一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置及方法与流程

本发明应用于分布式光纤传感检测领域，具体为一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置及方法，能够实现对温度或应变的高空间分辨率、长距离的连续测量。

背景技术：

基于布里渊光时域分析（brillouinopticaltimedomainanalysis，botda）的分布式光纤温度与应变传感技术是近三十年来发展起来的一种新型传感技术，具有一次测量可获取沿整个光纤被测场分布信息、定位准确,可实现动态测量等，以及距离可达数十千米甚至几百千米等独特优点，在电力、石油和水利等行业大型工程结构健康状况在线监测具有广阔的应用前景。

由于基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟,并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚,但它在温度、应变测量上达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术,因此这种技术目前得到广泛关注与研究。

布里渊散射光时域分析技术（botda）是由horiguchitsuneo在1989年首次提出，以受激布里渊的放大效应作为应变传感的机理（journaloflightwavetechnology,1989,7(8):1170-1176.）。horiguchi等研究人员最先在1.2km的单模光纤两端分别同时注入脉冲光和连续探测光，实现了100m的空间分辨率和3℃的温度分率（appliedoptics,1990,29(15):2219-2222）。baoxiaoyi等在布里渊损耗型botda系统的研究中获得重大进展（optlett.1993sep15;18(18):1561.），采用32公里的传感长度，获得了1℃的温度分辨率和5米的空间分辨率。瑞士洛桑联邦理工学院的thevenaz等人在2008年使用botda系统在47km的传感长度上获得了7m的空间分辨率(ieeesensorsjournal8(7):1268-1272·august2008)，电子科技大学饶云江在2010年等人实现了50km传感距离、50m空间分辨率的测量（物理学报,2010,59(8)），2012年哈尔滨工业大学董永康团队通过采用光脉宽有微小差别的脉冲对法，实现了2km的光纤传感，并使传感系统的空间分辨率达到2cm，温度测量精度达到2℃（appliedoptics,2012,51(9):1229）。目前国外的一些公司相继研制出商业化的botda温度/应变测量仪，例如：瑞士的smartec和omnisens公司生产的ditst系统，该系统的温度分辨率为1℃、应变分辨率为20με；加拿大oz公司的foresight系列的系统，在50km距离上达到10cm的空间分辨率。

传统的botda系统使用的光源为窄线宽激光源，泵浦光为连续光，探测光为脉冲光。在增益型botda中，泵浦光的频率比探测脉冲光的频率高，两路的信号频率差约为布里渊频移，随着泵浦光功率的增大，光纤中发生受激布里渊散射，泵浦光能量通过声波场把能量转移给探测脉冲光。由于光纤中受激布里渊散射强度与两路信号的频移差有关，当泵浦光与探测光的频移与布里渊频移相等时，两路光转移能量最大，所以通过改变泵浦光与探测光的频移差，记录下每个频率点下的功率值，得到峰值功率，再进行洛伦兹拟合就可得到待测光纤各点的布里渊增益谱，而峰值功率对应于布里渊频移，通过光纤各个位置的布里渊频移以及布里渊频移与应变或温度的线性关系，即可实现分布式光纤传感和结构监测。但是botda系统利用光脉冲信号作为探测信号实现光纤温度或应变的定位，若增加探测脉冲的脉冲宽度，其脉冲光功率会增大，有利于提高测量距离，但空间分辨率会下降，使得botda系统的空间分辨率在1米左右。

近来我们利用混沌激光信号代替窄线宽激光源，因为混沌激光信号具有单相关峰相关函数的特性，具有与距离无关的高空间分辨率，可实现长距离的分布式光纤传感。中国发明专利（201610305960.8）采用的是混沌激光信号，但混沌激光信号通常采用光注入、光反馈引入周期信号，使得混沌信号的低相干态遭到破坏，降低系统空间分辨率。

而发明专利（cn103115632a）使用多波长光源作为布里渊光时域分析仪的光源，该发明通过增加探测光及泵浦光的波长数量，可在不引起受激布里渊散射的前提下增加进入光纤的总光功率，可提高系统信噪比。但是该系统需配合调节多个参数，系统结构和实现过程复杂，费时，成本较高。

而本发明采用一种低相干态、宽光谱，输出高功率的超连续谱，由于光纤中各种非线性效应，入射到被测光纤中的光功率应低于受激布里渊阈值，超宽光谱意味着具有超高的受激布里渊散射阈值。而botda系统想要超远距离传感，必须提升探测脉冲光和连续泵浦光功率，超连续谱利用自身优势解决低功率问题，另外botda系统的信噪比（snr)是另外一个重要因素，使用超连续谱光源会使系统信噪比得到很大提升，它不仅能够决定系统的动态范围而且影响系统的测量精度。

