CN103123285B - 基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法，是将混沌激光器发出的混沌激光分为探测光和参考光两路，探测光经过光放大器放大后由光环行器入射到传感光纤中，并在光纤中产生后向布里渊散射光信号，该布里渊散射光信号经光放大器放大后通过一个可调谐光滤波器滤除噪声后入射到光耦合器中；参考光通过可变光延迟线调节其光程距离，使其与探测光信号在传感光纤中不同位置处产生的后向布里渊散射光信号在光纤耦合器中发生干涉，由光电探测器探测获得干涉拍频信号，经过数据采集装置和信号处理装置后得到不同长度处的布里渊增益谱，并输出到显示装置，实现应变或温度传感检测。

Description

基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感器技术领域，具体为一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法。

背景技术

与传统的传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、多参量测量、灵敏度高、轻巧、可嵌入（物体）等方面的优势，已在航空、航天、航海、石油化工、电力工业、核工业、医疗器械、科学研究、建筑、交通及军事等领域获得了重要的应用。

光纤传感器按工作方式可以分为点式、准分布式、分布式三类。其中，点式传感器只适合单个定点某参数的测量；准分布式光纤传感方式实际是一次多点的传输测量，不仅耗时、布线困难，且测量信息量少，性价比低；而分布式光纤传感器同时利用光纤作为传感元件和传输元件，可以实现整个光纤长度上不同位置的温度和应变的测量，有着重要的应用价值和广阔前景。

分布式光纤传感系统中，基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟，并已实用化。而基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究起步比较晚，但是由于其在温度、应变测量上所能达到的测量精度、测量范围、空间分辨率相比其他光纤传感技术具有明显的优势，并且能实现对温度和应变的同时测量，而受到国内外研究者的广泛关注。

目前国内外多家研究机构对基于布里渊散射的分布式传感系统开展了研究，并取得了重要的进展。其中，基于布里渊散射的温度和应变传感技术的研究主要分为四类：基于布里渊光时域反射（BOTDR，Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)的分布式光纤传感技术；基于布里渊光时域分析（BOTDA，Brillouin Optical Time Domain Analysis）的分布式光纤传感技术；基于布里渊光相关域分析技术（BOCDA, Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）的分布式光纤传感技术；基于布里渊光相关域反射（BOCDR, Brillouin Optical Correlation Domain Reflectometry）的分布式光纤传感技术。

①基于BOTDR的分布式光纤传感技术。该方法通过将脉冲光以一定的频率从光纤的一端入射，其与光纤中的声学声子发生非弹性碰撞产生自发布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，由于自发布里渊散射信号的频移和强度受光纤所处环境温度和应变的影响，所以通过测量布里渊信号的频移和强度就可以得到光纤温度和应变的分布情况。意大利Soto M A等人利用脉冲编码获得了42 m的空间分辨率和30 km的传感距离（Optics Express，2008, vol.16, no.23, 19097），华北电力大学李永倩等人在10km的传感光纤上获得了1m的空间分辨率（电子器件，2008, vol.31, no.3, 752），南京大学张旭苹等人在6 km的双路传感光纤上获得了4 m空间分辨率的温度与应变传感（中国光学与应用光学，2009，vol.2, no.1, 60），浙江大学裘超等人利用BOTDR系统实现了25 km光纤的温度与应变传感，达到10 m的空间分辨率（光学学报，2010，vol.30, no.4, 954）。

②基于BOTDA的分布式光纤传感技术。该方法利用连续探测光和脉冲泵浦光之间的受激布里渊散射，通过受激布里渊效应对探测光的放大，两光束之间发生能量转移，由于布里渊频移与温度应变存在线性关系，因此，在对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一段耦合出来的探测光，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。从而得到传感光纤上温度和应变的信息，实现分布式测量。目前瑞士Luc Thevenaz等人在47 km的传感长度上获得了7 m的空间分辨率（Sensors Journal, 2008, vol.8, no.7, 1268），电子科技大学饶云江等人实验实现了50 km传感距离、50 m空间分辨率的测量（物理学报，2010，vol.59, no.8, 5523），浙江大学宋牟平等人实现了50 km普通单模光纤的分布式测量，空间分辨率达到10 m（中国激光，2010, vol.37, no. 6, 1426）。

③基于BOCDA的分布式光纤传感技术。该方法采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者的相关函数，可以大大提高分布式光纤传感系统的分辨率，其实验系统的空间分辨率可达到厘米量级。目前日本Kazuo Hotate等人实验实现了20 m的传感距离及10 cm的空间分辨率（Photonics Technology Letters, 2007, vol.19, no.23, 1928）, 韩国Jiho Jeong等人将BOCDA与BDGs结合在500 m的传感光纤上实现了45 cm的空间分辨率（Photonics Technology Letters, 2012, vol.24, no.12, 1006）。

④基于BOCDR的分布式光纤传感技术。该方法利用耦合器将光源分为两路,一路作为参考光，另外一路为泵浦光，泵浦光送入传感光纤，然后经传感光纤散射回的斯托克斯光与参考光被送入光电探测器之后求两者的相关函数从而获得待测量。日本Kazuo Hotate等人在实验中实现了100 m光纤传感距离及40 cm的空间分辨率（Optics Express, 2008, vol.16, no.16, 12148）。

在上述四种分布式光纤传感技术之中，BOTDA和BOTDR系统的优点在于测量距离远，能达到50 km以上，不足之处就是空间分辨率较低，受其脉冲宽度的影响，理论上空间分辨率最好仅可达到1 m左右。而BOCDA和BOCDR系统的优点则是空间分辨率高，可达到厘米量级，但是，由于受其频率调制相关峰周期特性的影响，使得系统的测量距离受到限制，目前测量距离无法超过500 m。

发明内容

本发明为解决目前分布式光纤传感器存在的空间分辨率与测量距离之间的矛盾，提供一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法。

一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置，包括顺次连接的混沌激光器、具有两个出射端的第一光纤耦合器、第一光放大器和光环行器，且它们之间顺次利用三条单模光纤跳线连接；光环行器反射端连接有传感光纤，光环行器出射端连接有一个第二光放大器；第二光放大器出射端连接有一个可调谐光滤波器；第一光纤耦合器的一个出射端与第一光放大器相连接，另一个出射端连接有可变光延迟线；所述可变光延迟线及可调谐光滤波器通过输出端共同连接有一个具有两个入射端和两个出射端的第二光纤耦合器；所述第二光放大器、可调谐光滤波器以及第二光纤耦合器依次通过单模光纤跳线连接；所述第一光纤耦合器、可变光延迟线及第二光纤耦合器依次通过单模光纤跳线连接；所述第二光纤耦合器的两个出射端连接有一个双平衡光电探测器；所述双平衡光电探测器具有两个信号输入端和一个信号输出端，双平衡光电探测器的信号输出端顺次通过高频同轴电缆连接有数据采集装置和信号处理装置；信号处理装置输出端连接有显示装置。

进一步的，所述的混沌激光器是一种相干长度可调节、频谱带宽和中心频率可控的C波段半导体混沌激光器。

本发明所述的基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置的测量方法是采用如下技术方案实现的：一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置的测量方法，该方法是将混沌激光信号分为探测光信号和参考光信号两路，探测光信号入射到传感光纤中；通过可变光延迟线调节参考光信号的光程，使其与探测光信号在传感光纤中不同位置处产生的后向布里渊散射光信号在光纤耦合器中发生干涉，从而获得干涉拍频信号及其对应的位置信息，实现长距离、高分辨率的应变或温度传感检测。

本发明提供的基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法，与现有的分布式光纤传感技术相比，可同时实现长距离、高分辨率的应变和温度检测，其优点与积极效果主要体现如下：

一、混沌激光相比于脉冲激光或连续激光，具有光谱较宽、相干长度可调节，频谱带宽可控、中心频率可调节的特性，本发明采用混沌激光作为探测信号，利用其在传感光纤中产生的混沌布里渊散射光信号与混沌激光参考信号在光域干涉来获取布里渊散射光信号频移量和位置信息，抗干扰能力强、噪声容忍度大，空间距离分辨率可以达到毫米量级。

二、本发明测量距离长、测量盲区极小。本发明采用无周期连续混沌激光信号作为探测光和参考光，可以实现上百公里的光纤传感距离，克服了现有BOCDR、BOCDA技术中由于频率调制周期性引入的测量距离范围小的缺点；本方法可以达到毫米以下的测量距离，与现有BOTDR、BOTDA相比减小了由于脉冲宽度引入的较大测量盲区。

三、本发明与现有技术相比，省去了昂贵的脉冲信号发生器、高频信号微波源以及高性能的电光吸收调制器，装置简单、成本低廉。

总之，本发明方案结构简单、成本低廉、抗干扰能力强，能同时实现高精度和长距离分布式光纤传感，可以广泛适用于桥梁建筑的微小形变检测、飞机机翼的应力温度监测、石油化工业中的管道检测、煤矿巷道的应力监测、岩体变形与山体滑坡监测等领域。

附图说明

图1 是本发明所述基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置的结构示意图。

1-混沌激光器，2-第一光纤耦合器，3-第一光放大器，4-光环行器，5-传感光纤，6-第二光放大器，7-可调谐光滤波器，8-可变光延迟线，9-第二光纤耦合器，10-双平衡光电探测器，11-数据采集装置，12-信号处理装置，13-显示装置。

具体实施方式

一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置，包括顺次连接的混沌激光器1、具有两个出射端的第一光纤耦合器2、第一光放大器3和光环行器4，且它们之间顺次利用三条单模光纤跳线连接；光环行器4反射端连接有传感光纤5，光环行器4出射端连接有一个第二光放大器6；第二光放大器6出射端连接有一个可调谐光滤波器7；第一光纤耦合器2的一个出射端与第一光放大器3相连接，另一个出射端连接有可变光延迟线8；所述可变光延迟线8及可调谐光滤波器7通过输出端共同连接有一个具有两个入射端和两个出射端的第二光纤耦合器9；所述第二光放大器6、可调谐光滤波器7以及第二光纤耦合器9依次通过单模光纤跳线连接；所述第一光纤耦合器2、可变光延迟线8及第二光纤耦合器9依次通过单模光纤跳线连接；所述第二光纤耦合器9的两个出射端连接有一个双平衡光电探测器10；所述双平衡光电探测器10具有两个信号输入端和一个信号输出端，双平衡光电探测器10的信号输出端顺次通过高频同轴电缆连接有数据采集装置11和信号处理装置12；信号处理装置12输出端连接有显示装置13。所述的混沌激光器1是一种相干长度可调节、频谱带宽和中心频率可控的C波段半导体混沌激光器。

一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置的测量方法，该方法是将混沌激光信号分为探测光信号和参考光信号两路，探测光信号入射到传感光纤中；通过可变光延迟线调节参考光信号的光程，使其与探测光信号在传感光纤中不同位置处产生的后向布里渊散射光信号在光纤耦合器中发生干涉，从而获得干涉拍频信号及其对应的位置信息，实现长距离、高分辨率的应变或温度传感检测。

图1是本发明所述的基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置的结构示意图，以下结合图1说明本发明的具体实施方式：混沌激光器1发出波长为1550nm（或C波段内任一波长均可）的混沌激光信号，经50:50的第一光纤耦合器2分为两路，第一光纤耦合器2上方出射端发出的一路作为探测光，第一光纤耦合器2下方出射端发出的另一路作为参考光。探测光经过第一光放大器3放大，此放大器可采用商用掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器（SOA）。经过放大的混沌探测光入射到光环行器4左侧入射端并从光环行器4右侧反射端进入传感光纤5中，传感光纤5采用商用的普通单模光纤G652系列均可，距离最长可选用100 km的长度，探测光经放大提高功率后可大大提高传输距离，并能得到较强的布里渊散射信号，从而提高传感检测距离。传感光纤5中后向布里渊散射光信号携带了传感光纤5上各处的压力或温度信息，此布里渊散射光信号经过第二光放大器6放大，然后通过可调谐光滤波器7将布里渊散射光信号中混杂的后向瑞利散射光信号以及ASE噪声滤除，以提高测量的信噪比；可调谐光滤波器7可以选用可调谐光纤布拉格光栅(TFBG)。经过可调谐光滤波器7滤波的布里渊散射光信号入射到第二光纤耦合器9右侧入射端。第一光纤耦合器2下方出射端发出的参考光经过可变光延迟线8，然后入射到第二光纤耦合器9左侧入射端。参考光和布里渊散射光信号在第二光纤耦合器9中发生干涉，由双平衡光电探测器10接收其干涉信号，将其转变为电信号。

设参考光电场为                                                、布里渊散射光信号为，l _R 和l _B 分别为参考光的光程、布里渊散射光信号的光程。通过调节可变光延迟线8进行长度扫描，只有当参考光和传感光纤5中布里渊散射光信号的光程差在相干长度之内才会发生干涉，其干涉电场为：

由于双平衡光电探测器10的响应频率相对光波的频率要小得多，因此双平衡光电探测器10所探测到的光电流是干涉电场平方对时间的平均值。故双平衡光电探测器10的光电流为：

双平衡光电探测器10的光电流包括直流和交流两部分，其中交流信号部分包含了干涉信号的变化信息，是需要的信号。将此信号输入数据采集装置11，数据采集装置11将信号经过A/D转换后输入信号处理装置12，信号处理装置12在相应软件的支持下对该信息进行分析，就可以获得探测光纤内温度与位置或者应变与位置的信息，最后将结果通过显示装置13显示出来。因为光纤中布里渊散射光的频移量和功率变化量与光纤内部的温度及应变变化存在着确定的关系，当待测光纤某处的应变或温度发生改变时，后向布里渊散射信号光的频率和功率相应的发生变化。通过测量光纤上每个事件点的布里渊散射光信号的频移量及功率的变化量，就可获得光纤中的温度与应变的分布信息，亦即能够获知敷设了传感光纤的建筑物、桥梁、隧道等待测物体的温度和应变分布的信息。所述的相应软件为本领域技术人员的公知技术，是易于编写的。

混沌激光器1可采用C波段的任意两个无内置隔离器的相同DFB半导体激光器、线性啁啾光纤光栅、可调光衰减器、偏振控制器、光纤耦合器构成，具体采用反馈加注入联合扰动方式连接，通过调节反馈强度、注入强度和注入频率失谐量可实现相干长度可调节、频谱带宽和中心频率可控的混沌激光信号输出。

可变光延迟线8可采用光开关控制的多路分级光纤延迟线串联高精度电控可变光延迟线（例如美国通用光电公司的电控可调光延迟线MDL-002其延迟分辨率小于0.3微米）级联组合而成，从而实现参考光的光程大范围、高精度可调节，以保证本发明装置实现长距离和高分辨率的传感探测。

基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置，其距离分辨率等于混沌激光的相干长度L _C ，亦即反比于混沌激光的光谱线宽，混沌激光的光谱包络多为高斯函数形式，故距离分辨率具体为下式所示：

混沌激光属于低相干光，我们在实验中通过控制混沌激光器的扰动参量获得了相干长度从几百微米到几米的混沌激光输出。然而，由于布里渊散射光的频移量一般在10.8 GHz左右，受到此光频移量的限制，实际应用中要选择合适的相干长度。我们研究发现当混沌激光的-3dB光谱线宽（半高全宽，FWHM）不超过18 GHz时，混沌参考光信号和混沌布里渊散射光信号的干涉拍频信号可以被有效的分辨测量，此时对应的混沌激光的相干长度约为5 mm（考虑光纤折射率影响），表明本发明装置的距离分辨率理论上可以达到5毫米。此外，我们在实验研究中发现混沌激光在光纤中传播时受色散影响较小，在传输70 km后依然可以维持原始的混沌振荡状态，通过光放大器放大混沌探测光、采用高灵敏度光电探测器、并在信号处理装置中利用小波变换滤除噪声，本发明装置的传感探测距离可达到100 km以上。

Claims (3)

1.一种基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置，其特征在于包括顺次连接的混沌激光器（1）、具有两个出射端的第一光纤耦合器（2）、第一光放大器（3）和光环行器（4），且它们之间顺次利用三条单模光纤跳线连接；光环行器（4）反射端连接有传感光纤（5），光环行器（4）出射端连接有一个第二光放大器（6）；第二光放大器（6）出射端连接有一个可调谐光滤波器（7）；第一光纤耦合器（2）的一个出射端与第一光放大器（3）相连接，另一个出射端连接有可变光延迟线（8）；所述可变光延迟线（8）及可调谐光滤波器（7）通过输出端共同连接有一个具有两个入射端和两个出射端的第二光纤耦合器（9）；所述第二光放大器（6）、可调谐光滤波器（7）以及第二光纤耦合器（9）依次通过单模光纤跳线连接；所述第一光纤耦合器（2）、可变光延迟线（8）及第二光纤耦合器（9）依次通过单模光纤跳线连接；所述第二光纤耦合器（9）的两个出射端连接有一个双平衡光电探测器（10）；所述双平衡光电探测器（10）具有两个信号输入端和一个信号输出端，双平衡光电探测器（10）的信号输出端顺次通过高频同轴电缆连接有数据采集装置（11）和信号处理装置（12）；信号处理装置（12）输出端连接有显示装置（13）。

2.如权利要求1所述的基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置，其特征在于所述的混沌激光器（1）是一种相干长度可调节、频谱带宽和中心频率可控的C波段半导体混沌激光器。

3.一种应用于如权利要求1所述的基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置的测量方法，其特征在于所述测量方法是将混沌激光信号分为探测光信号和参考光信号两路，探测光信号入射到传感光纤中；通过可变光延迟线调节参考光信号的光程，使参考光信号与探测光信号在传感光纤中不同位置处产生的后向布里渊散射光信号在光纤耦合器中发生干涉，从而获得干涉拍频信号及其对应的位置信息，实现长距离、高分辨率的应变或温度传感检测。