一种基于布里渊相移解调的布里渊光时域分析系统的制作方法

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体为一种基于布里渊相移解调的布里渊光时域分析系统。

背景技术：

分布式光纤传感技术在近年来，随着油气管道、高铁、大型建筑等的高速发展，其安全越来越受到各界关注，而分布式光纤传感技术由于其本身大量的优点，使得其成为长距离、恶劣环境下进行外界信息感知的关键技术。而布里渊光时域分析技术正是众多分布式光纤传感技术中很重要的一项技术。其主要应用于油气管道，结构健康监测等领域。传统的布里渊光时域分析技术通过测量布里渊增益谱来获得布里渊频移(该参数与外界待测量呈线性关系)，近年来，研究发现通过布里渊相位提取布里渊频移具有更多更好的优势：动态测量，抗泵浦消耗，仅需较窄的扫频空间便能获得较高解调精度。基于此，很多研究人员在基于布里渊相位谱的布里渊光时域分析技术上做了不少研究。为了在这一小领域进行深入研究，布里渊相位谱的解调至关重要。

但是目前的布里渊相位解调技术主要有以下几类：1、射频探测，即将相干探测获得的原始射频信号用具有高采样率的设备采集后在数字域对射频信号进行相位提取(该技术需要极大的数据量)；2、数字iq解调，即通过高采样率设备采集原始射频信号后，在数字域进行iq解调(同样需要极大的数据量)；3、电路iq解调，该技术需要双通道采集设备，并且两路信号必须做好同步，不然会存在加大误差；4、基带解调技术，该技术利用萨尼亚克干涉效应实现解调，但是该技术具有复杂结构，需要复杂调节，以及双通道数据采集，而且解调性能也不是很好。

总结起来，技术1和技术2需要极高采样率的采集设备并且获取大量的数据，因此运算效率会比较低。技术3和技术4在采样率上面实现了降低，但是都需要双通道采集设备，并且两个通道需要很好地同步。而且以上技术均未能考虑到相位噪声的影响，因此以上技术尽管能解调布里渊相位，但是解调效果并不是很好。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种简单，高精度、高稳定性的基于布里渊相移解调的布里渊光时域分析系统，解决基于相位解调的布里渊光时域分析技术在实际应用中的不足。技术方案如下：

一种基于布里渊相移解调的布里渊光时域分析系统，可调谐激光器输出的连续光经光耦合器后分为两个支路的连续光；

上支路连续光经第一偏振控制器调节光偏振态，再经马赫曾德尔调制器在频率合成器的驱动下完成一级调制，实现载波抑制双边带调制，再依次通过第一连续式掺铒光纤放大器补偿光功率的损耗，通过第二偏振控制器调节光偏振态，通过相位调制器进行二级调整产生所需要的探测光，通过可调衰减器调节好探测光功率，通过光隔离器将探测光注入传感光纤中；

下支路连续光通过第三偏振控制器调节光偏振态，再经强度调制器在脉冲发生器的驱动下产生泵浦光脉冲，该脉冲光依次通过脉冲式掺铒光纤放大器放大，通过光带通滤波器滤除ase噪声，通过扰偏器扰乱脉冲光的偏振态，通过环形器的一号端口注入到传感光纤中与探测光产生受激布里渊作用；

