CN102645236A - 基于梳状频谱连续探测光的botda系统 - Google Patents
基于梳状频谱连续探测光的botda系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统，本系统通过采用梳状频谱连续探测光和窄线宽的单频泵浦脉冲光来产生受激布里渊散射，梳状频谱连续探测光按受激布里渊增益谱线得到放大，所采用的梳状频谱间隔比所需频率测量精度大的梳状频谱，再通过测量经过受激布里渊散射作用后的梳状频谱中不同频率的功率来获得各自频率处的功率，最后结合谱线拟合算法来获取完整的布里渊散射谱，获得该空间位置上的温度和应变；本发明提高BOTDA系统的动态特性，提高了空间分辨率，简化系统的频谱扫描设备，提高谱线拟合的速度，克服了梳状频谱间隔和脉冲宽度间的制约问题，又解决了连续扫频系统的速度问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统。
背景技术
本发明是针对BOTDA在结构健康监测中存在的问题提出来的。
在分布式布里渊光纤传感中，有BOTDR（布里渊光时域反射计）和BOTDA（布里渊光时域分析技术）两种。对以常规单模光纤为传感介质的分布式温度和应变传感系统，BOTDR和BOTDA均需要通过分析布里渊散射谱，即测量布里渊频移（泵浦光脉冲中心频率和布里渊散射信号中心频率之差）和布里渊散射信号功率的变化来获得温度和应变信息。相比于BOTDR，BOTDA具有更高的灵敏度和动态范围。但是，对于BOTDR，后向反射的布里渊散射信号包含了整个布里渊增益谱，对于BOTDA，为了获得布里渊增益谱，则需要连续调节探测光的频率，从而获得整个布里渊增益谱。这极大影响了布里渊散射谱的检测速度，使得BOTDA系统不适合于动态特性要求高的健康监测领域。
为了提高动态特性，采用梳状频谱泵浦脉冲光的BOTDA系统被提出，但是，泵浦脉冲光的脉冲宽度制约了梳状频谱的间隔，这样就存在空间分辨率（由脉冲宽度决定）和梳状频谱间隔间的矛盾。为了提高空间分辨率，必须采用较窄的光脉冲，这样就必须采用较大的梳状频谱间隔。但是，梳状频谱的间隔会影响布里渊散射谱的重建精度，梳状频谱间隔越大，布里渊散射谱的重建精度越低，从而影响温度和应变的测量精度。在应用中，当脉冲宽度为10ns（纳秒）时，空间分辨率为1m（米），对应的信号带宽是35MHz，因此频谱间隔必须大于35MHz。对于常规的单模光纤，布里渊散射谱的3dB带宽也在35MHz左右，这样，即使采用梳状频谱的泵浦光，一次也只能测到布里渊散射谱的一个频谱成分，无法重建完整的布里渊散射谱。基于此，现有技术中采用120ns的泵浦光，对应脉冲信号的带宽为2.92MHz，这样可保证一次能测得布里渊散射谱的10多个频谱成分，从而可以完成布里渊散射谱的重建，最后实现了空间分辨率12m的动态应变检测。
基于此，本发明提出了采用梳状频谱的连续探测光，而不是采用梳状频谱的泵浦脉冲光，这样，梳状频谱的间隔不受信号带宽所限制，因为梳状频谱探测光是连续光，不再是脉冲光。本发明所提出的BOTDA系统的空间分辨率由泵浦脉冲的宽度决定，而一次性所测的谱线数目由布里渊散射谱宽和梳状频谱间隔之比决定，从而解决了空间分辨率和布里渊散射谱重建精度的矛盾。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统。
本发明是这样来实现的，一种基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统，其特征是本系统通过采用梳状频谱连续探测光和窄线宽的单频泵浦脉冲光来产生受激布里渊散射，梳状频谱连续探测光按受激布里渊增益谱线得到放大，所采用的梳状频谱间隔比所需频率测量精度大的梳状频谱，再通过测量经过受激布里渊散射作用后的梳状频谱中不同频率的功率来获得各自频率处的功率，最后结合谱线拟合算法来获取完整的布里渊散射谱，获得谱的峰值和面积，得到布里渊频移和布里渊散射信号功率，由布里渊频移和布里渊散射信号功率获得该空间位置上的温度和应变，改变测量时刻，则获得沿光纤的温度和应变分布；
基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统包括以下步骤：
1） 窄线宽光源输出的连续光信号一分为三；
2） 第一路光用光幅度调制器进行调制，从而获得梳状频谱连续探测光，通过调整光幅度调制器的参数可改变梳状频谱的间隔；
3） 二路光用光强度调制器调制，可获得频率上移和下移的泵浦光脉冲，合理设置光强度调制器的参数，可使其频率移动正好等于或近似等于布里渊频移；
4） 通过光滤波器选取频率上移的光信号做泵浦光脉冲；
5） 将梳状频谱连续探测光和泵浦脉冲光从两端注入传感光纤，在其中将产生受激布里渊散射；
6） 第三路光和经过受激布里渊作用的探测光进行外差，并获取外差后信号的频谱；
7） 对测得频谱进行拟合，获得谱的峰值和面积，因此可得到布里渊频移和布里渊散射信号功率，由布里渊频移和布里渊散射信号功率可获得该空间位置上的温度和应变；
8） 改变测量时刻，则可获得沿光纤的温度和应变分布。
本发明的技术效果是：提高BOTDA系统的动态特性，而且提高了空间分辨率，结合谱线拟合算法，采用频谱间隔比所需频率测量精度大的梳状频谱（比如采用间隔为10MHz的梳状频谱可实现1MHz的频谱分辨率），从而简化系统的频谱扫描设备，并提高谱线拟合的速度，克服了梳状频谱间隔和脉冲宽度间的制约问题，又解决了连续扫频系统的速度问题。
