一种布里渊光时域分析传感装置及非本地效应补偿方法与流程

本发明涉及分布式光纤传感技术，具体涉及一种布里渊光时域分析传感装置及非本地效应补偿方法。

背景技术：

在过去三十年中，随着油气管道、地铁(高铁)、大型建筑物等的高速发展，其安全越来越受到人们的重视。分布式光纤传感技术，可以使用普通通信光缆作为传感介质，传感距离远和传感节点多等优点而广泛应用在基础建设安全检测中。布里渊光时域分析技术是分布式光纤传感技术重要组成部分。其目前主要应用于油气管道，桥梁结构健康监测等领域。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(该参数与光纤温度应力呈线性关系)。布里渊光时域分析系统的整体性能和布里渊增益的信噪比直接相关。信噪比又与输入系统的连续探测光的功率直接成正比。为了缓解非本地效应，传统单边带增益配置系统中连续光的功率被限制在-13dbm。目前的克服非本地效应技术主要有以下几类：1、对称双边带探测光，将探测光功率提升到大约-6dbm；2、对称双边带探测光-扫描脉冲光，将探测光功率提升到+5dbm；3、光源波长扫描，将探测光提升到大约-6.3dbm；4、探测光频率调制，将探测光功率提升到大约-6dbm；5、平均布里渊增益谱和衰减谱，将探测光提升到0dbm；6、利用反射瑞利信号，可以将探测光提升到大约+2dbm；其中方法1结构简单，但是只能将探测光功率提升到-6dbm；方法2～6拥有很复杂结构配置，方法6补偿信号信噪比很低。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题提供一种简单、高性能的补偿非本地效应的布里渊光时域分析传感装置及非本地效应补偿方法。

本发明采用的技术方案是：

一种布里渊光时域分析传感装置，包括用于产生连续探测光的上支路和用于产生脉冲光的下支路；可调谐激光器输出的连续光经耦合器后分为上支路和下支路；上支路中连续光依次经过偏振控制器、强度调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光环形器后进入传感光纤；下支路中连续光经过声光调制器实现光脉冲调制，然后依次经过第二掺铒光纤放大器、扰偏器、第二光环形器后进入传感光纤；强度调制器通过微波源驱动，声光调制器通过脉冲发生器驱动；在传感光线中经受激布里渊作用后探测光经第二光环形器的三号端口进入第三光环形器、然后进入第一光电探测器后经数据采集卡送入上位机；在传感光线中经受激布里渊作用后脉冲光经第一光环形器三号端口进入可调衰减器、然后经第二光电探测器后经数据采集卡送入上位机。

进一步的，所述第三光环形器连接光滤波器。

进一步的，所述光滤波器滤波窗口与强度调制器所产生双边带中的上边带对应。

进一步的，所述第一光电探测器带宽大于最低采样率；第二光电探测器带宽大于脉冲上升或下降沿对应频率的两倍。

一种布里渊光时域分析传感装置的非本地效应补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：经受激布里渊作用后探测光和脉冲光表示如式(1)和(3)，没有布里渊作用的探测光和脉冲光表示如式(2)和(4)：

pso(v,z)＝pise^-α(l-z)e^-αz(2)

pp(v,z)＝pipe^-αz(1-d(v,z))(3)

ppo(v,z)＝pipe^-αz(4)

式中：ps(v,z)为有能量转移探测光的功率，pso(v,z)为没有能量转移的探测光的功率；pp(v,z)为有能量转移的脉冲光的功率，ppo(v,z)为没有能量转移的脉冲光的功率；v为探测光和脉冲光的频率之差，z为探测光和脉冲光相互作用的位置，δz为探测光和脉冲光相互作用位置的长度；l为传感光线总长度，α为光线损耗系数，pis为探测光输入传感光纤的功率，pip为脉冲光输入传感光纤的功率，gb(v,z)为布里渊的线性增益，aeff为光传感模式的非线性有效面积；d(v,z)为由于受激布里渊散射效应从0到z位置能量转移导致的脉冲消耗；

步骤2：探测光在z1位置获得的功率如下：

步骤3：假设脉冲光在z1位置给予探测光能量，则该能量会被脉冲光携带到z位置处，同时也会因为传播z-z1距离而损失能量；进一步假设脉冲光没有在0到z位置给予探测光能量，则这些能量即脉冲消耗的能量ed(v,z)：