经过受激布里渊作用后的探测光通过环形器的三号端口到达接收端；

在接收端，探测光先通过第二连续式掺铒光纤放大器放大，再注入光电探测器转换为电信号；

所述电信号依次通过低噪放大器放大，通过带通滤波器滤波，通过包络检波器进行信号解调获得目标布里渊相移，再通过数据采集卡采集后发送上位机进行后期处理。

进一步的，所述马赫曾德尔调制器工作在载波抑制点，其驱动频率为扫频频率fs，其扫频范围覆盖传感光纤的布里渊增益区间。

更进一步的，所述相位调制器的驱动频率为固定频率f1，f1大于布里渊增益谱的宽度，且其中，β⁽²⁾表示群速度色散；l为光纤长度，为由色散引起的相位偏置，且

更进一步的，所述光电探测器的带宽大于相位调制器的驱动频率f1。

更进一步的，所述包络检波器为线性包络检波器。

本发明的有益效果是：

1)本发明系统简单：虽然系统采用的是两级调制，但是系统很简单、易实现、易调节；

2)本发明为单通道、低采样率(数据量少)：同样是基于相干探测的相位解调方案但是根据原理设计出来的系统仅通过包络检波器便能获得布里渊相位(基带信号)，因此仅仅需要单通道以及较低的采样率(较少量的数据)便能恢复布里渊相位谱(这在以往的技术中是不能实现的)；

3)本发明精度高、稳定性强：不仅仅是一个相位解调方案，更能消除由于光纤传输引起的相位噪声，因此能获得很高的布里渊相位测量精度和高稳定性。

附图说明

图1为本发明基于布里渊相移解调的布里渊光时域分析系统的结构图。

图2为布里渊相位谱的测试结果；a)光纤5km处测得的布里渊相位谱；b)光纤20km处测得的布里渊相位谱；c)光纤30km处测得的布里渊相位谱；d)整个光纤的布里渊频移分布；e)加热位置的布里渊频移。

图3为在光纤尾端39.1km处的加热测试结果图；a)为不同温度下的布里渊频移测试结果；b)测得布里渊频移与施加温度之间的关系。

图4为该方案相位噪声消除的验证结果图；a)20组iq解调的测试结果；b)20组本发明的测试结果；c)两种方法测得结果的对比；d)两种方法测试结果的标准差的对比。

图中：1-可调谐激光器；2-光耦合器；3-第一偏振控制器；4-频率合成器；5-马赫曾德尔调制器；6-第一连续式掺铒光纤放大器；7-第二偏振控制器；8-相位调制器；9-可调衰减器；10-光隔离器；11-传感光纤；12-第三偏振控制器；13-强度调制器；14-脉冲发生器；15-脉冲式掺铒光纤放大器；16-光带通滤波器；17-扰偏器；18-环形器；19-第二连续式掺铒光纤放大器；20-光电探测器；21-低噪放大器；22-带通滤波器；23-包络检波器；24-数据采集卡；25-上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明基于布里渊相移解调的布里渊光时域分析系统，光路采用对称双边带布里渊光时域分析系统，探测光采用马赫曾德尔调制器和相位调制器级联调制产生，其中第一级调制产生的光作为与泵浦相互作用的光，第二级产生的光作为辅助光消除相位噪声，接收端相干探测；电路则采用包络检波的方式解调信号。

如图1所示，可调谐激光器1输出的连续光经光耦合器2后分为两个支路的连续光；上支路连续光经第一偏振控制器3调节光偏振态，再经马赫曾德尔调制器5在频率合成器4的驱动下完成一级调制，实现载波抑制双边带调制，再依次通过第一连续式掺铒光纤放大器6补偿光功率的损耗，通过第二偏振控制器7调节光偏振态，通过相位调制器8进行二级调整产生所需要的探测光，通过可调衰减器9调节好探测光功率，通过光隔离器10将探测光注入传感光纤11中。

下支路连续光通过第三偏振控制器12调节光偏振态，再经强度调制器13在脉冲发生器14的驱动下产生泵浦光脉冲，该脉冲光依次通过脉冲式掺铒光纤放大器15放大，通过光带通滤波器16滤除ase噪声，通过扰偏器17扰乱脉冲光的偏振态，通过环形器18的一号端口注入到传感光纤11中与探测光产生受激布里渊作用。

经过受激布里渊作用后的探测光通过环形器18的三号端口到达接收端；在接收端，探测光先通过第二连续式掺铒光纤放大器19放大，再注入光电探测器20转换为电信号；所述电信号依次通过低噪放大器21放大，通过带通滤波器22滤波，通过包络检波器23进行信号解调获得目标布里渊相移，再通过数据采集卡24采集后发送上位机25进行后期处理。

