CN103443604A - 光纤中分布式动态布里渊传感 - Google Patents
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Abstract
在本发明中提供了一种在光纤中进行分布式动态布里渊传感的方法。所述方法包括以下阶段：推导光纤沿其长度的平均特性；生成可变频率探测信号，使得可变频率被定制为在沿着光纤的指定点处与相应的平均特性匹配；将可变频率探测信号注入光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入光纤的第二端，其中，同步进行注入，从而沿着光纤的每一个指定点处进行受激布里渊散射，从而探测信号和泵浦信号之间的频率差与光纤的平均特性匹配；并且测量受激布里渊散射的发生，以产生表示沿着光纤的所有点处的应变和温度的数据。
Description
技术领域
本发明涉及感测光纤中的布里渊散射，并且更具体而言，涉及一种分布式动态布里渊传感。
背景技术
在本领域中，众所周知的是，将受激布里渊散射（SBS）用于光纤应变和温度分布式传感器。一种最广泛使用的方法为布里渊光时域分析技术（BOTDA）的典型方法，其中，泵浦脉冲与反向传播的探测波相互作用。从局部布里渊增益谱（BGS）中推断应变和温度信息，通过扫描探测波的光频来测量该布里渊增益谱。
为了在这两个被测变量的宽动态范围内实现高的应变/温度分辨率，经扫描的频率范围必须宽（>100MHz）并且具有高粒度，引起相当慢的进程，这通常需要多次扫描以减少噪声。因此，典型BODTA目前主要应用于平均或半平均测量中。
发明内容
在本发明的实施方式中提供了一种使用受激布里渊散射（SBS）的方法，以沿着整个布里渊非均匀光纤对动态应变进行准同步分布式测量。在沿着光纤对时间上缓慢变化的布里渊增益谱（BGS）进行典型映射以后，下面将示出如何将专门合成的并且可适应的探测波用于在局部BGS的斜面上始终起作用，允许单个泵浦脉冲沿着整个光纤进行快速应变变量取样。沿着整个光纤长度，可同时对量级为KHz的应变振动取样（即，使用相同的泵浦脉冲），具有不同的平均布里渊频移。
根据本发明的一个方面，首先沿着光纤长度研究该受测光纤的平均特性。然后，平均特性用于生成可变频率探测信号。根据所研究的平均特性，定制频率的变化。此外，泵浦脉冲波和定制的探测波同步，从而在沿着光纤的每个指定的位置中（即，在期望的工作点内），在最适当的条件下进行受激布里渊散射。这是由于在指定位置中的平均特性和在设计执行受激布里渊散射的任何点中的探测信号的频率之间的匹配而实现。
根据本发明的另一个方面，在动态问询受激布里渊散射之前，未研究受测光纤的平均特性。可选地，生成具有多个均匀长度部分的周期性探测波，每个长度部分与不同的布里渊移频相关。探测波中所使用的不同频率部的数量及其跨度确定可测量的应变/温度的粒度和范围。周期性脉冲波被同步，从而在泵浦波沿着光纤传播时，每个泵浦脉冲波遇到探测波的一个不同频率部分。对于每个光纤段，选择最佳拟合的探测频率（在工作点方面），自该频率进行对该段的测量。
在以下详细描述中阐述了可从详细描述中推断出；和/或通过实践本发明的实施方式可获知的本发明的实施方式的这些、额外的和/或其他方面和/或优点。
附图说明
为了更好地理解本发明的实施方式并且为了显示可实现本发明的实施方式的方式，现在仅仅通过实例，参照附图，在附图中，相似的标号在通篇中表示相应的元件或部分。
附图中：
图1为示出根据本发明的一些实施方式的在不同的时间段在光纤内的可变探测信号和脉冲信号的示意图；
图2为示出根据本发明的一些实施方式的布里渊增益谱的曲线图；
图3为示出根据本发明的一些实施方式的在光纤内的可变探测信号和脉冲的示意图；
图4A和4B为示出根据本发明的一些实施方式的方法的高水平流程图；
图5为示出被配置为执行根据本发明的一些实施方式的方法的一个示例性实验系统的示意性方框图；
图6为示出根据本发明的一些实施方式的一个方面的示意图；
