长距离、宽测量范围的快速解调装置与方法与流程

1.本发明的实施方式涉及光纤传感领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种长距离、宽测量范围的快速解调装置与方法。


背景技术：

2.布里渊光时域分析技术(brillouin optical time
‑
domain analysis，简称botda)可实现长距离、分布式的温度和应变测量，具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、安全可靠等诸多优势，已在电力电缆、油气管线、基础设施健康监测、火灾监测等领域取得广泛应用。
3.布里渊光时域分析技术基于受激布里渊散射原理，利用光纤中的布里渊散射光频移量与光纤轴向应变和环境温度之间的线性关系实现传感。
4.传统botda测量温度的方法是通过扫频构建布里渊谱，并对布里渊谱拟合得到布里渊频移，根据布里渊频移与温度的线性关系解调光纤沿线的温度。一次测量时间包括频率扫描时间和数据处理时间。其中影响扫描时间的因素有采集卡触发频率、平均次数、脉冲切换时间、频率扫描个数等，影响数据处理时间的因素包括布里渊谱拟合时间和需要拟合的布里渊个数(与测量长度和空间分辨率相关)，受限于硬件及软件的处理速度，在长距离监测时传统的解调方法速度较慢，同时由于内存空间所限，无法实现宽温度范围的温度解调。


技术实现要素：

5.在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种长距离、宽测量范围的快速解调装置与方法，以解决现有botda系统在长距离、大范围温度测量时解调速度慢的问题。
6.在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种长距离、宽测量范围的快速解调装置，包括：激光器、第一光纤耦合器、第一电光调制器im1、第二光纤耦合器、延迟光纤、第三光纤耦合器、掺饵光纤放大器edfa、脉冲模块、第二电光调制器im2、光隔离器、微波源模块、第一环形器r1、第二环形器r2、光纤光栅滤波器、光电探测器、采集卡和待测单模光纤。
7.进一步地，所述激光器发出的激光进入第一光纤耦合器的输入端，经50:50光纤耦合器后分为两束功率相同的激光；一束激光由第一电光调制器调制为泵浦光，所述第一电光调制器由脉冲模块产生10ns和10.5ns两个相邻的电脉冲驱动，该泵浦光经第二光纤耦合器分成两束相同的泵浦光，一束泵浦光直接进入第三光纤耦合器，另一束泵浦光经过垂直熔接光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入第三光纤耦合器，两束泵浦光经过第三耦合器合束后，再经掺铒光纤放大器放大，通过第一环形器进入待测单模光纤；另一束激光经由微波源模块输出的微波信号驱动的第二电光调制器调制为探测光，经过隔离器后，从光纤另一端进入待测单模光纤；光纤中受激布里渊散射信号经由第一环形器和第二环形器进入光纤光栅滤波器，滤出下边带进入光电探测器，产生的电信号由采集卡采集；采集卡采集的数据中包含一个频率下两种偏振态，截取两段偏振态的数据并累加，得到一个频率的
时域波形数据；将时域波形数据按频率构建布里渊谱，将布里渊增益谱输入训练好的ann网络模块，得到最终温度数据。
8.进一步地，所述脉冲模块有两路输出，所述两路输出中的一路为用于驱动第一电光调制器的电脉冲信号，输出10ns与10.5ns的两个宽度相近的电脉冲，并经过第一电光调制器调制出脉冲宽度为10ns和10.5ns的两个光脉冲，利用dpp技术等效实现0.5ns光脉冲。
9.进一步地，所述两路输出中的另一路为触发采集卡采集数据的触发信号。
10.进一步地，所述ann网络模块通过如下方式训练：利用botda测试不同温度情况下的布里渊增益谱，将布里渊增益谱作为ann的输入层，温度作为输出层，训练神经网络，建立布里渊增益谱与温度的关系。
11.在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种长距离、宽测量范围的快速解调方法，基于上述装置实现，该方法包括：激光器发出的激光进入第一光纤耦合器的输入端，经50:50光纤耦合器后分为两束功率相同的激光；一束激光由第一电光调制器调制为泵浦光，所述的第一电光调制器由脉冲模块产生10ns和10.5ns两个相邻的电脉冲驱动，该泵浦光经第二光纤耦合器(50:50)分成两束相同的泵浦光，一束泵浦光直接进入第三光纤耦合器(50:50)，另一束泵浦光经过垂直熔接光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入第三光纤耦合器(50:50)，两束泵浦光经过第三耦合器合束后，再经掺铒光纤放大器放大，通过第一环形器进入待测单模光纤；另一束激光经由微波源模块输出的微波信号驱动的第二电光调制器调制为探测光，经过隔离器后，从光纤另一端进入待测单模光纤；光纤中受激布里渊散射信号经由第一环形器和第二环形器进入光纤光栅滤波器，滤出下边带进入光电探测器，产生的电信号由采集卡采集；采集卡采集的数据中包含一个频率下两种偏振态，需要截取两段偏振态的数据并累加，得到一个频率的时域波形数据；将时域波形数据按频率构建布里渊谱，将布里渊增益谱输入训练好的ann网络，得到最终温度数据。
