CN103743354A - 一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法，包括如下步骤：将激光信号分成两路；一路经宽带频移后产生光学外差检测本振光波、探测信号光波同时注入传感光纤；另一路激光经频谱展宽与脉冲发生器产生宽带布里渊脉冲泵浦光波注入传感光纤；设定调制器驱动电压波形引入线性啁啾，获得近似矩形谱的宽带激光，扩展传感光纤布里渊相移的线性区；将本振光波和探测信号光波通过光电转换产生的拍频信号与射频信号相干解调进行相干检测获取探测信号光波的布里渊相移；对传感光纤应变信号信息解调。本发明的优点在于：改善信噪比、增加动态应变测量范围、提高了检测速度。本发明还公开了一种基于布里渊相移检测的动态应变测量装置。

Description

一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及动态应变测量技术，具体是一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置。

背景技术

基于光纤中布里渊散射效应的分布式传感是近年来研究的热点技术，它可以感知整条光纤传感链路上应变的空间分布和随时间变化的信息，在桥梁、建筑、大坝等重大结构的健康安全监测中有重要应用前景。基于传感光纤中探测信号光与相向传输的泵浦光受激布里渊散射效应的布里渊分布光纤传感器，增强了探测信号，改善了信噪比，传感距离较远。然而，缩短测量时间和提高应变动态测量范围是其应用于结构健康安全监测的关键和难点。传统上，该技术基于探测信号光的强度检测，存在诸多不足：需要对泵浦光和探测信号光的频率差进行扫频以获取传感光纤的布里渊频移；为提高检测信号信噪比，需要对每个扫频点信号进行取样叠加平均以降低强度噪声影响等。上述过程极为耗时，限制了其在动态应变测量中的应用。目前，该技术应用于测量动态应变的报道中，应用的是传感光纤本征布里渊增益谱，对应的布里渊相移线性区极窄约～35MHz（对应～700με），大大限制了应变动态测量范围。

发明内容

为克服上述基于受激布里渊散射效应的光纤传感器在检测时间和应变动态测量范围方面的不足，本发明的目的在于提供一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置，这种测量方法及测量装置有效改善系统信噪比、降低测量时间和大大提高应变动态测量范围。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法，包括如下步骤：

（1）将激光信号分成两路；

（2）第一路激光经微波电光宽带频移后产生光学外差检测本振光波，本振光波通过相位调制产生探测信号光波，本振光波和探测信号光波同时注入传感光纤；

（3）第二路激光经相位调制频谱展宽后与脉冲发生器产生宽带布里渊脉冲泵浦光波注入传感光纤；设定调制器驱动电压波形引入线性啁啾，获得近似矩形谱的宽带激光，扩展传感光纤布里渊相移的线性区；

（4）将本振光波和探测信号光波通过光电转换产生的拍频信号与射频信号同时相干解调进行相干检测获取探测信号光波的布里渊相移；

（5）对传感光纤应变信号信息解调。

所述的第一路激光经微波电光宽带频移后的光波为光学外差检测的本振光波，在传感光纤中不与脉冲泵浦光发生受激布里渊散射。

所述的本振光波经调制后产生的第一阶边带信号为光学外差检测的探测信号光波，在传感光纤中与脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用。

实现上述基于布里渊相移检测的动态应变测量方法的测量装置，包括顺序连接的激光器、耦合器、微波电光频移装置、第一相位调制器、传感光纤，耦合器与第二相位调制器、脉冲发生器、环形器、传感光纤顺序连接；

所述的环形器顺序连接光电探测模块、射频解调模块、信号处理模块；

所述第一相位调制器顺序连接射频信号源、射频解调模块。

所述第一相位调制器通过第一掺铒光纤放大器与传感光纤连接。

设有第二掺铒光纤放大器与脉冲发生器、环形器连接。

这种方法的优点是：1）泵浦光波和探测光波频率固定，避免了耗时的扫频环节；2）光学外差检测的本振光和探测信号光有相同的传输路径，减弱了系统引入的光波相位噪声和电子学噪声，同时大大减弱强度噪声影响，提高检测信号信噪比；3）相位调制法展宽泵浦光波频谱，拓展了传感光纤布里渊相移线性区。

该装置的优点在于：

保持了传统布里渊光纤传感器结构及其在应变测量领域的优势，通过引入两个相位调制器分别实现光学外差检测和泵浦光谱展宽，有效降低了测量时间和提高了应变动态测量范围。

附图说明

图1为实施例中基于布里渊相移检测的动态应变测量装置的结构示意图；

图2为实施例中脉冲泵浦光波、探测信号光波频谱分布示意图；

图3为实施例中频谱展宽后的泵浦光产生的布里渊相移谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法，包括如下步骤：