附图说明
图1是本发明的连续探测光的频谱。
图2是本发明的泵浦光频谱、探测光频谱及布里渊增益谱。
图3是本发明的泵浦光和探测光的作用图。
图4是本发明的外差后频谱。
图5是本发明的系统实施方案图。
在图中， 1、窄线宽光源 2、1：3光耦合器 3、电光幅度调制器 4、传感光纤 5、电光强度调制器 6、光滤波器 7、光环形器 8、光电探测器 9、频谱。
具体实施方式
一种基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统，本系统通过采用梳状频谱连续探测光和窄线宽的单频泵浦脉冲光来产生受激布里渊散射，梳状频谱连续探测光按受激布里渊增益谱线得到放大，所采用的梳状频谱间隔比所需频率测量精度大的梳状频谱，再通过测量经过受激布里渊散射作用后的梳状频谱中不同频率的功率来获得各自频率处的功率，最后结合谱线拟合算法来获取完整的布里渊散射谱，获得谱的峰值和面积，得到布里渊频移和布里渊散射信号功率，由布里渊频移和布里渊散射信号功率获得该空间位置上的温度和应变，改变测量时刻，则获得沿光纤的温度和应变分布；
1) 窄线宽光源输出的连续光信号一分为三；
2） 第一路光用光幅度调制器进行调制，从而获得梳状频谱连续探测光，通过调整光幅度调制器的参数可改变梳状频谱的间隔；
3） 二路光用光强度调制器调制，可获得频率上移和下移的泵浦光脉冲，合理设置光强度调制器的参数，可使其频率移动正好等于或近似等于布里渊频移；
4） 通过光滤波器选取频率上移的光信号做泵浦光脉冲；
4） 将梳状频谱连续探测光和泵浦脉冲光从两端注入传感光纤，在其中将产生受激布里渊散射；
5） 第三路光和经过受激布里渊作用的探测光进行外差，并获取外差后信号的频谱；
6） 对测得频谱进行拟合，获得谱的峰值和面积，因此可得到布里渊频移和布里渊散射信号功率，由布里渊频移和布里渊散射信号功率可获得该空间位置上的温度和应变；
7） 改变测量时刻，则可获得沿光纤的温度和应变分布。
图2是泵浦光频谱、探测光频谱及布里渊增益谱中，探测光的中心频率和泵浦光频率的差值正好等于布里渊频移。
图3泵浦光和探测光的作用图中，探测光按布里渊增益谱得到增强。
将窄线宽（100kHz左右）光源1中输出的中心频率为 
的连续光信号经1：3光耦合器2分为三路。第一路用于产生梳状频谱的连续探测光信号，第一路光信号进入电光幅度调制器3，通过合理设置电光幅度调制器3的参数，电光幅度调制器3输出梳状频谱的连续光信号，其信号格式为
，梳状频谱的间隔
和频谱数
也可以通过电光幅度调制器3进行调节，之后，梳状频谱连续光进入传感光纤4；第二路用于产生泵浦脉冲光信光，第二路光信号进入电光强度调制器5，通过设置电光强度调制器5的参数，电光强度调制器5输出频率为、脉宽为10ns的光脉冲信号，其中，
为布里渊频移；之后进入光滤波器6，光滤波器6只让频率为
的光脉冲信号通过，从光滤波器6出来的光脉冲信号经光环形器7后进入传感光纤4；第三路和从光环形器7出来的布里渊散射光信号（即经过受激布里渊作用后的探测光）在光电探测器8中进行外差接收；之后可获取图4所示的频谱9，再通过拟合得到完整的布里渊散射谱；如果实际环境下的布里渊散射信号和参考环境下布里渊散射信号的频率相等（即布里渊频移相等），则频谱的中心频率为0，反之频谱的中心频率不为0，这时，由中心频率和谱线功率（即谱线与横坐标所围面积）可得到沿光纤分布的温度和应变。
Claims (1)
1.一种基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统，其特征是本系统通过采用梳状频谱连续探测光和窄线宽的单频泵浦脉冲光来产生受激布里渊散射，梳状频谱连续探测光按受激布里渊增益谱线得到放大，所采用的梳状频谱间隔比所需频率测量精度大的梳状频谱，再通过测量经过受激布里渊散射作用后的梳状频谱中不同频率的功率来获得各自频率处的功率，最后结合谱线拟合算法来获取完整的布里渊散射谱，获得谱的峰值和面积，得到布里渊频移和布里渊散射信号功率，由布里渊频移和布里渊散射信号功率获得该空间位置上的温度和应变，改变测量时刻，则获得沿光纤的温度和应变分布；
基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统包括以下步骤：
1） 窄线宽光源输出的连续光信号一分为三；
2） 第一路光用光幅度调制器进行调制，从而获得梳状频谱连续探测光，通过调整光幅度调制器的参数可改变梳状频谱的间隔；
3） 二路光用光强度调制器调制，可获得频率上移和下移的泵浦光脉冲，合理设置光强度调制器的参数，可使其频率移动正好等于或近似等于布里渊频移；
通过光滤波器选取频率上移的光信号做泵浦光脉冲；
5） 将梳状频谱连续探测光和泵浦脉冲光从两端注入传感光纤，在其中将产生受激布里渊散射；
第三路光和经过受激布里渊作用的探测光进行外差，并获取外差后信号的频谱；
对测得频谱进行拟合，获得谱的峰值和面积，因此可得到布里渊频移和布里渊散射信号功率，由布里渊频移和布里渊散射信号功率可获得该空间位置上的温度和应变；
改变测量时刻，则可获得沿光纤的温度和应变分布。
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