技术实现要素：

本发明提出一种基于超连续谱光布里渊光时域分析（brillouinopticaltimedomainanalysis，botda）实现光纤温度或应变定位的分布式光纤传感装置及方法。该发明结合光纤布里渊散射的温度和应变效应，可实现对温度或应变精确定位的超长距离测量。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置，：包括超连续谱光源、第一可调谐光滤波器、1×2第一光纤耦合器、第一偏振控制器、微波信号源、第一高速电光调制器、第一光放大器、光扰偏器、光隔离器、传感光纤、第二偏振控制器、第二高速电光调制器、脉冲发生器、1×2第二光纤耦合器、第二光放大器、光环行器、第三光放大器、1×2第三光纤耦合器、第二可调谐光滤波器、第三可调谐光滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡、计算机。

其中，超连续谱光源的出射端与第一可调谐光滤波器的入射端连接；第一可调谐光滤波的出射端通过单模光纤跳线与1×2第一光纤耦合器的入射端连接；

1×2第一光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器的入射端相连接，第一偏振控制器的出射端与第一高速电光调制器的入射端连接；第一高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器的入射端连接；微波信号源的信号输出端通过高频同轴电缆与第一高速电光调制器的射频输入端连接；第一光放大器的入射端通过单模光纤跳线与光扰偏器入射端连接；光扰偏器的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与传感光纤的入射端连接；传感光纤的出射端通过单模光纤跳线与光环行器的反射端连接；

1×2第一光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器的入射端连接；第二偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器的入射端连接；第二高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器的入射端连接；脉冲发生器的信号输出端通过高频同轴电缆与第二高速电光调制器的射频输入端连接；

1×2第二光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器的入射端连接；第二光放大器的出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；光环行器的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器的入射端连接；第三光放大器的出射端与1×2第三光纤耦合器入射端连接；

1×2第三光纤耦合器第一个出射端与第二可调谐光滤波器的入射端连接；第二可调谐光滤波器出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器的入射端连接；第二光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡第一信号输入端连接；

1×2第三光纤耦合器第二个出射端与第三可调谐光滤波器的入射端连接；第三可调谐光滤波器出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器的入射端连接；第三光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡第二信号输入端连接；

1×2第二光纤耦合器的第二个出射端通过一根单模光纤跳线与第一光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡第三信号输入端连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接。

一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感方法，该方法是采用如下步骤实现：

超连续谱光源发出的激光信号通过第一可调谐光滤波器选择合适带宽的光谱，然后第一可调谐光滤波器经1×2第一光纤耦合器分为两路：第一路超连续谱光信号作为探测光信号，第二路超连续谱光信号作为泵浦光信号；探测光信号首先经过第一偏振控制器选择合适的光偏振态，激光经过高速电光调制器，并被微波信号源输出的正弦信号调制，使得探测光边带信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经第一光放大器、光扰偏器、光隔离器进行放大、扰偏、隔离后进入传感光纤；泵浦光信号先经过第二偏振控制器选择合适的光偏振态，光信号再经过高速电光调制器，并被脉冲发生器输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器、第二光放大器、光环行器分束、放大、环行后进入传感光纤；

经脉冲调制后的泵浦光被1×2第二光纤耦合器分束后，一束作为泵浦光进入传感光纤，正如步骤1所述，另一束作为参考光经第一光电探测器转换为电信号，再经数据采集卡采集后，输入到计算机中；

探测光边带信号和被脉冲调制的泵浦光信号在传感光纤中的某一位置处相遇，通过调节探测光边带信号的频率，使探测光频率偏移接近布里渊频移，当光纤发生受激布里渊散射时，探测光边带信号就会被放大；当频率正好等于布里渊频移量时，探测光功率幅值信号最大；光纤发生受激布里渊散射时，泵浦光还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光从光环行器的出射端输出后,通过再次通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号之间的相关函数及傅里叶变换，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号；在泵浦光、放大探测光边带信号从光环行器的出射端输出后，再经第三光放大器放大信号、进入1×2第三光纤耦合器分成两路，一路经第二可调谐光滤波器滤出后向的瑞利散射光信号；经第二可调谐光滤波器滤出的后向瑞利散射泵浦光再次由第二光电探测器转换为电信号输入到数据采集卡中，另一路经第三可调谐光滤波器滤出的探测光边带信号由第三光电探测器转换为电信号输入到数据采集卡中；将采集到的数据输入到计算机中，通过计算探测光边带信号与参考信号，获得传感光纤上不同位置的应变和温度信息；并且通过计算探测光边带信号的频率与调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，获得传感光纤上不同位置的应变和温度信息。

与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置及方法的具有如下优点：

一、与现有技术相比，本发明采用超连续谱激光作为探测信号，其具有超宽带光谱，通过对信号光与本地参考光的相关运算处理获得信号的位置；有效地提高了传感器的可靠性和稳定性，空间分辨率可调，而且可达毫米级。

二、本发明可突破传统光源输出功率不足引起的传感距离受限问题，传统光源必须使用edfa光放大器来放大光源功率，而这种装置极易引入ase噪声，导致信噪比下降，给系统增加一定的不确定因素；而超连续谱光源本身具有输出功率很大，可有效解决现有布里渊光时域系统的分布式光纤传感技术中测量超长距离的问题。

三、本发明系统为超连续谱布里渊光时域分析器，系统的信噪比主要是由探测脉冲光和连续泵浦光功率决定；光纤在不发生受激布里渊散射的前提下，两路的功率越大，信噪比越好。信噪比是botda的重要参数，它决定了系统的动态范围和测量精度。另外增加平均的测量次数也在一定程度上提高系统信噪比，但这是在一定的平均次数，超过一定次数信噪比就基本没有提升的空间，还有系统测量次数越多，耗费的时间就越多，故超连续谱在提升系统信噪比在上述两个方面都会具有一定的优势。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图中，1-超连续谱光源、2-第一可调谐光滤波器、3-1×2第一光纤耦合器、4-第一偏振控制器、5-微波信号源、6-第一高速电光调制器、7-第一光放大器、8-光扰偏器、9-光隔离器、10-传感光纤、11-第二偏振控制器、12-第二高速电光调制器、13-脉冲发生器、14-1×2第二光纤耦合器、15-第二光放大器、16-光环行器、17-第三光放大器、18-1×2第三光纤耦合器、19-第二可调谐光滤波器、20-第三可调谐光滤波器、21-第一光电探测器、22-第二光电探测器、23-第三光电探测器、24-数据采集卡、25-计算机。

具体实施方式

一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置，包括超连续谱光源1、第一可调谐光滤波器2、1×2第一光纤耦合器3、第一偏振控制器4、微波信号源5、第一高速电光调制器6、第一光放大器7、光扰偏器8、光隔离器9、传感光纤10、第二偏振控制器11、第二高速电光调制器12、脉冲发生器13、1×2第二光纤耦合器14、第二光放大器15、光环行器16、第三光放大器17、1×2第三光纤耦合器18、第二可调谐光滤波器19、第三可调谐光滤波器20、第一光电探测器21、第二光电探测器22、第三光电探测器23、数据采集卡24、计算机25。

其中，超连续谱光源1的出射端与第一可调谐光滤波器2的入射端连接；第一可调谐光滤波器2的出射端通过单模光纤跳线与1×2第一光纤耦合器3的入射端连接；

1×2第一光纤耦合器3的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器4的入射端相连接，第一偏振控制器4的出射端与第一高速电光调制器6的入射端连接；第一高速电光调制器6的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器7的入射端连接；微波信号源5的信号输出端通过高频同轴电缆与第一高速电光调制器6的射频输入端连接；第一光放大器7的入射端通过单模光纤跳线与光扰偏器8入射端连接；光扰偏器8的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器9的入射端连接；光隔离器9的出射端通过单模光纤跳线与传感光纤10的入射端连接；传感光纤10的出射端通过单模光纤跳线与光环行器16的反射端连接；

1×2第一光纤耦合器3的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器11的入射端连接；第二偏振控制器11的出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器12的入射端连接；第二高速电光调制器12的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器14的入射端连接；脉冲发生器13的信号输出端通过高频同轴电缆与第二高速电光调制器12的射频输入端连接；

1×2第二光纤耦合器14的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器15的入射端连接；第二光放大器15的出射端通过单模光纤跳线与光环行器16的入射端连接；光环行器16的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器17的入射端连接；第三光放大器17的出射端与1×2第三光纤耦合器18入射端连接；

1×2第三光纤耦合器18第一个出射端与第二可调谐光滤波器19的入射端连接；第二可调谐光滤波器19出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器22的入射端连接；第二光电探测器22的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡24第一信号输入端连接；

1×2第三光纤耦合器18第二个出射端与第三可调谐光滤波器20的入射端连接；第三可调谐光滤波器20出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器23的入射端连接；第三光电探测器23的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡24第二信号输入端连接；

1×2第二光纤耦合器14的第二个出射端通过一根单模光纤跳线与第一光电探测器21的入射端连接；第一光电探测器21的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡24第三信号输入端连接；数据采集卡24的信号输出端与计算机25的信号输入端连接。

一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感方法，采用如下步骤实现：

超连续谱光源1发出的激光信号通过第一可调谐光滤波器2选择合适带宽的光谱，然后第一可调谐光滤波器2经1×2第一光纤耦合器3分为两路：第一路超连续谱光信号作为探测光信号，第二路超连续谱光信号作为泵浦光信号；探测光信号首先经过第一偏振控制器4选择合适的光偏振态，激光经过高速电光调制器6，并被微波信号源5输出的正弦信号调制，使得探测光边带信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经第一光放大器7、光扰偏器8、光隔离器9进行放大、扰偏、隔离后进入传感光纤10；泵浦光信号先经过第二偏振控制器11选择合适的光偏振态，光信号再经过高速电光调制器12，并被脉冲发生器13输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器14、第二光放大器15、光环行器16分束、放大、环行后进入传感光纤10；

经脉冲调制后的泵浦光被1×2第二光纤耦合器14分束后，一束作为泵浦光进入传感光纤10，正如步骤1所述，另一束作为参考光经第一光电探测器21转换为电信号，再经数据采集卡24采集后，输入到计算机25中；

探测光边带信号和被脉冲调制的泵浦光信号在传感光纤10中的某一位置处相遇，通过调节探测光边带信号的频率，使探测光频率偏移接近布里渊频移，当光纤发生受激布里渊散射时，探测光边带信号就会被放大；当频率正好等于布里渊频移量时，探测光功率幅值信号最大；光纤发生受激布里渊散射时，泵浦光还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光从光环行器16的出射端输出后,通过再次通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号之间的相关函数及傅里叶变换，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号；在泵浦光、放大探测光边带信号从光环行器16的出射端输出后，再经第三光放大器17放大信号、进入1×2第三光纤耦合器18分成两路，一路经第二可调谐光滤波器19滤出后向的瑞利散射光信号；经第二可调谐光滤波器19滤出的后向瑞利散射泵浦光再次由第二光电探测器22转换为电信号输入到数据采集卡24中，另一路经第三可调谐光滤波器20滤出的探测光边带信号由第三光电探测器23转换为电信号输入到数据采集卡24中；将采集到的数据输入到计算机25中，通过计算探测光边带信号与参考信号，获得传感光纤10上不同位置的应变和温度信息；并且通过计算探测光边带信号的频率与调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，获得传感光纤10上不同位置的应变和温度信息。

具体实施时，光源由1455nm准连续波拉曼光纤激光器和16km真波光纤组成超连续谱光源1，该真波光纤在1440nm处具有零色散波长，色散斜率为0.045ps/nm²/km。该泵浦光在真波光纤的反常色散状态下，通过调制不稳定性，受激拉曼散射和四波混频的结合，可以实现调制不稳定性和超连续谱光源的产生。当泵浦功率达到0.95w时，会产生扩展到1550nm区域的光谱分量。当泵功率增加到1.48w时，产生的频谱带宽最大，即在10db范围内141nm，光谱带宽可达29.328thz；因为光谱宽度可调谐，根据公式lc=c/（πnδf），lc为激光信号的相干长度，相干长度与光谱宽度有关，而且空间分辨率又等于激光信号的相干长度。其中c=3x10⁸m/s为光速，n=1.5为光纤折射率，δf为光谱的谱宽。经过第二可调谐光滤波器2滤波输出带宽为63.7ghz的激光时，空间分辨率可达1mm。超连续谱光源通过第一可调谐光滤波器2选择中心波长为1550nm。1×2第一光纤耦合器3、1×2第二光纤耦合器14的耦合比为50:50。第一高速电光调制器6、第二高速电光调制器12采用ln81s-fc型强度调制器。微波信号源5采用model-snp1012-520-01型微波信号源。脉冲发生器13采用hp8015a型脉冲信号发生器。第一光放大器7、第二光放大器15、第三光放大器17采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。第二可调谐光滤波器18采用xtm-50型波长和带宽可调谐光滤波器。传感光纤采用g.652系列单模光纤或g.655单模光纤，其长度为300km。

相比较传统的布里渊光时域分析技术,本发明可以增强botda的动态范围,增大光纤的测量距离和提高系统空间分辨率；而且本装置采用相向检测光信号，解决传统botda单路信号，随着光纤距离的增加，功率会逐渐被损耗，探测距离受限的问题；本发明采用超连续谱光源，具有相对于可调谐激光器更宽的光谱范围。可以配合光滤波器产生波长可调和空间分辨率可变的可调谐激光。本发明采用超连续谱光源作为泵浦光源也解决了窄带激光器有限的测量距离，增强了系统的稳定性。