本发明属于布里渊光纤激光器与分布光纤传感技术领域，具体涉及一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置与方法。
背景技术：
基于布里渊散射效应的布里渊光纤激光器由于其独有的特点，发生受激布里渊散射产生的布里渊斯托克斯光，其频率相对于布里渊泵浦光下移一个布里渊频移，其值一方面取决于光纤自身材料及掺杂特性，另一方面也受光纤所处环境因素，如环境温度、应变等的影响。加之布里渊散射激光线宽窄，激光器结构简单的特点。布里渊光纤激光器的应用研究已成为人们研究的热点，其已应用于振动传感器、光生微波信号、布里渊频移器、微波光子滤波器、光纤温度传感器、液位传感器、压力传感器等等方面。
分布式光纤传感技术利用光纤中的散射机理，将光纤既作传感元件，同时也用作传输信号的介质，它可以准确获取传感光纤沿线上温度、应变、振动等等随时间和空间连续变化的信息。基于光纤受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(BrillouinOpticalTime-DomainAnalysis,BOTDA)是具有长距离、高测量精度、高空间分辨率的温度和应变测量能力的传感技术，在桥梁、隧道、铁道、通信光缆、油气管道等大型基础设施的结构健康监测中有着巨大的应用前景。在这种技术中，当光纤中相向传输的两束光波的频率差在布里渊增益范围内时，它们通过声波场发生受激布里渊作用，两束光之间会发生能量转移，当两束光的频率差等于光纤的布里渊频移(Brillouinfrequencyshift,BFS)时，能量转移量最大，这个布里渊频移(BFS)与温度或应变之间存在一个线性关系，通过测量两束光波能量转移量最大时的频率差，进而测得布里渊频移(BFS)，这样就可以得到加载在光纤上的温度或应变大小。目前常用的得到两束相向传输泵浦光与探测光的办法是采用电光调制微波源进行移频，这种办法需要价格昂贵的高性能可调微波源，另外高速调制器也常常不易稳定工作。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述传统BOTDA系统的不足，提出一种基于布里渊光纤激光器的分布式光纤传感装置。
本发明结合布里渊光纤激光器具有频移的特点，提出了一种基于布里渊光纤激光器的分布式光纤传感装置与方法，利用布里渊光纤激光器的双输出端口输出频率相差约一个布里渊频移的两束频率稳定的光波，其中一束窄线宽的低频光用以获得脉冲泵浦光，另一束光频与布里渊泵浦光频一致的光用作连续探测光。另外，低频的脉冲泵浦光频可以调谐，这通过布里渊激光腔的温度控制器改变腔内布里渊增益光纤的温度来实现。该分布式光纤传感装置可以测量温度、应变。系统后端的信号处理与普通BOTDA一样。这样，可以省去高频可调微波源及高速调制器，使整个系统成本大大降低。如果前端布里渊激光腔内的温度控制器保持温度恒定而不调谐，则该系统还可以对传感光纤进行振动测量。
本发明采取的技术方案如下。
一种基于布里渊光纤激光器的分布式光纤传感装置，包括窄线宽泵浦激光器（1）、第一掺铒光纤放大器（2）、第一光环形器（3）、温度控制器（4）、布里渊增益光纤（5）、光纤耦合器（6）、脉冲信号发生器（7）、电光强度调制器（8）、第二掺铒光纤放大器（9）、扰偏器（10）、光隔离器（11）、传感光纤（12）、第二光环形器（13）、光电探测器（14）、信号采集与处理装置（15）；所述窄线宽泵浦激光器（1）连接到第一掺铒光纤放大器（2）的输入端口进行光信号放大，所述第一掺铒光纤放大器（2）的输出端口接到第一光环形器第一端口（31）；所述第一光环形器第二端口（32）接到布里渊增益光纤（5）的一端，布里渊增益光纤（5）置于温度控制箱内，布里渊增益光纤（5）的另一端连接到光纤耦合器第一端口（61）；所述光纤耦合器第三端口（63）输出频率下移的布里渊激光连接到电光强度调制器（8）的光输入端；所述光纤耦合器第二端口（62）接到第一光环形器第三端口（33）；所述光纤耦合器第四端口（64）输出频率与窄线宽激光器（1）频率一致的光连接到光隔离器（11）的输入端；所述电光强度调制器（8）的电信号输入端与脉冲信号发生器（7）连接进行脉冲调制，所述电光强度调制器（8）的输出端连接到第二掺铒光纤放大器（9）的输入端；第二掺铒光纤放大器（9）的输出端连接扰偏器（10）的输入端；所述扰偏器（10）的输出端连接第二光环形器第一端口（131）；所述第二光环形器第二端口（132）连接传感光纤（12）的一端，所述传感光纤（12）的另一端连接到光隔离器（11）的输出端；第二光环形器第三端口（133）连接光电探测器（14）的光输入端，所述光电探测器（14）的输出端接到信号采集与处理装置（15）的输入端。
本发明的前端部分[窄线宽泵浦激光器（1）、第一掺铒光纤放大器（2）、第一光环形器（3）、温度控制器（4）、布里渊增益光纤（5）、光纤耦合器（6）]可以是全保偏结构，也可以是非保偏结构。腔内布里渊增益光纤（5）可以是普通光纤，可以是保偏光纤，也可以是高非线性光纤或保偏高非线性光纤。如果是非保偏结构，为使受激布里渊散射最强，可以在腔内适当位置接入偏振控制器。对布里渊增益光纤的关键参数要求是其布里渊频移值比传感光纤的布里渊频移小，且相差约100MHz，以保证调谐增大布里渊激光频率时，可以达到BOTDA系统的扫频要求。
