基于相位-BOTDR光纤分布式布里渊振动传感测量方法与流程

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体是一种基于相位-botdr布里渊光纤分式布振动传感测量。

背景技术

光纤分布式测量广泛用于城市建设中桥梁、铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面，它主要是采用光纤中的光散射理论，包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。目前国内外光纤传感系统中，基于瑞利散射的分布式光纤传感技术常用于光纤断点及衰减特征的定性检测，也有报道应用光纤后向瑞利散射进行应变测量(参考文献masoudia,belalm,newsontp.adistributedopticalfibredynamicstrainsensorbasedonphase-otdr[j].measurementscience&technology,2013,24(8):085204.)；拉曼散射主要用于温度传感测量；布里渊散射可用于远距离温度应变和振动的检测，是目前高精度传感测量领域的一大热点。

实现远距离、高空间分辨率、高灵敏度的光纤传感，主要的受限因素包括：过大脉冲功率产生的非线性效应影响；脉冲宽度改变导致的动态范围与分辨率不可兼得；微弱散射信号的探测以及动态信号的处理等等。克服高精度分布式光纤传感技术中遇到的挑战，符合解决国民生计的实际需求。基于布里渊散射的高精度分布式传感技术主要有布里渊光时域分析暗光脉冲技术、布里渊光相关域分析技术和布里渊光频域分析技术。关于动态应变的测量，之前有报道采用相位敏感光时域检测技术(参考文献zhangx,sunz,shany,etal.ahighperformancedistributedopticalfibersensorbasedonφ-otdrfordynamicstrainmeasurement[j].ieeephotonicsjournal,2017,pp(99):1-1.)，布里渊相移测量与布里渊动态光栅相结合技术(参考文献bergmana,langert,turm.phase-based,highspatialresolutionanddistributed,staticanddynamicstrainsensingusingbrillouindynamicgratingsinopticalfibers.[j].opticsexpress,2017,25(5):5376.)。本文采用的是基于相位敏感布里渊光时域反射技术进行动态应力测量，采用相位解调方法，利用反三角函数法解调相位，得到布里渊频移变化，实现光纤振动测量。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于自发布里渊散射测应变的相位解调算法，以实现分布式光纤传感中相位敏感的动态应变测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于相位-botdr布里渊光纤分布式振动传感测量方法，包括有分布式反馈激光源、偏振控制器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、单模传感光纤、光纤布拉格光栅、非平衡马赫泽德干涉仪、光电探测器和数据采集处理系统，所述的分布式反馈激光源发出的连续光依次经偏振控制器、脉冲调制器调制成脉冲光，通过掺铒光纤放大器进行放大，放大后的脉冲光经光环行器进入单模传感光纤，发生振动变化处的后向布里渊散射光再经光环形器进入光纤布拉格光栅，布里渊散射光经非平衡马赫泽德干涉仪发生干涉，输出的三路光被光电探测器接收后由数据采集处理系统进行处理，利用非平衡马赫泽德干涉仪结构，将后向散射的布里渊频移变化量转化为干涉光输出相位的变化，根据不同时刻相位的变化解调出布里渊频移变化量，进而得到传感光纤沿线的振动变化。

利用非平衡马赫泽德干涉仪结构，将后向散射的布里渊频移变化量转化为干涉光相位的变化，采用相位解调方法，利用反三角函数法解调相位，得到布里渊频移变化，实现光纤振动测量，具体步骤如下：

a.采集光信号，通过光电检测器检测三路输出光信号，后向布里渊散射光经过非平衡马赫泽德干涉仪干涉后输出的三路光分别表示为：

上式中，i0为布里渊散射光强，m和n为常数，三路输出光之间相差2π/3的相位差；

b.消直流分量，三路输出光强相加并求均值得到直流分量，再用三路输出光信号减去直流分量，设(1)式中直流分量为

用(1)式减去(3)式得到

c.采用反三角函数求待测相位；

δl表示干涉仪中参考臂延迟线长度，vb表示布里渊频移，cn表示介质中的光速；

vb(t)＝vb0(1+0.048×10⁶ε)(6)

由(5)(6)式看出应变会导致布里渊频移发生变化，从而引起相位差发生改变，采用反三角函数法进行相位解调，根据不同时刻相位的变化可以解调出布里渊频移变化量，得到传感光纤沿线的振动变化。

采用自发布里渊散射时泵浦功率低于受激布里渊散射阈值。

本发明的有益效果是：

(1)采用自发布里渊散射测应变变化时泵浦功率低于受激布里渊散射阈值，在一定信噪比范围内传输相同距离所需的泵浦功率低于基于瑞利散射传感所需的泵浦功率。

(2)采用反三角函数法进行相位解调，比微分交叉相乘方法得到的相位精确度高。

附图说明

图1为反三角函数法解调相位算法图。

图2为本基于自发布里渊后向散射测应变原理图。

图3为本发明采用的反三角函数法与微分交叉相乘法解调相位的对比图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于相位-botdr布里渊光纤分布式振动传感测量方法，以实现分布式光纤传感中相位敏感的动态应变测量。具体实施方式如下所述,包括有分布式反馈激光源、偏振控制器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、单模传感光纤、光纤布拉格光栅、非平衡马赫泽德干涉仪、光电探测器和数据采集处理系统，所述的分布式反馈激光源发出的连续光依次经偏振控制器、脉冲调制器调制成脉冲光，通过掺铒光纤放大器进行放大，放大后的脉冲光经光环行器进入单模传感光纤，发生振动变化处的后向布里渊散射光再经光环形器进入光纤布拉格光栅，布里渊散射光经非平衡马赫泽德干涉仪发生干涉，输出的三路光被光电探测器接收后由数据采集处理系统进行处理，利用非平衡马赫泽德干涉仪结构，将后向散射的布里渊频移变化量转化为干涉光输出相位的变化，根据不同时刻相位的变化解调出布里渊频移变化量，进而得到传感光纤沿线的振动变化。

利用非平衡马赫泽德干涉仪结构，将后向散射的布里渊频移变化量转化为干涉光相位的变化，采用相位解调方法，利用反三角函数法解调相位，得到布里渊频移变化，实现光纤振动测量，具体步骤如下：

a.采集光信号，通过光电检测器检测三路输出光信号，后向布里渊散射光经过非平衡马赫泽德干涉仪干涉后输出的三路光分别表示为：

上式中，i0为布里渊散射光强，m和n为常数，三路输出光之间相差2π/3的相位差；

b.消直流分量，三路输出光强相加并求均值得到直流分量，再用三路输出光信号减去直流分量，设(1)式中直流分量为

用(1)式减去(3)式得到

c.采用反三角函数求待测相位；

δl表示干涉仪中参考臂延迟线长度，vb表示布里渊频移，cn表示介质中的光速；

vb(t)＝vb0(1+0.048×10⁶ε)(6)

由(5)(6)式可以看出应变会导致布里渊频移发生变化，如图1、2所示。从而引起相位差发生改变。采用反三角函数法进行相位解调，如图3所示。根据不同时刻相位的变化可以解调出布里渊频移变化量，进而得到传感光纤沿线的振动变化。