12.进一步地，所述脉冲模块有两路输出，所述两路输出中的一路为用于驱动第一电光调制器的电脉冲信号，输出10ns与10.5ns的两个宽度相近的电脉冲，并经过第一电光调制器调制出脉冲宽度为10ns和10.5ns的两个光脉冲，利用dpp技术等效实现0.5ns光脉冲。
13.进一步地，所述两路输出中的另一路为触发采集卡采集数据的触发信号。
14.进一步地，所述ann网络模块通过如下方式训练：利用botda测试不同温度情况下的布里渊增益谱，将布里渊增益谱作为ann的输入层，温度作为输出层，训练神经网络，建立布里渊增益谱与温度的关系。
15.有益效果：
16.本发明使用差分脉冲对(differential pulse pair，dpp)方案实现厘米级空间分辨率温度测量，同时满足长距离、宽温度范围测量要求，最大温度测量范围超过800℃。使用偏振分离探测技术，减少了脉冲切换的时间，同时省去偏振切换，触发频率从10khz提升至100khz，配合ann算法实现大于1hz的快速温度解调。
17.本发明的装置与方法基于偏振分离探测与ann实现了长距离、宽温度范围的快速解调，其主要分为硬件和软件方法，硬件方法通过偏振分离探测技术实现快速测温，软件方法利用人工神经网络(artificial neural network，简称ann)实现温度解调。普通botda触发频率受限于偏振切换速度，一般小于10khz，基于偏振分离技术的方法同时产生两个偏振态的脉冲光，替代了偏振切换，触发频率可以提升至100khz。同时，采用差分脉冲对布里渊
光时域分析技术(differential pulse
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width pair brillouin optical time
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domain analysis，简记为dpp
‑
botda)提升空间分辨率也需要两个脉冲宽度不同的光脉冲进行差分，偏振分离探测技术一次产生两个宽度不同的光脉冲，代替两个脉冲的切换，在测量时省去脉冲切换的时间，进一步提高测量速度。
18.在一个频率测量时间固定的情况下，频率扫描个数越少测量速度越快，频率扫描范围除以步长得到频率扫描的个数，因此降低频率扫描范围或增加步长提升测量速度。但频率扫描范围会影响温度测量范围，步长会影响温度测量精度，因此长距离、宽温度范围的快速解调方法需要研究对步长敏感度小的温度解调算法来降低硬件系统的采集时间。
19.传统的botda通过拟合布里渊谱得到布里渊频移并转换为温度，温度解调精度与布里渊谱的信噪比和步长相关，因此需要增加平均次数与降低扫描步长来获得更高精度的温度，因此传统的拟合算法在长距离、宽温度范围的快速解调时具有一定的局限性，无法同时保证速度与精度。基于ann方法的温度解调方法较拟合算法速度提升约10倍，尤其在大扫描步长时能够获得更好的解调精度，可以实现长距离、宽温度范围的快速解调。
附图说明
20.本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。其中：
21.图1是本发明的一种实施方式的整体结构示意图；
22.图2是偏振分离探测示意图；
23.图3是基于ann的温度解调算法示意图。
24.图中：1
‑
激光器、2
‑
第一光纤耦合器、3
‑
第一电光调制器im1、4
‑
第二光纤耦合器、5
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延迟光纤、6
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第三光纤耦合器、7
‑
掺饵光纤放大器edfa、8
‑
脉冲模块、9
‑
第二电光调制器im2、10
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光隔离器、11
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微波源模块、12
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第一环形器r1、13
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第二环形器r2、14
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光纤光栅滤波器、15
‑
光电探测器、16
‑
采集卡和17
‑
待测单模光纤。
25.本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
26.在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
27.在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明
关系不大的其他细节。
28.下面，分别描述本发明的一些实施例。
29.示例性装置1