图7为示出根据本发明的其他实施方式的在光纤内的可变探测信号和脉冲的示意图；
图8为示出根据本发明的一些实施方式的实验结果的曲线图；
图9为示出根据本发明的一些实施方式的实验结果的曲线图；以及
图10为示出根据本发明的一些实施方式的实验结果的曲线图。
示图与以下详细描述一起使实际上可体现本发明的方式对于本领域的技术人员显而易见。
具体实施方式
在本发明的实施方式中，建议使用具有可变频率的探测信号，该可变频率被定制（tailor）为与受测光纤的平均特性匹配。在平均应变/温度条件下，均匀光纤的布里渊增益谱沿着受测光纤的整个长度恒定。对于给定的泵浦频率，然后选择反向传播探测光的光频，以与30MHz宽的洛伦兹布里渊增益谱的一个-3dB点重合。可替换地，可选择沿着斜面的任何其他点，可能但非必要地为斜面的中心。要理解的是，在以下描述中，对于-3dB点的任何引用应理解为沿着斜面的点。
在存在应变变化时，BGS以大约50MHz/1000μS频移，并且根据BGS频移的方向，固定的频率探测波现在经受更少或更多的布里渊增益。每个泵浦脉冲引起布里渊放大探测信号，其后处理同时提供沿着整个光纤的局部应变。由于未扫描探测频率，所以应变变化的取样率仅仅受到光纤长度和平均化需要的限制。在数字地进行时，通过二维矩阵结束测量，其中，每一行表示包含探测强度的、由单个泵浦脉冲造成的一个时隙，并且列数是沿着光纤的空间分辨单元的数量。由于固定的探测频率必须保持在～30MHz宽的BGS斜面内，所以该方法的动态范围限于～600με，除非以灵敏性为代价采取减小BGS斜面的手段（例如，比泵浦脉冲更短）。然而，通常，由于光纤不均匀性或者由于光纤暴露于其中的不均匀的平均应变/温度，所以BGS的中心沿着光纤变化。
图1为示出根据本发明的一些实施方式的在不同的时间段在光纤内的可变探测信号和脉冲信号的示意图。在一个非限制性的实例中，受测光纤10为30m长的光纤，具有五个不同的光纤部分，最初的12m、中间的4m以及最后的12m部分为10.81GHz的v3dB(z)，左边1m部分为10.91GHz，并且右边1m部分为10.97GHz。探测信号20的光频被定制为，从光频为vprobe，3dB(z)=vpump-10.81GHz的24m（同时在光纤内传播）段开始，然后是频率为vprobe，3dB(z)=vpump-10.91GHz的2m段，vpump-10.81GHz的8m段，vpump-10.97GHz的2m段，并且以频率为vpump-10.81GHz的24m段结束。因此，对于具有平均布里渊频移为v3dB(section)和长度为Lsection的每个光纤部分，探测信号20具有相应的段（长度为两倍），光频为vpump-v3dB(section)。在泵浦脉冲30和定制的探测波20之间的适当定时同步确保在每个光纤部分内探测频率与在该部分的沿着平均BGS的斜面的合适的点精确地重合。如上所述，在这些条件下，能够容易地测量快速应变变化。通过评估来自距离z的强度波动的平均值并且将该平均值用作反馈信号，可跟踪缓慢时间变化的v3dB(z)，可适当地重新调节探测波的频率成分。遵循缓慢时间变化的v3dB(z)的另一种方法是，偶尔或时常执行常规BOTODA测量。
通过本领域已知的各种方法跟踪BGS的峰值，也可有效地跟踪缓慢时间变化的v3dB(z)，并且这些时间变化可用于其他应用中。一种示例性方法是生成和感测抖动探测信号，该信号的频率与BGS的已知峰值均匀地间隔开。
图2为示出根据本发明的一些实施方式的布里渊增益谱200的曲线图。半增益处（或者在给予最大的线性动态范围和/或最大灵敏性的最佳点处）的工作点210用于工作在具有分别表示在时间上减小的应变和在时间上增大的应变点220和230的洛伦兹的斜面上。与本发明的实施方式一致，沿着光纤开始布里渊频移的典型映射，以确定局部布里渊增益谱：vB，3dB(z)的这两个-3dB点中的一个点，然后，能够在时间上定制探测频率，从而在泵浦脉冲到达光纤位置z时遇到探测波，该探测波的频率正好与泵浦频率相差vB，3dB(z)，确保良好的布里渊相互作用。使用该技术，如果需要积分，那么可利用单个脉冲或者几个脉冲来问询光纤的整个长度。
