为泵浦光，被光调制器调制成为脉冲，经过光放大器和光回旋器进入被测光纤，并在被测光纤中激起布里渊增益；另一路光作为探测光，经过光移频器之后，产生一个频移vB，其大小在布里渊散射的频率范围之内。泵浦光脉冲与连续探测光在被测光纤中相向传播，并在它们相遇的位置，泵浦光的能量通过布里渊增益转移到探测光，使探测光得到放大，其放大的增益与布里渊增益的系数有关。放大后的探测光信号被光电探测器接收转换为电信号，在不同位置与泵浦光相遇的探测光，其到达光电探测器的时间也不相同，因此通过测量不同时间到达探测器的光的强度，就可以获得沿着整根被测光纤的布里渊散射在频率为vB处的增益。改变vB的大小，并依此测量光纤在各个vB处的增益，就可以得到光纤的布里渊增益普。根据布里渊增益的峰值的位置，可以获得被测光纤的温度和应变信息。
[0004]这种布里渊增益谱的扫频探测方式，存在的固有缺陷是:虽然只有布里渊增益的峰值对应的频移才是需要获得的参数，却必须通过扫频，在每一个频率上都要探测整根光纤上的布里渊增益谱，最终根据整根光纤上所有位置处完整的布里渊增益谱计算出布里渊频移，因而一次完整的测量需要花费较长的时间，难以对快速变化的信号做出响应。
实用新型内容
[0005]本实用新型目的在于针对现有基于布里渊散射的光纤传感器需要经过扫频才能得到布里渊频移，测量时间较长，无法对快速变化的信号做出相应反应的缺陷，提供一种反应迅速，测量准确的光纤中布里渊散射频谱的分布式快速检测方法和装置。
[0006]本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案:
[0007]—种基于光纤的分布式高速多参量传感器，在待测光纤两端分别入射泵浦光和探测光，其特征在于:利用布里渊散射频谱在峰值附近左右对称的特性，快速调制探测光的频率，并使得探测光的频率在两个特定的频率之间跳动，并且这两个频率分别位于布里渊频谱的峰值两侧，通过测量探测光的功率变化，获得在这两个频率处布里渊增益的大小；调整两个频率数值使得接收到的探测光强度幅度变化为零，即探测光的的两个频率感受到的布里渊增益完全相同；通过对接收到的探测光进行锁相解调，得到探测光平均频率与布里渊散射频率。
[0008]采用上述方法的光纤中布里渊散射频谱的分布式快速检测装置，其特征在于:包括激光器、光耦合器、光移频器、频移编码器、光纤、光回旋器、光放大器、光调制器、光电探测器、相敏解调器、高速数据采集单元、处理与控制单元、射频信号源、信号发生器；
[0009]所述激光器中发出频率为V的连续光，被光耦合器分为两路，其中一路经过光移频器后变为v-vB，再经过频移编码器之后其频率具有幅度为w的跳变，再经过光隔离器之后作为探测光进入被测光纤；同时，从光耦合器输出的另一路光经过光调制器后变成光脉冲，在经光放大器放大后经由光回旋器后作为泵浦光脉冲进入被测光纤，在不同点时间到达被测光纤的不同位置，并产生布里渊增益；探测光与泵浦光脉冲在光纤中相遇，被布里渊增益放大后，经由光回旋器注入光电探测器，所得到的光信号经由相敏解调器，输出信号正比于探测光平均频率与布里渊频移的差值，该信号被高速数据采集卡转换为数字信号输入计算机的处理与控制单元进行处理，并控制射频信号源的频率以调整探测光信号的平均频率；所述信号发生器为频移编码器和相敏解调器提供调制、解调信号。
[0010]本实用新型通过在两个布里渊频谱的峰值两侧的频率之间跳动的探测光，通过测量探测光的功率变化，获得在这两个频率处布里渊增益的大小，并调整频率至两个频率感受到的布里渊增益完全相同，接收到的探测光强度幅度变化为零，从而快速得到布里渊散射频率。使得布里渊散射频谱检测迅速、准确，从而适应检测快速响应的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为现有布里渊光时域分析仪架构示意图。
[0012]图2为跳频检测布里渊增益谱原理图(探测光平均频率偏离布里渊增益频移)。
[0013]图3为跳频检测布里渊增益谱原理图(探测光平均频率等于布里渊增益频移)。
[0014]图4为本实用新型光纤中布里渊散射频谱的分布式快速检测装置架构示意图。
【具体实施方式】
[0015]如图2、3所示，利用布里渊散射频谱在峰值附近左右对称的特性，快速调制探测光的频率，并使得探测光的频率在两个特定的频率之间跳动，并且这两个频率分别位于布里渊频谱的峰值两侧，通过测量探测光的功率变化，获得在这两个频率处布里渊增益的大小。当探测光的平均频率偏离布里渊散射的频谱时，如图2所示，探测光的两个频率感受到的布里渊增益将不相同，因而接收到的探测光强度也会跳动，其频率与探测光的调制频率相同，其幅度正比于探测光平均频率和布里渊散射频率的差，其相位取决于探测光平均频率是大于还是小于布里渊散射的频率。如果如图3所示探测光平均频率恰好等于布里渊散射的频率，则探测光的的两个频率感受到的布里渊增益完全相同，接收到的探测光强度幅度变化为零。因此，通过对接收到的探测光进行锁相解调，就可以得到探测光平均频率与布里渊散射频率之间的偏移量和偏移的方向。
[0016]如图4所示，相干激光器中发出频率为V的连续光，被耦合器分为两路，其中一路经过光移频器后变为v-vB，再经过移频编码器之后其频率具有幅度为w的跳变，再经过光隔离器之后作为探测光进入被测光纤；同时，从光耦合器输出的另一路光经过光调制器后变成光脉冲，在经光放大器放大后经由光回旋器后作为泵浦光脉冲进入被测光纤，在不同点时间到达被测光纤的不同位置，并产生布里渊增益。探测光与泵浦光脉冲在光纤中相遇，被布里渊增益放大后，经由光回旋器注入光电探测器，所得到的光信号经由相敏解调器，输出信号正比于探测光平均频率与布里渊频移的差值，该信号被数据采集卡转换为数字信号输入计算机进行处理，并可控制射频信号源的频率以调整探测光信号的平均频率。
【权利要求】
1.一种基于光纤的分布式高速多参量传感器，其特征在于:包括激光器、光稱合器、光移频器、频移编码器、光纤、光回旋器、光放大器、光调制器、光电探测器、相敏解调器、高速数据采集单元、处理与控制单元、射频信号源、信号发生器； 所述激光器中发出频率为V的连续光，被光耦合器分为两路，其中一路经过光移频器后变为v-vB，再经过频移编码器之后其频率具有幅度为w的跳变，再经过光隔离器之后作为探测光进入被测光纤；同时，从光耦合器输出的另一路光经过光调制器后变成光脉冲，在经光放大器放大后经由光回旋器后作为泵浦光脉冲进入被测光纤，在不同点时间到达被测光纤的不同位置，并产生布里渊增益；探测光与泵浦光脉冲在光纤中相遇，被布里渊增益放大后，经由光回旋器注入光电探测器，所得到的光信号经由相敏解调器，输出信号正比于探测光平均频率与布里渊频移的差值，该信号被高速数据采集卡转换为数字信号输入计算机的处理与控制单元进行处理，并控制射频信号源的频率以调整探测光信号的平均频率；所述信号发生器为频移编码器和相敏解调器提供调制、解调信号。
【文档编号】G01D21/02GK203642961SQ201320804794
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】刘庆文, 何祖源, 樊昕昱, 杜江兵, 谢峰, 马麟 申请人:何祖源, 上海正海资产管理有限公司