30.本发明的实施例提供了一种长距离、宽测量范围的快速解调装置，包括：激光器、第一光纤耦合器、第一电光调制器im1、第二光纤耦合器、延迟光纤、第三光纤耦合器、掺饵光纤放大器edfa、脉冲模块、第二电光调制器im2、光隔离器、微波源模块、第一环形器r1、第二环形器r2、光纤光栅滤波器、光电探测器、采集卡和待测单模光纤；激光器发出的激光进入第一光纤耦合器的输入端，经50:50光纤耦合器后分为两束功率相同的激光；一束激光由第一电光调制器调制为泵浦光，所述的第一电光调制器由脉冲模块产生10ns和10.5ns两个相邻的电脉冲驱动，该泵浦光经第二光纤耦合器(50:50)分成两束相同的泵浦光，一束泵浦光直接进入第三光纤耦合器(50:50)，另一束泵浦光经过垂直熔接光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入第三光纤耦合器(50:50)，两束泵浦光经过第三耦合器合束后，再经掺铒光纤放大器放大，通过第一环形器进入待测单模光纤；另一束激光经由微波源模块输出的微波信号驱动的第二电光调制器调制为探测光，经过隔离器后，从光纤另一端进入待测单模光纤；光纤中受激布里渊散射信号经由第一环形器和第二环形器进入光纤光栅滤波器，滤出下边带进入光电探测器，产生的电信号由采集卡采集；采集卡采集的数据中包含一个频率下两种偏振态，需要截取两段偏振态的数据并累加，得到一个频率的时域波形数据；将时域波形数据按频率构建布里渊谱，将布里渊增益谱输入训练好的ann网络，得到最终温度数据。
31.如图1所示，快速解调装置包括：1
‑
激光器、2
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第一光纤耦合器、3
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第一电光调制器im1、4
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第二光纤耦合器、5
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延迟光纤、6
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第三光纤耦合器、7
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掺饵光纤放大器edfa、8
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脉冲模块、9
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第二电光调制器im2、10
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光隔离器、11
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微波源模块、12
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第一光纤环形器r1、13
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第二环形器r2、14
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光纤光栅滤波器、15
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光电探测器、16
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采集卡和17
‑
待测单模光纤。
32.激光器发出的激光进入光纤耦合器的输入端，经50:50光纤耦合器后分为两束功率相同的激光，分别用于调制泵浦光和探测光。
33.一束激光经由脉冲模块驱动的第一电光调制器调制为两个脉冲宽度分别为10ns和10.5ns的泵浦光，经由第二光纤耦合器(50:50)分成两束相同的泵浦光，一束泵浦光直接进入第三光纤耦合器(50:50)，另一束泵浦光经过垂直熔接光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入第三光纤耦合器(50:50)，两束泵浦光经过第三耦合器合束后，再经掺铒光纤放大器放大，通过第一环形器进入待测单模光纤。
34.另一束激光经由微波源模块输出的微波信号驱动的第二电光调制器调制为探测光，经过隔离器后，从光纤另一端进入待测单模光纤。
35.两束光在光纤中发生受激布里渊散射，形成的布里渊散射信号中包含上下两个边带，此处利用下边带进行温度传感，布里渊散射信号通过第一环形器和第二环形器进入光纤光栅滤波器滤出下边带，进入光电探测器形成电信号，利用采集卡采集电信号。
36.采集卡采集的数据中包含一个频率下的两个偏振态，采集后的信号需要截取两段偏振态的数据进行累加，从而得到一个频率的时域波形数据，按照频率构建布里渊增益谱，将各空间位置点的布里渊谱输入训练好的ann网络，得到各点的温度数据。
37.作为示例，脉冲模块可以有两路输出，第一路为用于驱动第一电光调制器的电脉
冲信号，输出10ns与10.5ns的两个宽度相近的电脉冲，并经过第一电光调制器调制出脉冲宽度为10ns和10.5ns的两个光脉冲，利用dpp技术等效实现0.5ns光脉冲(对应空间分辨率5cm)，第二路为触发采集卡采集数据的触发信号。使用偏振分离探测技术产生两组偏振态正交的光脉冲，其原理如图2所示，光脉冲经过第二光纤耦合器分成两束相同的光脉冲，其中一束光脉冲直接进入到第三光纤耦合器，另一束光脉冲经过垂直熔接的光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入的第三光纤耦合器，与前一束光脉冲合束后输出。合束后的光脉冲包含两个正交偏振态，且通过延迟光纤将两组光脉冲分开，实现偏振态分离探测。传统方案使用扰偏器(ps)改变偏振态，受限于扰偏器性能，重复频率一般小于10khz，本方案使用偏振分离探测技术代替扰偏器，重复重复频率可由10khz提升至100khz，降低系统测量时间。