由于实际的原因，本发明的实施方式提供了一种方法，该方法基于定制探测频率以在光纤10的每个空间段处与平均应变/温度条件匹配。对于给定的泵浦频率，典型的BOTDA首先用于沿着光纤长度映射局部BGS的峰值频率，从该峰值频率中获得与距离相关的探测频率，vprobe，3dB(z)=vpump-v3dB(z)，该频率与距离z处BGS上的一个-3dB点重合（v3dB(z)为从泵频率vpump到探测频率vprobe，3dB(z)的局部布里渊频移）。
图3为示出根据本发明的一些实施方式的在光纤内的可变探测信号和脉冲的示意图。该示图示出了在光纤10的4m部分的中间处遇到泵浦脉冲30时具有两个频率的更简单的实验探测波20。下面更详细地描述实验系统和结果。
图4A为示出根据本发明的一些实施方式的一个方法的高水平流程图。方法400A包括以下阶段：推导沿着受测光纤长度的该光纤的平均特性410A；生成可变频率探测信号，从而可变频率被定制为与沿着光纤的每个点处的各个平均特性匹配420A；将可变频率探测信号注入光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入光纤的第二端，其中，同步进行所述注入，从而沿着光纤在每个点处进行受激布里渊散射，从而探测信号的频率与平均特性匹配430A；并且测量受激布里渊散射的发生，以产生表示沿着整个光纤在所有点处的应变和温度的数据440A。
图4B为示出根据本发明的一些实施方式的另一个方法的高水平流程图。方法400B包括以下阶段：生成周期性可变频率探测信号，其中，探测信号呈现多个时间部分，每个时间部分与所选择的用于覆盖光纤的相应平均特性的动态范围的一个不同的频率相关410B；将可变频率探测信号注入光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入光纤的第二端，从而每个光纤部分具有最佳匹配的探测频率，以该频率进行测量420B；并且测量匹配的受激布里渊散射的发生，以产生表示沿着光纤在不同点处应变和温度的数据430B。
剩余的描述部分描述了一种示例性系统，该系统被配置为实现与本发明的实施方式一致的方法。要理解的是，在本文中所提供的值和数字仅仅用于进行说明，而不应视为在范围上进行限制。
图5为示出被配置为执行根据本发明的一些实施方式的方法的示例性实验系统的示意性方框图。窄线宽（10KHz）DFB激光二极管510被划分至泵浦30和探测20通道。下面要描述的～11GHz的射频信号512馈送探测通道马赫-曾德尔调制器520A，该调制器在其零透射点处偏置，以生成两个边频带。使用窄光纤布拉格光栅535和循环器540A，将更低的频率边频带选为探测。然后，该探测波20由掺铒光纤放大器530A放大，可选地由偏振扰偏器550扰偏并且投入受测的30m光纤10的一侧中。调制器520B形成泵浦脉冲30，然后，该脉冲由放大器530放大并且通过循环器540B投入光纤10的另一侧中。最后，布里渊放大的探测波由540B路由快速光电二极管580，由实时示波器595以1G样品/秒的速度对其取样。
在所执行的实验中，申请人已经解释了两个级联的1m部分的分布式测量，这两个部分由相同光纤制成，经受～1000με的相同平均应变，并且以不同的频率55Hz和470Hz振动。图6示出了在由申请人使用正弦波馈送的音频扬声器610A和610B执行的实验中使用的一种布置结构。在该变形例中，520A由射频正弦波馈送，以调节探测频率，从而与布里渊增益谱的-3dB点重合，这两个部分的增益谱相同。以3.33MHz的重复率使用15ns宽的泵浦脉冲，针对每个泵浦脉冲产生布里渊放大的探测波的强度的300个记录的样品。取样数据设置在N行×M列的矩阵内，其中，M为每个泵浦脉冲的示波器样品的数量（=300），N为在测量中使用的泵浦脉冲循环的数量。
