基于布里渊和瑞利散射的混沌BOTDR装置及方法

本发明属于分布式光纤传感系统领域，具体涉及一种基于布里渊和瑞利散射功率比探测的混沌botdr(布里渊时域反射)装置及方法，可以实现对分布式光纤传感系统中温度高空间分辨率测量。

背景技术：

1、分布式光纤温度传感系统利用光纤中的散射效应实现了空间温度场分布的实时连续测量。与传统温度检测方法相比，分布式温度传感系统具有抗电磁干扰、长距离大范围温度监测等优势，被广泛应用于道路隧道安全、油气管道泄漏、火灾监测预警等领域。实现分布式温度传感的常用方法有：基于瑞利散射的ofdr技术、基于拉曼散射的rotdr技术、基于布里渊散射的botdr技术等，其中ofdr技术因测量距离短、对光学器件要求高等缺点，使其难以在实际测温中应用[ding z,yao x,liu t,et al.,optics express,2013,21(3):3826-3834.]。rotdr技术因其结构简单、传感距离长等优点，被广泛应用于长距离连续测温环境中。由于rotdr技术中拉曼散射光强度微弱，导致系统信噪比较低、传感距离受限制。与rotdr技术相比，基于布里渊散射的botdr技术具有散射光强度较高、感距离长等优点，在分布式温度测量等领域得到了广泛关注。

2、利用botdr技术实现温变的解调方法主要分为两类：一类是布里渊频移法，通过提取布里渊频移量解调温度变化信息，由于布里渊频移量不仅与温度变化程线性关系，也与光纤应变程线性关系，在使用布里渊频移量解调温变时会受到应变信息的串扰[m.n.alahbabi,et al.,optics letters,2005,30:1276-1278.]。二类是布里渊散射功率法，通过测量布里渊散射光功率来解调温变信息，这是由于布里渊散射功率仅与温度成线性关系，对应变并不敏感。因此，测量布里渊散射功率可以唯一确定光纤沿线的温度变化信息，有效避免了应变信息的串扰。布里渊散射功率法通常采用窄线宽激光器作为光源，光脉冲作为探测信号，实现温度的分布式测量。但是，由于窄线宽光源的使用，导致瑞利相干噪声的产生，影响系统的信噪比；由于脉冲光探测信号的使用，系统的空间分辨率受限于声子的寿命，难以突破米级[a.fellay,et al.,opt.fiber sens,1997,16:324–327.]。

3、因此，需要对现有的botdr传感技术进行进一步改进，以提高温变区定位准确性，从根本上克服脉冲宽度对空间分辨率性能的限制。

技术实现思路

1、本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种新的botdr装置及方法，以提高温度温变区定位准确性，从根本上克服脉冲宽度对空间分辨率性能的限制。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于布里渊和瑞利散射的混沌botdr装置，包括：混沌激光源、光隔离器、半导体光放大器、脉冲光放大器、fbg光滤波器、第一分束器、光扰偏器、光环形器、第二分束器、、第一光滤波器、第二光滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、计算机、传感光纤；

3、所述混沌激光源产生的连续激光，依次入射至光隔离器、半导体光放大器，产生的脉冲光经脉冲光放大器放大、fbg光滤波器滤除自发辐射噪声后，被第一分束器分为两束，其中一束作为参考光被第一光电探测器接收，另一束作为探测光经光经光绕偏器、光环形器后进入传感器光纤，在传感光纤发生布里渊散射与瑞利散射，产生的背向瑞利散射光和布里渊散射光经过光环行器输出后，被第二分束器分为两路，一路经过第一光滤波器滤出瑞利散射光之后第二光电探测器接收；另一路经第二光滤波器滤出布里渊散射光之后被第三光电探测器接收，三个光电探测器进行光电转换后的电信号发送至所述计算机，计算得到沿传感光纤距离分布的温度信息以及温变区的位置与长度。