原理分析如下：

两级调制产生的探测光在与泵浦脉冲发生受激布里渊作用之后，其光场为：

式中，e1为一阶调制产生光的强度，e2为二阶调制产生光的强度，gb为布里渊增益，f0为激光器输出光的频率，fs为扫频频率(一阶调制驱动频率，f1为二阶调制驱动频率(产生辅助光)，是布里渊相移，是其对应频率光的相位。

经过相干探测，并用带通滤波器提取到的射频信号为：

其中，

是由二阶色散引起的色散相位，是由光纤传输引起的噪声相位，β⁽¹⁾是群时延色散，β⁽²⁾是群速度色散，l是光纤长度。用式(3)代换式(2)中的内容后得：

考虑是通常小于0.05，是可调节的，上式的近似是合理的。

同样地，没有受激布里渊作用的部分可以得到以下结果：

采用包络检波探测后，输出信号为：

通过以上分析可知，本发明从原理上是可行的。除解调布里渊相位之外，该方案还能完全消除相位噪声，显著提高布里渊相位的解调精度和稳定性。

在上支路中用于产生探测光的两级调制分别由马赫曾德尔调制器5和相位调制器8实现，并且马赫曾德尔调制器5工作在载波抑制点；且上支路的马赫曾德尔调制器5的驱动频率为扫频频率fs，其扫频范围需要覆盖传感光纤11的布里渊增益区间。上支路的相位调制器8的驱动频率为固定频率f1，其值需要由公式其中β⁽²⁾表示群速度色散；l为光纤长度，为由色散引起的相位偏置，且此外f1必须大于布里渊增益谱的宽度以避免干扰噪声。

下支路的连续光用一个电光强度调制器13产生泵浦光脉冲，因而与上支路探测光一起形成一个对称的双边带布里渊光时域分析系统。

接收端的光电探测器带宽必须大于第二级调制的驱动频f1；接收端经带通滤波器(22)滤波后的射频信号频率为f1，并且通过和差化积变换后该信号的相位转移到信号强度上，并且其中由传输引起的相位噪声被消除干净，仅留下所需的布里渊相移和色散引起的固定相位偏置。由于接收端的目标信号的布里渊相移(解调目标)已经转移到信号强度上，因此该目标相位可以通过包络检波解调。

通过包络检波获得目标布里渊相移(解调目标)，为了保持相位的矢量特性(符号)，由色散引起的相位偏置必须大于布里渊相位的最大值(在布里渊光时域分析系统中，最大布里渊相位通常小于0.03，即则一定可以满足条件)。

用于解调射频信号的包络检波器必须是一个线性包络检波器(不能是对数检波器之类的非线性检波器)。尽管该方案仍然是基于相干探测的，但是因为包络检波技术的输出信号为基带信号，因此所需要的采样率只需要满足空间分辨率的需求就行(即与增益谱测量方法一样，所需采样率很低)。

实施时，光电探测器20电域带宽大于二级调制驱动信号频率值f1。电带通滤波器22中心频率为f1，带宽需大于泵浦脉冲对应的频率值；包络检波器必须是线性包络检波器。

图2和图3为采用本发明装置测试效果图，如图所示采用39.1km光纤进行测试，图2-a为5km处的布里渊相位谱，图2-b为20km处的布里渊相位谱，图2-c为30km处的布里渊相位谱，图2-d为整个光纤布里渊频移分布图，图2-e为热点位置的布里渊频移细节图；图3-a和图3-b为温度测试的原始布里渊频移图和布里渊频移与施加温度之间的关系图。

图4为本发明为该方案相位噪声消除的验证结果图，其中：a)20组iq解调的测试结果；b)20组本发明的测试结果；c)两种方法测得结果的对比；d)两种方法测试结果的标准差的对比。