（1）将激光信号分成两路；

（2）第一路激光经微波电光宽带频移后产生光学外差检测本振光波，本振光波通过相位调制产生探测信号光波，本振光波和探测信号光波同时注入传感光纤；

（3）第二路激光经相位调制频谱展宽后与脉冲发生器产生宽带布里渊脉冲泵浦光波注入传感光纤；设定调制器驱动电压波形引入线性啁啾，获得近似矩形谱的宽带激光，扩展传感光纤布里渊相移的线性区；

（4）将本振光波和探测信号光波通过光电转换产生的拍频信号与射频信号同时相干解调进行相干检测获取探测信号光波的布里渊相移；

（5）对传感光纤应变信号信息解调。

所述的第一路激光经微波电光宽带频移后的光波为光学外差检测的本振光波，在传感光纤中不与脉冲泵浦光发生受激布里渊散射。

所述的本振光波经调制后产生的第一阶边带信号为光学外差检测的探测信号光波，在传感光纤中与脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用。

参照图1，实现上述基于布里渊相移检测的动态应变测量方法的测量装置，包括顺序连接的激光器1、耦合器2、微波电光频移装置3、第一相位调制器4、传感光纤6，耦合器与第二相位调制器10、脉冲发生器9、环形器7、传感光纤6顺序连接；

所述的环形器7顺序连接光电探测模块11、射频解调模块12、信号处理模块14；

所述第一相位调制器4顺序连接射频信号源13、射频解调模块12。

所述第一相位调制器4通过第一掺铒光纤放大器5与传感光纤6连接。

设有第二掺铒光纤放大器8与脉冲发生器9、环形器7连接。

具体地，

（1）激光器1的光信号经耦合器分成两路光波：第一路光波经微波电光频移装置3宽带频移后与第一相位调制器4连接，用于产生本振光波和探测信号光波，第一相位调制器4的第二输入端与射频信号源13连接，所述第一相位调制器4的输出光波经第一掺铒光纤放大器5放大后注入传感光纤6，传感光纤6的输出端与环形器7的第二端口7-2连接；

第二路光波经第二相位调制器10频谱展宽后与脉冲发生器9连接，用于产生宽带布里渊脉冲泵浦光，脉冲发生器9的输出光脉冲经第二掺铒光纤放大器8放大后连接环形器7第一端口7-1注入传感光纤6；

环形器7的第三端口7-3将本振光和探测信号光输出至光电转换模块11，光电转换模块11产生的拍频信号与射频信号源13同时输入射频解调模块12进行相干检测获取探测信号光的布里渊相移，最后由信号处理模块14完成所述传感光纤6应变信息的解调。

本发明基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置的原理如下：

图2中ω₀为激光器（1）的角频率；ω_m为第一路激光经微波电光宽带频移后的本振光角频率；ω_RF为射频信号源（13）的工作角频率；g(ω)为泵浦光产生的布里渊增益谱；δω_P为展宽的泵浦光全宽半高谱宽。

图3中Δω为频率失谐量，Δω=ω_m+ω_RF-ω₀+Ω_B(z)，Ω_B(z)为传感光纤的布里渊频移；Φ_SBS为探测信号光的布里渊相移。

传感光纤本征布里渊增益谱带宽窄，应变测量动态范围小。宽带光泵浦的布里渊散射理论表明有效布里渊增益谱为泵浦光谱与本征布里渊增益谱的卷积；泵浦光带宽远大于本征布里渊增益谱带宽的情况下，有效布里渊增益谱与泵浦光谱形状基本相同。本发明通过外加相位调制器展宽泵浦光谱宽并进而增加传感光纤布里渊增益谱及其对应的布里渊相移谱线性区。

本振光和信号光在光电转换模块上拍频产生的角频率为ω_RF的电信号为：

$i\left(t\right)=R\sqrt{P_L{P}_{\mathrm{Probe}}{G}_{\mathrm{SBS}}\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)}\cos [{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{SBS}}\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)+\mathrm{\Δ\φ}]---\left(1\right)$

上式中，R表示光电探测模块的响应度；P_L和P_Probe分别表示本振光和探测信号光的功率；G_SBS(Δω)表示泵浦光对探测信号光的布里渊增益系数，其中Δω为频率失谐量，Δω=ω_m+ω_RF-ω₀+Ω_B(z)，Ω_B(z)为传感光纤的布里渊频移，是位置坐标z的函数，与传感光纤所受的应变大小有光；Φ_SBS(Δω)为探测信号由脉冲泵浦光受激布里渊放大产生布里渊相移，包含有待测应变信息；Δφ为探测信号光与本振光由于光纤色散产生相位差，由于两者频率差仅为1GHz，因此Δφ≈0。

（2）所述光电转换模块11产生的拍频信号与射频信号源13通过射频解调模块12相干解调，获取探测信号光的布里渊相移Φ_SBS(Δω)，具体关系如下：

（3）根据图3确定布里渊相移谱Φ_SBS(Δω)线性区，由信号处理模块14计算出传感光纤的布里渊频移Ω_B(z)分布，并根据布里渊频移与应变的线性关系确定传感光纤应变分布。布里渊相移谱Φ_SBS(Δω)的线性区关系为：