4、所述的基于布里渊和瑞利散射的混沌botdr装置，还包括第一信号光放大器，所述第一信号光放大器设置在所述光环形器与第二分束器之间，用于放大传感光纤中产生的背向瑞利散射光和布里渊散射光。

5、所述的基于布里渊和瑞利散射的混沌botdr装置，还包括第二信号光放大器，所述第二信号光放大器设置在第二分束器与第二光滤波器之间，用于放大所述传感光纤中产生的布里渊散射光。

6、所述的基于布里渊和瑞利散射的混沌botdr装置，还包括数据采集卡，三个光电探测器进行光电转换后的电信号经所述数据采集卡进行a/d转换后发送至所述计算机。

7、所述的基于布里渊和瑞利散射的混沌botdr装置，计算得到沿传感光纤距离分布的温度信息以及温变区的位置与长度的具体方法为：

8、对布里渊散射光信号进行差分重构，得到重构布里渊散射光；计算重构布里渊散射光信号与参考光的互相关系数；根据互相关系数曲线的正负相关峰之间的距离确定温变区域的长度和位置；

9、计算瑞利散射光与布里渊散射光的光强比值lpr，根据温变区域长度和光强比值，确定温变区域的温度，进而得到沿传感光纤距离分布的温度信息。

10、所述差分重构的计算公式为：

11、pas(i)＝ii+1-ii；

12、其中，ii+1和ii分别表示采集得到的第i+1和第i个布里渊散射信号的强度，pas(i)表示差分重构得到的第i个重构混沌布里渊stokes信号。

13、第一光滤波器、第二光滤波器为可调谐光滤波器。

14、第一分束器和第二分束器为1×2光纤耦合器。

15、此外，本发明还提供了基于布里渊和瑞利散射的混沌botdr方法，采用所述的装置实现，包括以下步骤：

16、s1、获取第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器测量的参考光强度，瑞利散射光强度和布里渊散射光强度；

17、s2、对布里渊散射光信号进行差分重构，得到重构布里渊散射光；计算重构布里渊散射光信号与参考光的互相关系数；根据互相关系数曲线的正负相关峰之间的距离确定温变区域的长度和位置；

18、s3、计算瑞利散射光与布里渊散射光的光强比值lpr，根据温变区域长度和光强比值，确定温变区域的温度，进而得到沿传感光纤距离分布的温度信息。

19、与传统的botdr系统相比，本发明具有如下优点：

20、1.相对于传统的botdr系统通过脉冲飞行法进行温变区定位，本发明利用布里渊光时域差分相关法进行温变区定位，可实现厘米量级的空间分辨率，从根本上解决了脉冲宽度对空间分辨率限制的问题，使得其可以解调长度小于脉冲宽度分辨极限的温变区。

21、2.相对于传统的botdr系统通过直接探测布里渊散射功率解调温度变化信息，本发明采用lpr方法解调温度变化信息，可以补偿光纤因接头和弯曲所引起的功率损耗，并结合精准的温变长度进行温度解调，消除了输入功率波动的影响，减小测量不确定度，提高测量精度。

22、3.相对于传统的botdr系统使用窄线宽光源作为探测光源存在脉冲宽度对空间分辨率限制的问题，本发明利用混沌激光源产生的具有随机幅值特性的混沌光源作为光源，进而得到传感光纤单位位置点的混沌布里渊光后向散射信号，从根本上克服了脉冲宽度对空间分辨率限制的问题，同时，利用混沌光宽带宽的光源特性进行lpr方法测温，减小了传统botdr系统中瑞利相干噪声的影响，提升了系统信噪比。

23、综上所述，本发明利用混沌脉冲激光作为探测光源，利用混沌激光的宽带特性，有效抑制了botdr系统中瑞利相干噪声的影响；同时，结合混沌激光自相关函数的类δ特性，利用混沌布里渊差分信号与参考信号进行互相关定位，可准确定位出厘米级别的温变区，从根本上克服脉冲宽度对空间分辨率性能的限制。