即：

ed(v,z)＝(ppo(v,z)-pp(v,z))δz＝d(v,z)pipδze^-αz(7)

步骤4：根据式(6)和(7)即可得到下式：

即：

式中：ps(v,z)、pso(v,z)和z根据第一光电探测器(14)得到，k为第二光电探测器测量得到的脉冲光在光纤尾端消耗系数；

步骤5：有能量转移和没有能量转移时脉冲在光纤尾端处的功率如下：

pp(v,z＝l)＝lsspipe^-αl(1-d(v,z＝l))(10)

ppo(v,z＝l)＝lsspipe^-αl(11)

式中：lss为固定损耗系数；pp(v,z＝l)为有能量转移时脉冲在光纤尾端处的功率，ppo(v,z＝l)为没有能量转移时脉冲在光纤尾端处的功率；

步骤6：根据式(10)和(11)求解得到d(v,z＝l)：

步骤7：将式(12)代入式(9)求解得到d(v,z)：

步骤8：根据上式即可得到原始布里渊增益gaino(v,z)和补偿后布里渊增益gainc(v,z)：

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构简单，补偿性能好；

(2)本发明补偿信号质量高，可有效保证补偿后的精度，测量结果精度高；

(3)本发明性能提高明显，在避免布里渊误差情况下，可将探测光从-13dbm提高到+2dbm。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明原理结构示意图。

图3为本发明实施例中脉冲光在光纤尾端测量结果示意图。

图4为实施例中d(v,z)分布图。

图5为没有补偿和通过本发明方法补偿后的布里渊增益对比示意图；a为脉冲消耗图，b为原始布里渊增益谱，c为通过本发明方法补偿后布里渊增益谱。

图6为45℃热点测试结果对比图，a为原始布里渊频移结果图，b为补偿后的布里渊频移结果图。

图中：1-可调谐激光器，2-耦合器，3-偏振控制器，4-强度调制器，5-第一掺铒光纤放大器，6-第一光环形器，7-传感光纤，8-第二光环形器，9-扰偏器，10-声光调制器，11-第二掺铒光纤放大器，12-光滤波器，13-第三光环形器，14-第一光电探测器，15-数据采集卡，16-上位机，17-第二光电探测器，18-可调衰减器。

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说明。

如图1一种布里渊光时域分析传感装置，可调谐激光器1输出的连续光经耦合器2后分为上下两路；上支路中连续光依次经过偏振控制器3调节光偏振态后、通过由微波源驱动的强度调制器4实现载波抑制双边带调制、通过第一掺铒光纤放大器5提高光功率、第一光环形器6后进入传感光纤7中作为探测光。

下支路中连续光经过由脉冲发生器驱动的声光调制器10实现光脉冲调制，然后依次经过第二掺铒光纤放大器11放大、然后经扰偏器9扰乱脉冲光的偏振态、经第二光环形器8注入到传感光纤7中作为脉冲光预探测光相互作用。

在传感光纤7中经过受激布里渊作用后的探测光经第二光环形器8的三号端口进入第三光环形器13，经光滤波器12滤除光的上边带、然后进入第一光电探测器14进行光电转换后经数据采集卡15送入上位机16进行数据处理。

在传感光线7中经受激布里渊作用后脉冲光经第一光环形器6三号端口进入可调衰减器18调节光强度、然后经第二光电探测器17进行光电转换后经数据采集卡15送入上位机20进行数据处理。

光滤波器12滤波窗口与强度调制器4所产生双边带中的上边带对应。第一光电探测器14带宽大于最低采样率(最低采样率100mhz对应着光纤空间分辨率1m对应脉冲光宽度10ns)；第二光电探测器17带宽大于脉冲上升或下降沿对应频率的两倍(上升沿10ns对应着频率是200mhz)。

本发明上支路的强度调制器4的驱动频率为扫频频率fs，其扫频范围需要覆盖传感光纤的布里渊增益区间；下支路的声光调制器10不仅产生脉冲光还引入了光频移，该频移让探测光的下边带避开传感光纤的布里渊损耗区。采用连续光信号描绘出脉冲消耗在光纤分布情况，并利用光纤尾端的脉冲来辅助计算出脉冲消耗系数。