本发明所述的光纤耦合器（6）的分光比例可以按实际需要调整，输出端口分光比例大，将输出相对高的光功率，相反则输出相对小的光功率。
本发明提供的基于布里渊光纤激光器的分布式光纤传感，其工作过程是：窄线宽泵浦激光器（1）的输出光通过第一掺铒光纤放大器（2）放大后，作为布里渊光纤激光器的泵浦光，泵浦光经第一光环形器第一端口（31）和第一光环形器第二端口（32）进入布里渊增益光纤（5），当泵浦光的功率足够大时，在布里渊增益光纤中将产生频率下移（频率下移量取决于布里渊增益光纤）的背向布里渊散射激光，激光频率可由温控箱（4）控制布里渊增益光纤（5）的温度来调节，布里渊散射激光绕逆时针方向在环形腔（由第一光环形器第二端口（32）、第一光环形器第三端口（33）、布里渊增益光纤（5）、光纤耦合器第一端口（61）和光纤耦合器第二端口（62）构成）内振荡，并经光纤耦合器第二端口（62）和光纤耦合器第三端口（63）输出；穿过布里渊增益光纤的泵浦光部分一方面为布里渊散射激光提供布里渊增益，另外再经光纤耦合器第一端口（61）和光纤耦合器第四端口（64）输出；输出的布里渊散射激光经脉冲信号发生器调制光脉冲信号，然后经过第二掺铒光纤放大器（9）放大，放大的光脉冲信号经扰偏器（10）扰偏后通过第二光纤环形器第一端口（131）和第二光纤环形器第二端口（132）注入传感光纤（12）的一端；输出的部分布里渊泵浦光经过光隔离器（11）后注入传感光纤（12）的另一端，两束光在传感光纤中发生布里渊相互作用；携带有传感光纤温度或应变小信息的连续光信号再经由第二光纤环形器第二端口（132）和第二光纤环形器第三端口（133）进入光电探测器（14）进行光电转换，最后由信号采集及处理装置（15）对得到的电信号进行信号处理。
本发明通过布里渊激光腔的温度控制器改变腔内布里渊增益光纤的温度来实现低频的脉冲泵浦光频可以调谐。本发明分布式光纤传感装置可以测量温度、应变。系统后端的信号处理与普通BOTDA一样。这样，可以省去高频可调微波源及高速调制器，使整个系统成本大大降低。如果前端布里渊激光腔内的温度控制器保持温度恒定而不调谐，则该系统还可以对传感光纤进行振动测量。本发明利用一个激光光源获得布里渊时域分析仪所需的泵浦光及探测光，无需价格昂贵的可调微波源及配套的调制器，大大降低了系统成本及复杂度，系统也更易于光学集成与封装。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图1中，1为窄线宽泵浦激光器，2为第一掺铒光纤放大器，3为第一光环形器，4为温度控制器，5为布里渊增益光纤，6为光纤耦合器，7为脉冲信号发生器，8为电光强度调制器，9为第二掺铒光纤放大器，10为扰偏器，11为光隔离器，12为传感光纤，13为第二光环形器，14为光电探测器，15为信号采集与处理装置，61为光纤耦合器第一端口，62为光纤耦合器第二端口，63为光纤耦合器第三端口，64为光纤耦合器第四端口，131为光纤环形器第一端口，132为光纤环形器第二端口，133为光纤环形器第三端口，31为第一光环形器第一端口，32为第一光环形器第二端口，33为第一光环形器第三端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，窄线宽泵浦激光器1的输出光通过第一掺铒光纤放大器2放大后，用作布里渊光纤激光器（由第一光环形器3，温度控制器4，布里渊增益光纤5，光纤耦合器6构成)的光路部分的布里渊泵浦。当泵浦功率足够时，入射泵浦光在布里渊增益光纤中与光纤产生受激布里渊散射，背向散射激光沿逆时针方向传播，传至光纤耦合器一部分光输出，另一部分光留在腔内与穿过光纤的泵浦光相互作用，布里渊激光被布里渊放大，传输泵浦光发生布里渊损耗，残余布里渊泵浦光经光纤耦合器另一侧的引脚输出。布里渊光纤激光器有两个输出口，一个是光纤耦合器第三端口63，这里输出频率相对窄线宽泵浦激光1下移一个布里渊频移（具体值取决于增益光纤的自身特性）的单频布里渊散射激光，激光频率由腔内温控箱4控制布里渊增益光纤5来实现，增加温控箱温度，布里渊频移增加，输出的布里渊激光频率减小，布里渊频移增加量或布里渊激光频率减小取决于温度改变量，温度调节量以满足BOTDA扫频宽度要求，确保能获取完整的布里渊增益谱；另一个输出口是光纤耦合器第四端口64，这里输出的是频率与窄线宽泵浦激光1一致的剩余泵浦光；前一束光经脉冲信号发生器7调制后，变为光脉冲，然后经过放大器9进行功率放大，经扰偏器10扰偏后通过光纤环形器13的第一端口131，第二端口132注入传感光纤12的一端；后一束光经光隔离器11的注入传感光纤12的另一端，两束光在传感光纤中发生布里渊相互作用进行能量交换；调节温探箱温度从而改变布里渊激光器输出光频，这样在不同布里渊激光频率下，携带有光纤沿线分布的光强信息的光信号经由光纤环形器13的第二端口132，第三端口133进入光电探测器14进行光电转换，就获得了一组随频率变化的光强沿光纤分布数据，通过这些数据可以得到光纤任一位置处的布里渊频移，据此可以实现温度或应变的连续分布式传感。