图7为示出根据本发明的其他实施方式的在光纤内的可变探测信号和脉冲的示意图。与上述方法400B一致，探测信号20可由多个恒定频率段构成。每个段的周期等于受测光纤中的泵浦脉冲的一圈往返时间。在两个相邻频率之间的频率差小于布里渊增益洛伦兹带宽，能够使该频率梳覆盖具有计划频率分辨率的应变/温度的所需动态范围。在分析测量时，一种简单的算法可用于针对每个光纤段查找最靠近-3dB洛伦兹频率谱的探测频率，并且将其测量用于该特定的段。最佳频率越靠近-3dB点，可实现的动态范围就越宽。所使用的频率越多，覆盖的应变范围就越宽并且频率分辨率就越精细。在频率段的数量和测量的最大取样率之间具有清晰的权衡。
图8展现了分别在第一和第二部分内的上述矩阵的典型列的傅里叶变换，清晰地显示了两个振动频率。容易测量高达2KHz的振动频率。因此，矩阵的每一行包含有关沿着光纤的不同空间分辨率单元的信息，同时每一列包含单个的这种单元的时间历史。
为了通过与z相关的布里渊频移模仿光纤，使用包括五个光纤部分的光纤。使用以下配置：这个4m部分和两个12m部分松弛，而1m部分可静态并且单独地拉紧，以调节其各自的布里渊频移。这些拉紧的部分再次与正弦波馈送的音频扬声器耦合，以引起快速应变变化。使用具有15ns泵浦脉冲的传统BOTDA技术，射频正弦波在520A的输入处被扫描并且发现松弛部分的BGS的峰值从泵浦频率下移10.84GHz，而这两个拉紧部分的相应峰值分别下移10.94GHz和11GHz，其-3dB点分别位于10.91GHz和10.97GHz处。为了产生复数的、与时间相关的探测频率，使用宽频带的双通道任意波形发生器，该发生器通过后面的I/Q输入馈送微波向量信号发生器。为了将所建议的方法应用于上述光纤10，将AWG514的I通道编程，以发射0.04GHz的800ns正弦波，紧接着是800ns的0.1GHz正弦波。Q通道包括I通道的希尔伯特变换，将信号发生器的频率设为10.87GHz，以生成520A的射频输入，在10.91GHz（=10.87+0.04）处具有800ns，随后在10.97GHz（=10.87+0.1）处突发800ns。
现在返回上述实验，图9为示出根据图5的实验系统的实验结果的示图。示图900示出了针对三个不同的探测波沿着五部分光纤的经测量的布里渊增益。曲线图910示出了10.91GHz的均匀频移，其仅仅与最左边的1m部分匹配。曲线图920示出了10.97GHz的均匀频移，其仅仅与最右边的1m部分匹配。曲线图930示出了与这两个部分匹配的在图3中的探测20的复数波形。明显地，复数探测波允许单个泵浦脉冲同时测量和定位两个布里渊不同的光纤段。所观察的空间分辨率由15ns泵浦脉冲限制。使用复数探测波，将60Hz应用于左边的1m部分并且将100Hz应用于右边的1m部分，可同时记录所产生的振动。
图10为示出根据本发明的一些实施方式的实验结果的示图。总体上，图10展现了沿着受测的85米光纤的10米部分作为时间函数的经测量的振动。具体而言，图10描述了两个示图1000和1100，这两个示图示出了根据图5的实验系统的实验结果。因此，示图1000示出了在调节为具有不同的平均布里渊频移（BFS）时，例如在两个1米的光纤部分处测量的分别为150Hz和400Hz的应变引起的增益振动。使用扬声器（例如，扬声器610A和610B）可获得上述增益振动。示图1100示出了上述M×N矩阵两列的相应时间序列，其与受测光纤的第一部分和第二部分的中心对应。示图1000和1100示出了在信号已经经过1Khz的低通滤波器之后的测量。
本发明的其他方面包括构成几个适合的探测波，每个探测波拟合于分布式BGS的不同点。在这种情况下，每个泵浦脉冲可与一个不同的复数探测波相互作用，能够允许沿着受测光纤（例如，光纤10）快速问询BGS分布。因此，代替利用适合于仅仅与分布式BGS的一个-3dB点匹配的单个复杂探测波（如上所述），能够选择例如监测BGS上的三个点，例如，BGS（在每一侧上具有一个点）的两个-3dB点（或斜面中心），并且监测BGS的峰值。为了进行这种测量，例如，可构成三个不同的合适的探测波，以与这三个不同的BGS点匹配。每个泵浦脉冲遇到一个不同的复数探测波，从而拟合上述三个点中的一个。