38.下面参考图3来描述基于ann进行温度解调的算法。
39.在该示例中，首先进行模型的训练，利用botda测试不同温度情况下的布里渊增益谱，将布里渊增益谱作为ann的输入层，温度作为输出层，训练神经网络，建立布里渊增益谱与温度的关系。在实际应用过程中，将测得光纤沿线各点的布里渊谱输入已经训练好的模型中，获取光纤沿线各点的温度值。基于ann的温度解调算法，针对每一个频谱的处理速度提高10倍，同时，该算法对步长的敏感度低，能够在大扫频步长时获得可观的测量精度，突破了长距离测量时受限于内存空间大小而无法实现宽温度范围测量的问题，实现了均衡测量时间、测量精度、宽温度范围的温度解调算法。
40.示例性方法1
41.本发明的实施例还提供了一种长距离、宽测量范围的快速解调方法，基于上述装置实现，该方法包括：激光器发出的激光进入第一光纤耦合器的输入端，经50:50光纤耦合器后分为两束功率相同的激光；一束激光由第一电光调制器调制为泵浦光，所述的第一电光调制器由脉冲模块产生10ns和10.5ns两个相邻的电脉冲驱动，该泵浦光经第二光纤耦合器(50:50)分成两束相同的泵浦光，一束泵浦光直接进入第三光纤耦合器(50:50)，另一束泵浦光经过垂直熔接光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入第三光纤耦合器(50:50)，两束泵浦光经过第三耦合器合束后，再经掺铒光纤放大器放大，通过第一环形器进入待测单模光纤；另一束激光经由微波源模块输出的微波信号驱动的第二电光调制器调制为探测光，经过隔离器后，从光纤另一端进入待测单模光纤；光纤中受激布里渊散射信号经由第一环形器和第二环形器进入光纤光栅滤波器，滤出下边带进入光电探测器，产生的电信号由采集卡采集；采集卡采集的数据中包含一个频率下两种偏振态，需要截取两段偏振态的数据并累加，得到一个频率的时域波形数据；将时域波形数据按频率构建布里渊谱，将布里渊增益谱输入训练好的ann网络，得到最终温度数据。
42.激光器发出的激光进入光纤耦合器的输入端，经50:50光纤耦合器后分为两束功率相同的激光，分别用于调制泵浦光和探测光。
43.一束激光经由脉冲模块驱动的第一电光调制器调制为两个脉冲宽度分别为10ns和10.5ns的泵浦光，经由第二光纤耦合器(50:50)分成两束相同的泵浦光，一束泵浦光直接进入第三光纤耦合器(50:50)，另一束泵浦光经过垂直熔接光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入第三光纤耦合器(50:50)，两束泵浦光经过第三耦合器合束后，再经掺铒光纤放大器放大，通过第一环形器进入待测单模光纤。
44.另一束激光经由微波源模块输出的微波信号驱动的第二电光调制器调制为探测光，经过隔离器后，从光纤另一端进入待测单模光纤。
45.两束光在光纤中发生受激布里渊散射，形成的布里渊散射信号中包含上下两个边带，此处利用下边带进行温度传感，布里渊散射信号通过第一环形器和第二环形器进入光纤光栅滤波器滤出下边带，进入光电探测器形成电信号，利用采集卡采集电信号。
46.采集卡采集的数据中包含一个频率下的两个偏振态，采集后的信号需要截取两段偏振态的数据进行累加，从而得到一个频率的时域波形数据，按照频率构建布里渊增益谱，将各空间位置点的布里渊谱输入训练好的ann网络，得到各点的温度数据。
47.优选地，脉冲模块有两路输出，第一路为用于驱动第一电光调制器的电脉冲信号，输出10ns与10.5ns的两个宽度相近的电脉冲，并经过第一电光调制器调制出脉冲宽度为10ns和10.5ns的两个光脉冲，利用dpp技术等效实现0.5ns光脉冲(对应空间分辨率5cm)，第二路为触发采集卡采集数据的触发信号。使用偏振分离探测技术产生两组偏振态正交的光脉冲，其原理如图2所示，光脉冲经过第二光纤耦合器分成两束相同的光脉冲，其中一束光脉冲直接进入到第三光纤耦合器，另一束光脉冲经过垂直熔接的光纤后偏振态偏转90
°
，再经过延迟光纤后进入的第三光纤耦合器，与前一束光脉冲合束后输出。合束后的光脉冲包含两个正交偏振态，且通过延迟光纤将两组光脉冲分开，实现偏振态分离探测。传统方案使用扰偏器(ps)改变偏振态，受限于扰偏器性能，重复频率一般小于10khz，本方案使用偏振分离探测技术代替扰偏器，重复重复频率可由10khz提升至100khz，降低系统测量时间。
48.在一个示例中，首先进行模型的训练，利用botda测试不同温度情况下的布里渊增益谱，将布里渊增益谱作为ann的输入层，温度作为输出层，训练神经网络，建立布里渊增益谱与温度的关系。在实际应用过程中，将测得光纤沿线各点的布里渊谱输入已经训练好的模型中，获取光纤沿线各点的温度值。基于ann的温度解调算法，针对每一个频谱的处理速度提高10倍，同时，该算法对步长的敏感度低，能够在大扫频步长时获得可观的测量精度，突破了长距离测量时受限于内存空间大小而无法实现宽温度范围测量的问题，实现了均衡测量时间、测量精度、宽温度范围的温度解调算法。