一种布里渊光时域分析传感装置的非本地效应补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：经受激布里渊作用后探测光和脉冲光表示如式(1)和(3)，没有布里渊作用的探测光和脉冲光表示如式(2)和(4)：

pso(v,z)＝pise^-α(l-z)e^-αz(2)

pp(v,z)＝pipe^-αz(1-d(v,z))(3)

ppo(v,z)＝pipe^-αz(4)

式中：ps(v,z)为有能量转移探测光的功率，pso(v,z)为没有能量转移的探测光的功率；pp(v,z)为有能量转移的脉冲光的功率，ppo(v,z)为没有能量转移的脉冲光的功率；v为探测光和脉冲光的频率之差，z为探测光和脉冲光相互作用的位置，δz为探测光和脉冲光相互作用位置的长度；l为传感光线7总长度，α为光线损耗系数，pis为探测光输入传感光纤7的功率，pip为脉冲光输入传感光纤7的功率，gb(v,z)为布里渊的线性增益，aeff为光传感模式的非线性有效面积；d(v,z)为由于受激布里渊散射效应从0到z位置能量转移导致的脉冲消耗；

步骤2：探测光在z1位置获得的功率如下：

步骤3：假设脉冲光在z1位置给予探测光能量，则该能量会被脉冲光携带到z位置处，同时也会因为传播z-z1距离而损失能量；进一步假设脉冲光没有在0到z位置给予探测光能量，则这些能量即脉冲消耗的能量ed(v,z)：

即：

ed(v,z)＝(ppo(v,z)-pp(v,z))δz＝d(v,z)pipδze^-αz(7)

步骤4：根据式(6)和(7)即可得到下式：

即：

式中：ps(v,z)、pso(v,z)和z根据第一光电探测器14得到，k为第二光电探测器17测量得到的脉冲光在光纤尾端消耗系数；z＝ct/2，c为光在光纤传播速度，等式(9)中待确定的参数只有k，光纤损耗系数为α^-1＝22×10³m。

步骤5：有能量转移和没有能量转移时脉冲在光纤尾端处的功率如下：

pp(v,z＝l)＝lsspipe^-αl(1-d(v,z＝l))(10)

ppo(v,z＝l)＝lsspipe^-αl(11)

式中：lss为第一光环形器6和可调衰减器18引入的固定损耗系数；pp(v,z＝l)为有能量转移时脉冲在光纤尾端处的功率，ppo(v,z＝l)为没有能量转移时脉冲在光纤尾端处的功率；

步骤6：根据式(10)和(11)求解得到d(v,z＝l)：

步骤7：将式(12)代入式(9)求解得到d(v,z)：

步骤8：根据上式即可得到原始布里渊增益gaino(v,z)和补偿后布里渊增益gainc(v,z)：

从上式中可以看出脉冲损耗带来的非本地效应可以被消除了。

实施时，通过微波源扫描频率，频率范围需要覆盖光纤布里渊频移。图3和图4为采用本发明装置测试结果图，采用39.1km光纤进行测试。图3为脉冲光在光纤尾端测量结果图，图4为d(v，z)分布图。还展示出近端6km处和光纤末端39.105km处的脉冲消耗图。从图中可以看出d(v，z)信噪比很高，从而确保补偿后测量精度。

图5为本发明布里渊增益图和没有补偿的布里渊增益对比图；在探测光为+2dbm条件下；a为脉冲消耗图，b为原始布里渊增益谱，c为补偿后布里渊增益谱。对比b和c图可以看出没有补偿前的增益谱线宽和布里渊频移不一致，而补偿后线宽和布里渊频移高度一致。

图6为45℃热点测试结果对比图，a为原始布里渊频移结果图，b为补偿后的布里渊频移结果图。从图中可以看出热点处原始布里渊频移不一致，补偿后的布里渊频移基本上保持一致。

本发明采用连续探测光描绘出脉冲消耗在光纤中的分布情况，利用脉冲消耗值补偿非本地效应从而提升整个系统性能和准确度。系统结构简单，只需要最基础布里渊分析系统配置，在避免布里渊误差情况下，有效将探测光从-13dbm提高到+2dbm，从而提升传感系统的性能；并且可提高质量补偿信号，从而保证补偿后的精度。