最后，在这种实现方式中，在每三个顺序泵浦脉冲中，在相对很短的时间内，可在三个BGS点处问询光纤10的整个长度。使用本技术，可实现快速跟踪沿着光纤变化的分布式BGS。
虽然已经相对于数量有限的实施方式描述本发明，但是这些实施方式不应理解为对本发明的范围进行限制，而是理解为一些优选实施方式的例证。其他可能的变化、修改以及应用也在本发明的范围内。
Claims (18)
1.一种方法，包括：
推导受测光纤沿其长度的平均特性；
生成可变频率探测信号，使得所述可变频率被定制为在沿着所述光纤的指定点处与相应的所述平均特性匹配；
将所述可变频率探测信号注入所述光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入所述光纤的第二端，其中，同步进行所述注入，从而在沿着所述光纤的每一个所述指定点处进行受激布里渊散射，使得所述探测信号与所述泵浦信号之间的频率差匹配所述光纤的所述平均特性；以及
测量所述受激布里渊散射的出现，以产生表示沿着整个所述光纤的所有点处的应变和温度的数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤的所述平均特性与沿着整个布里渊不均匀光纤的非均匀应变相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，针对每个光纤部分，具有以第一频率和第一段长度表征的平均布里渊频移，所述探测信号具有相应特性第二频率和第二段长度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述探测波的每个频段被选择为与沿着相应的所述段的洛伦兹布里渊增益谱的斜面的预定点重合。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述光纤的平均特性缓慢改变的情况下，跟踪所述光纤随时间的所述平均特性并且重新调节所述可变频率探测信号的频率成分，以在所述注入时产生更好的同步。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述光纤的平均特性缓慢改变的情况下，评估来自距离z的强度波动的平均值，并且将所述平均值用作反馈信号，从而适当地重新调节所述可变频率探测信号的频率成分，以在所述注入时产生更好的同步。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述光纤的平均特性缓慢改变的情况下，通过生成并感测抖动探测信号来跟踪所述布里渊增益谱的峰值，以在所述注入时产生更好的同步。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述光纤的平均特性缓慢改变的情况下，以指定时间点重复执行常规的BOTODA测量，以在所述注入时产生更好的同步。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述生成中，产生多个不同的经定制的探测信号，从而每个经定制的探测信号与非均匀分布的BGS洛伦兹上的一个不同点匹配，并且其中，在所述注入中，将所述多个不同的经定制的探测信号注入所述光纤的所述第一端，并且将所述周期性脉冲信号注入所述光纤的所述第二端，其中，同步进行所述注入使得每个经定制的探测波遇到一个不同的泵浦脉冲，以根据在所述BGS洛伦兹上的一个指定点获得所述测量。
10.一种系统，包括：
用于推导受测光纤沿其长度的平均特性的装置；
第一光源，被配置为生成可变频率探测信号，从而所述可变频率被定制为在沿着所述光纤的指定点处与相应的所述平均特性匹配；