上式中，Φ₀表示频率失谐量为0时的探测信号光布里渊相移，

表示布里渊相移谱Φ_SBS(Δω)线性区的斜率。传感光纤布里渊频移Ω_B(z)与外界的应变ε的关系为：

Ω_B=Ω_B0+C_εε    （4）

上式中，Ω_B0表示无应变时传感光纤的布里渊频移，C_ε表示布里渊频移的应变系数，C_ε=(0.048±0.004)MHz/με。由（3）式和（4）式可以计算出传感光纤的应变：

具体地，激光器1为系统光源，光谱线宽为10MHz，输出功率大于20mW，中心波长为1550nm，耦合器2将激光器1输出的激光分为两路分别用于产生探测信号光波和脉冲泵浦光波。第一路光波输入微波电光频移装置3，使输入光波产生12GHz宽带频率下移，频移后的光波为外差检测的本振光波，角频率为ω_m，如图2所示；所述微波电光频移装置3输出端与第一相位调制器4相连，由射频信号源13对注入的本振光波进行相位调制，通过控制相位调制器的调制系数，忽略高阶边带的影响，其中一阶上边带信号为光学外差检测的探测信号光，角频率为ω_m+ω_RF，所述射频信号源13的工作频率为1GHz；本振光和探测信号光经第一掺铒光纤放大器5放大后注入传感光纤6，传感光纤6为标准单模通信光纤，1550nm波段的布里渊频移为11GHz。第二路光波经耦合器2输出后注入第二相位调制器10，使光波的频谱宽度δω_P展宽至200MHz，如图2所示，展宽后的光波依次连接脉冲发生器9和第二掺铒光纤放大器8，分别用于泵浦脉冲的产生和放大，并经环形器7注入传感光纤6，第二掺铒光纤放大器8为高功率放大器，最大输出功率为26dBm；展宽后的泵浦光波产生的布里渊相移谱如图3所示，其线性区频谱宽度展宽至0.55δω_P=110MHz，为传感光纤本征谱线性区的3倍，应变动态测量范围相应扩大至传统的3倍。图3所示的布里渊相移谱线性区宽度由第二相位调制器10控制。第一光路中的本振光波和探测信号光波与第二光路中泵浦脉冲光波传感光纤中相向传输，仅探测信号光受到泵浦脉冲的受激布里渊散射效应放大并产生布里渊相移。本振光波和探测信号光波从传感光纤6输出后由环形器7第三端口7-3输出至光电转换模块11进行光学外差，产生的拍频信号与射频信号源13同时输入射频解调模块12进行相干解调获取探测信号光的布里渊相移，光电转换模块11的带宽为1.2GHz。最后，由信号处理模块14依据布里渊相移与传感光纤布里渊频移、应变的关系解调出所述传感光纤6的应变空间分布和动态变化信息。

Claims (6)

1.一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）将激光信号分成两路；

（2）第一路激光经微波电光宽带频移后产生光学外差检测本振光波，本振光波通过相位调制产生探测信号光波,本振光波和探测信号光波同时注入传感光纤；

（3）第二路激光经相位调制频谱展宽后与脉冲发生器产生宽带布里渊脉冲泵浦光波注入传感光纤；设定调制器驱动电压波形引入线性啁啾，获得近似矩形谱的宽带激光，扩展传感光纤布里渊相移的线性区； 

（4）将本振光波和探测信号光波通过光电转换产生的拍频信号与射频信号相干解调进行相干检测获取探测信号光波的布里渊相移；

（5）对传感光纤应变信号信息解调。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊相移检测的动态应变测量方法，其特征是，第一路激光经微波电光宽带频移后的光波为光学外差检测的本振光波，在传感光纤中不与脉冲泵浦光发生受激布里渊散射。

3.根据权利要求2所述的基于布里渊相移检测的动态应变测量方法，其特征是，所述的本振光波经调制后产生的第一阶边带信号为光学外差检测的探测信号光波，在传感光纤中与脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用。

4.一种基于布里渊相移检测的动态应变测量装置，其特征是，包括顺序连接的激光器（1）、耦合器（2）、微波电光频移装置（3）、第一相位调制器（4）、传感光纤（6），耦合器与第二相位调制器（10）、脉冲发生器（9）、环形器（7）、传感光纤（6）顺序连接；

所述的环形器（7）顺序连接光电探测模块（11）、射频解调模块（12）、信号处理模块（14）；

所述第一相位调制器（4）顺序连接射频信号源（13）、射频解调模块（12）。

5.根据权利要求4所述的基于布里渊相移检测的动态应变测量装置，其特征是，所述第一相位调制器（4）通过第一掺铒光纤放大器（5）与传感光纤（6）连接。

6.根据权利要求4所述的基于布里渊相移检测的动态应变测量装置，其特征是，设有第二掺铒光纤放大器（8）与脉冲发生器（9）、环形器（7）连接。

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