第二光源，被配置为生成周期性脉冲信号；
用于将所述可变频率探测信号注入所述光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入所述光纤的第二端的装置，其中，同步进行所述注入，从而在沿着所述光纤的每一个所述指定点处进行受激布里渊散射，使得所述探测信号与所述泵浦信号之间的频率差匹配所述光纤的所述平均特性；以及
测量装置，被配置为测量所述受激布里渊散射的出现，以产生表示沿着整个所述光纤的所有点处的应变和温度的数据。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光纤的所述平均特性与沿着整个布里渊不均匀光纤分布的平均应变/温度相关。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，针对每个光纤部分，具有以第一频率和第一段长度表征的平均布里渊频移，所述探测信号具有相应特性第二频率和第二段长度。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述探测波的每个频段被选择为与沿着相应段的洛伦兹布里渊增益谱的斜面的预定点重合。
14.根据权利要求10所述的系统，进一步包括以下装置：用于评估来自距离z的强度波动的平均值，并且将所述平均值用作反馈信号，从而适当地重新调节所述可变频率探测信号的频率成分，以在受测光纤的平均特性缓慢改变的情况下，在所述注入时产生更好的一致。
15.根据权利要求10所述的系统，进一步包括以下装置：以指定时间点重复执行常规的BOTODA测量，从而适当地重新调节所述可变频率探测信号的频率成分，以在所述受测光纤的平均特性缓慢改变的情况下，在所述注入时产生更好的一致。
16.一种方法，包括：
生成具有一个或多个均匀长度部分的周期性探测波，每个长度部分与一不同的布里渊移频相关以覆盖光纤的布里渊性能的频率范围；其中，每个泵浦脉冲被同步以遇到与其他段不同的恒定探测频率的一个段；
将所述可变频率探测信号注入所述光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入所述光纤的第二端，从而每个光纤部分具有与所述光纤的布里渊增益谱斜面中心最佳匹配的最佳匹配探测频率；以及
测量匹配的所述受激布里渊散射的出现，以产生表示沿着整个所述光纤的所有点处的应变和温度的数据。
17.一种系统，包括：
第一光源，被配置为生成可变频率探测信号，从而所述可变频率被定制为在沿着光纤的指定点处与所述光纤的相应的平均特性匹配；
第二光源，被配置为生成周期性脉冲信号；
用于将所述可变频率探测信号注入所述光纤的第一端并且将所述周期性脉冲信号注入所述光纤的第二端的装置，其中，同步进行所述注入，使得在沿着所述光纤的每一个点中进行受激布里渊散射，从而所述探测信号与所述泵浦信号之间的频率差匹配所述光纤的所述平均特性；以及
测量装置，被配置为测量所述受激布里渊散射的出现，以产生表示沿着整个所述光纤的所有点处的非均匀应变和温度的数据。
18.一种方法，包括：
推导受测光纤沿其长度的平均特性；
生成可变频率探测信号，使得所述可变频率探测信号呈现针对任何给定时间点的沿着所述光纤的不同点的不同频率；
将所述可变频率探测信号注入所述光纤的第一端并且将周期性脉冲信号注入所述光纤的第二端，其中，同步进行所述注入，从而在沿着所述光纤的每一个所述指定点处进行受激布里渊散射，使得所述探测信号与所述泵浦信号之间的频率差匹配所述光纤的所述平均特性；以及
测量所述受激布里渊散射的出现，以产生表示沿着整个所述光纤的所有点处的应变和温度的数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131211 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |