CN103913185B - 布里渊光纤传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种布里渊光纤传感系统及方法，其同时采用了光差分参量放大、三频探测光和相干探测三种技术。由于，光差分参量放大方法可以将布里渊光纤传感系统的空间分辨率提高到次米量级；相干探测技术可以提高系统的信噪比、测量精度和增加传感距离；三频探测光技术补偿了两束泵浦脉冲光的功率损耗，可以大大减小在长距离传感中因两束泵浦脉冲光功率不匹配和损耗带来的非局域效应，进一步提高测量精度。因此，本发明可以在保证布里渊光纤传感系统具有较长传感距离的同时，还能实现次米量级的空间分辨率和较高的测量精度。

Description

布里渊光纤传感系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种布里渊光纤传感系统及方法。

背景技术

当光纤中相向传输的两束光波的频率差在光纤固有布里渊增益范围内时，这两束光通过声波场发生受激布里渊作用，两束光之间发生能量转移，当两束光的频率差等于光纤固有的布里渊频移（BFS）时，能量转移量最大，据此可以测量出沿光纤长度的布里渊频移分布，布里渊光时域分析（BOTDA）技术正是基于上述原理，并利用布里渊频移（BFS）与温度和应变之间的线性关系来实现分布式温度和应变传感的。BOTDA具有长距离、高测量精度等特点，在桥梁大坝等大型土木工程和油气管道的结构健康监测中有着巨大的潜在用途。

受声子寿命10ns的限制，传统直接探测方式的BOTDA系统的最好空间分辨率为1m，此外由于光纤非线性效应的存在，传统BOTDA的传感长度受泵浦脉冲光所允许的最大光功率和由于泵浦脉冲的功率损耗造成的非局域效应的限制，这些不足极大限制了BOTDA系统的应用场合。为提高系统的空间分辨率，人们提出了差分脉冲对的方法，但是这种方法需要两倍的测量时间，为此人们还提出了光路差分的方案，即在光域上同时注入脉冲宽度不同的斯托克斯泵浦光和反斯托克斯泵浦光，同时利用它们与探测光作用带来的布里渊增益和布里渊损耗相减的过程，最后测量探测光的光功率随时间的变化，但是因为光路差分后的布里渊增益信号相对较弱，所以传感距离不长，测量误差较大，此外，两束泵浦脉冲光功率不匹配和损耗带来的非局域效应也会造成测量的系统误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光差分参量放大、三频探测光和相干探测的布里渊光纤传感系统及方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种布里渊光纤传感系统，主要由窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、第三电光调制器、第四电光调制器、微波信号源、频分器、第一光环形器、第二光环形器、FBG滤波器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、脉冲信号发生器、掺铒光纤放大器、传感光纤、第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、隔离器、扰偏器、移频器、平衡光电探测器和数据采集处理模块组成；

窄线宽激光器的输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的两路输出端分别连接第一电光调制器的输入端和第二耦合器的输入端；

微波信号源经频分器连接第一电光调制器的射频接口；第一电光调制器的输出端连接第一光环形器的第一端口，第一光环形器的第二端口经FBG滤波器连接第一偏振控制器的输入端，第一光环形器的第三端口直接连接第二偏振控制器的输入端；第一偏振控制器的输出端经第三电光调制器连接第一3dB耦合器的一个输入端，第二偏振控制器经第四电光调制器连接第一3dB耦合器的另一个输入端；脉冲信号发生器分别连接第三电光调制器和第四电光调制器的控制端；第一3dB耦合器的输出端经掺铒光纤放大器连接第二光环形器的第一端口；

第二耦合器的两路输出端分别连接第二电光调制器的输入端和移频器的输入端；微波信号源直接连接第二电光调制器的射频接口；第二电光调制器的输出端经隔离器连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接沿传感光纤的一端；传感光纤的另一端连接第二光环形器的第二端口；移频器的输出端连接第二3dB耦合器的一个输入端，第二3dB耦合器的另一个输入端连接第二光环形器的第三端口，第二3dB耦合器的输出端经平衡光电探测器与数据采集处理模块相连。

上述系统中，所述移频器的移频量f大于传感光纤固有布里渊增益谱的3dB谱宽的4倍。

上述系统中，所述FBG滤波器为3dB滤波带宽为10GHz的光纤光栅FBG滤波器。

上述系统中，所述第一至第四电光调制器均采用铌酸锂强度调制器。

上述系统中，所述传感光纤为普通单模光纤。

上述系统中，所述平衡光电探测器的探测带宽为1GHz。

上述布里渊光纤传感系统所实现的布里渊光纤传感方法，包括如下步骤：

所述窄线宽激光器发出频率为v₀的连续光被第一耦合器分成两路连续光，即第一路连续光和第二路连续光；其中

第一路连续光由工作在抑制载频模式的第一电光调制器调制成频率分别为v₀+f_m和v₀-f_m的反斯托克斯和斯托克斯两个边带；其中f_m为微波信号源输出微波信号经频分器后给第一电光调制器的微波调制频率；上述两个边带经过与第一光环形器相连的FBG滤波器进行分离，分离后的两个边带分别由第三电光调制器和第四电光调制器调制成脉冲宽度不等但脉冲前沿对齐的两束泵浦脉冲光；第三电光调制器和第四电光调制器的脉冲宽度的大小由脉冲信号发生器控制，第一偏振控制器和第二偏振控制器通过减小光偏振态对第三电光调制器和第四电光调制器的影响；调制好的两束泵浦脉冲光经第一3dB耦合器一起经过掺铒光纤放大器放大到预期峰值功率后由第二光环形器进入传感光纤的一端；

第二路连续光经第二耦合器再次分成两路连续光，即第三路连续光和第四路连续光；第三路连续光由第二电光调制器调制成频率分别为v₀+2f_m、v₀和v₀-2f_m的三个不同频率成分的探测光信号；其中2f_m为微波信号源输出的微波信号频率；上述探测光信号经过隔离器和扰偏器后进入传感光纤的另一端；探测光信号与调制好的两束泵浦脉冲光在传感光纤相遇时产生受激布里渊效应，频率为v₀的探测光信号携带了沿传感光纤分布的各点的温度或应变信息；第四路连续光由移频器移频f后作为本振光，此时本振光的频率为v₀+f；本振光与探测光信号经第二3dB耦合器耦合后由平衡光电探测器进行相干探测，平衡光电探测器输出的中频电信号由数据采集处理模块进行采集和处理，得到沿传感光纤的布里渊频移分布，再根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。

上述方法中，微波调制频率f_m等于传感光纤固有的布里渊频移量。

上述方法中，频率成分为v₀+2f_m的探测光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀+f_m的泵浦脉冲光，频率成分为v₀+f_m的泵浦脉冲光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀的探测光，频率成分为v₀的探测光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀-f_m的泵浦脉冲光，频率成分为v₀-f_m的泵浦脉冲光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀-2f_m的探测光，并且这四个能量转移过程是同时进行的。

上述方法中，微波信号源为第二电光调制器输出频率为2fm的微波调制信号，同时微波信号源输出频率为2f_m的微波信号经频分器分频后还为第一电光调制器提供频率为f_m的微波调制信号，并且这两个微波调制信号需要进行同步。

上述方法中，所述移频器的移频量f大于传感光纤固有布里渊增益谱的3dB谱宽的4倍。

与现有技术相比，本发明同时采用了光差分参量放大、三频探测光和相干探测三种技术。由于，光差分参量放大方法可以将布里渊光纤传感系统的空间分辨率提高到次米量级；相干探测技术可以提高系统的信噪比、测量精度和增加传感距离；三频探测光技术补偿了两束泵浦脉冲光的功率损耗，可以大大减小在长距离传感中因两束泵浦脉冲光功率不匹配和损耗带来的非局域效应，进一步提高测量精度。因此，本发明可以在保证布里渊光纤传感系统具有较长传感距离的同时，还能实现次米量级的空间分辨率和较高的测量精度。

附图说明

图1为一种布里渊光纤传感系统的示意图。

图2是两束泵浦脉冲与三频探测光相互作用过程的示意图。

具体实施方式

一种布里渊光纤传感系统，如图1所示，主要由窄线宽激光器01、第一耦合器02、第二耦合器03、第一电光调制器04、第二电光调制器06、第三电光调制器11、第四电光调制器13、微波信号源05、频分器051、第一光环形器07、第二光环形器16、FBG滤波器08、第一偏振控制器09、第二偏振控制器10、脉冲信号发生器12、掺铒光纤放大器15、传感光纤17、第一3dB耦合器14、第二3dB耦合器20、隔离器18、扰偏器19、移频器23、平衡光电探测器21和数据采集处理模块22组成。

窄线宽激光器01的输出端连接第一耦合器02的输入端，第一耦合器02的两路输出端分别连接第一电光调制器04的输入端和第二耦合器03的输入端。微波信号源05经频分器051连接第一电光调制器04的射频接口；第一电光调制器04的输出端连接第一光环形器07的第一端口，第一光环形器07的第二端口经FBG滤波器08连接第一偏振控制器09的输入端，第一光环形器07的第三端口直接连接第二偏振控制器10的输入端；第一偏振控制器09的输出端经第三电光调制器11连接第一3dB耦合器14的一个输入端，第二偏振控制器10经第四电光调制器13连接第一3dB耦合器14的另一个输入端；脉冲信号发生器12分别连接第三电光调制器11和第四电光调制器13的控制端；第一3dB耦合器14的输出端经掺铒光纤放大器15连接第二光环形器16的第一端口。第二耦合器03的两路输出端分别连接第二电光调制器06的输入端和移频器23的输入端；微波信号源05直接连接第二电光调制器06的射频接口；第二电光调制器06的输出端经隔离器18连接扰偏器19的输入端，扰偏器19的输出端连接沿传感光纤17的一端；传感光纤17的另一端连接第二光环形器16的第二端口；移频器23的输出端连接第二3dB耦合器20的一个输入端，第二3dB耦合器20的另一个输入端连接第二光环形器16的第三端口，第二3dB耦合器20的输出端经平衡光电探测器21与数据采集处理模块22相连。

在本发明中，所述移频器23的移频量f大于传感光纤17固有布里渊增益谱的3dB谱宽的4倍。本实施例采用频率上移200MHz的声光调制器作为移频器。所述FBG滤波器08为3dB滤波带宽为10GHz的光纤光栅FBG滤波器。所述第一至第四电光调制器04，06，11，13均采用铌酸锂强度调制器。所述掺铒光纤放大器15将两束泵浦脉冲光的期峰值功率放大到约20dBm。所述传感光纤17为普通单模光纤。所述平衡光电探测器21的探测带宽为1GHz。所述微波信号源05输出的微波信号经频分器051后为第一电光调制器04提供11GHz左右的微波调制信号，所述微波信号源05还为第二电光调制器06提供22GHz左右的微波调制信号，并以2MHz为步长进行扫频以测量出布里渊增益谱，进而实现布里渊频移分布的测量，最后再根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。所述脉冲信号发生器12采用安捷伦公司生产的、型号为8110A脉冲信号发生器，脉冲信号发生器输出脉冲宽度为45ns和50ns的电脉冲信号，分别对第三电光调制器11和第四电光调制器13进行控制，这可以让传感系统实现50cm的空间分辨率。

所述基于光差分参量放大、三频探测光和相干探测的布里渊光纤传感系统所能实现的空间分辨率由所述的两束泵浦脉冲光的脉冲宽度差决定。

上述布里渊光纤传感系统所实现的布里渊光纤传感方法，包括如下步骤：

波长为1550nm、线宽小于1MHz的窄线宽激光器01发出频率为v₀的连续光被第一耦合器02分成两路连续光，即第一路连续光和第二路连续光。第一路连续光由工作在抑制载频模式的第一电光调制器04调制成频率分别为v₀+f_m和v₀-f_m的反斯托克斯和斯托克斯两个边带；其中f_m为微波信号源05输出微波信号经频分器051后给第一电光调制器04的微波调制频率；上述两个边带经过与第一光环形器07相连的FBG滤波器08进行分离，分离后的两个边带分别由第三电光调制器11和第四电光调制器13调制成脉冲宽度不等但脉冲前沿对齐的两束泵浦脉冲光，以实现光学差分放大作用；第三电光调制器11和第四电光调制器13的脉冲宽度的大小由脉冲信号发生器12控制，第一偏振控制器09和第二偏振控制器10通过减小光偏振态对第三电光调制器11和第四电光调制器13的影响；调制好的两束泵浦脉冲光经第一3dB耦合器14一起经过掺铒光纤放大器15放大到预期峰值功率后由第二光环形器16进入传感光纤17的一端。第二路连续光经第二耦合器03再次分成两路连续光，即第三路连续光和第四路连续光；第三路连续光由第二电光调制器06调制成频率分别为v₀+2f_m、v₀和v₀-2f_m的三个不同频率成分的探测光信号；其中2f_m为微波信号源05输出的微波信号频率；上述探测光信号经过隔离器18和扰偏器19后进入传感光纤17的另一端；探测光信号与调制好的两束泵浦脉冲光在传感光纤17相遇时产生受激布里渊效应，频率为v₀的探测光信号携带了沿传感光纤17分布的各点的温度或应变信息；第四路连续光由移频器23移频f后作为本振光，此时本振光的频率为v₀+f；本振光与探测光信号经第二3dB耦合器20耦合后由平衡光电探测器21进行相干探测，平衡光电探测器21输出的中频电信号由数据采集处理模块22进行采集和处理，得到沿传感光纤17的布里渊频移分布，再根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。

微波信号源05为第二电光调制器06输出频率为2f_m的微波调制信号，同时微波信号源05输出频率为2f_m的微波信号经频分器051分频后还为第一电光调制器04提供频率为f_m的微波调制信号，并且这两个微波调制信号需要进行同步。通过调节所述微波信号源05输出的微波信号频率进行布里渊增益谱的扫频测量。

泵浦脉冲光包含频率分别为v₀+f_m和v₀-f_m的反斯托克斯和斯托克斯两个频率成分的脉冲光，所述探测光包含频率分别为v₀+2f_m、v₀和v₀-2f_m的三个不同频率成分的探测光信号，调制频率f_m约为传感光纤17的布里渊频移量。

两束泵浦脉冲与三频探测光相互作用过程如图2所示，频率成分为v₀+2f_m的探测光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀+f_m的泵浦脉冲光，频率成分为v₀+f_m的泵浦脉冲光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀的探测光，频率成分为v₀的探测光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀-f_m的泵浦脉冲光，频率成分为v₀-f_m的泵浦脉冲光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀-2f_m的探测光，并且这四个能量转移过程是同时进行的，这可以大大减小因两束泵浦脉冲光功率不匹配和损耗带来的非局域效应，减小系统在长距离传感时的测量误差。

移频器23的移频量f大于4倍的传感光纤17固有布里渊增益谱的3dB谱宽，本实施例采用频率上移200MHz的声光调制器作为移频器。

数据采集处理模块22所提取的是频率为v₀的探测光信号与频率为v₀+f的本振光相干探测后的中频电信号。

所述基于光差分参量放大、三频探测光和相干探测的布里渊光纤传感系统所能实现的空间分辨率由所述的两束泵浦脉冲光的脉冲宽度差决定。

本发明同时采用了光差分参量放大、三频探测光和相干探测三种技术，光差分参量放大方法可以将布里渊光纤传感系统的空间分辨率提高到次米量级，相干探测技术可以提高系统的信噪比、测量精度和增加传感距离，三频探测光技术补偿了两束泵浦脉冲光的功率损耗，可以大大减小在长距离传感中因两束泵浦脉冲光功率不匹配和损耗带来的非局域效应，进一步提高测量精度。

上述实施例仅用于说明本发明，但它并不是用来限定本发明，本领域的开发人员可以对本发明的实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.布里渊光纤传感系统，其特征在于：主要由窄线宽激光器（01）、第一耦合器（02）、第二耦合器（03）、第一电光调制器（04）、第二电光调制器（06）、第三电光调制器（11）、第四电光调制器（13）、微波信号源（05）、频分器（051）、第一光环形器（07）、第二光环形器（16）、FBG滤波器（08）、第一偏振控制器（09）、第二偏振控制器（10）、脉冲信号发生器（12）、掺铒光纤放大器（15）、传感光纤（17）、第一3dB耦合器（14）、第二3dB耦合器（20）、隔离器（18）、扰偏器（19）、移频器（23）、平衡光电探测器（21）和数据采集处理模块（22）组成；

窄线宽激光器（01）的输出端连接第一耦合器（02）的输入端，第一耦合器（02）的两路输出端分别连接第一电光调制器（04）的输入端和第二耦合器（03）的输入端；

微波信号源（05）经频分器（051）连接第一电光调制器（04）的射频接口；第一电光调制器（04）的输出端连接第一光环形器（07）的第一端口，第一光环形器（07）的第二端口经FBG滤波器（08）连接第一偏振控制器（09）的输入端，第一光环形器（07）的第三端口直接连接第二偏振控制器（10）的输入端；第一偏振控制器（09）的输出端经第三电光调制器（11）连接第一3dB耦合器（14）的一个输入端，第二偏振控制器（10）经第四电光调制器（13）连接第一3dB耦合器（14）的另一个输入端；脉冲信号发生器（12）分别连接第三电光调制器（11）和第四电光调制器（13）的控制端；第一3dB耦合器（14）的输出端经掺铒光纤放大器（15）连接第二光环形器（16）的第一端口；

第二耦合器（03）的两路输出端分别连接第二电光调制器（06）的输入端和移频器（23）的输入端；微波信号源（05）直接连接第二电光调制器（06）的射频接口；第二电光调制器（06）的输出端经隔离器（18）连接扰偏器（19）的输入端，扰偏器（19）的输出端连接沿传感光纤（17）的一端；传感光纤（17）的另一端连接第二光环形器（16）的第二端口；移频器（23）的输出端连接第二3dB耦合器（20）的一个输入端，第二3dB耦合器（20）的另一个输入端连接第二光环形器（16）的第三端口，第二3dB耦合器（20）的输出端经平衡光电探测器（21）与数据采集处理模块（22）相连。

2.根据权利要求1所述的布里渊光纤传感系统，其特征在于：所述移频器（23）的移频量f大于传感光纤（17）固有布里渊增益谱的3dB谱宽的4倍。

3.根据权利要求1所述的布里渊光纤传感系统，其特征在于：所述FBG滤波器（08）为3dB滤波带宽为10GHz的光纤光栅FBG滤波器。

4.根据权利要求1所述的布里渊光纤传感系统，其特征在于：所述第一至第四电光调制器（04，06，11，13）均采用铌酸锂强度调制器。

5.根据权利要求1所述的布里渊光纤传感系统，其特征在于：所述传感光纤（17）为普通单模光纤。

6.基于权利要求1所述布里渊光纤传感系统所实现的布里渊光纤传感方法，其特征是包括如下步骤：

所述窄线宽激光器（01）发出频率为v0的连续光被第一耦合器（02）分成两路连续光，即第一路连续光和第二路连续光；其中

第一路连续光由工作在抑制载频模式的第一电光调制器（04）调制成频率分别为v₀+f_m和v₀-f_m的反斯托克斯和斯托克斯两个边带；其中f_m为微波信号源（05）输出微波信号经频分器（051）后给第一电光调制器（04）的微波调制频率；上述两个边带经过与第一光环形器（07）相连的FBG滤波器（08）进行分离，分离后的两个边带分别由第三电光调制器（11）和第四电光调制器（13）调制成脉冲宽度不等但脉冲前沿对齐的两束泵浦脉冲光；第三电光调制器（11）和第四电光调制器（13）的脉冲宽度的大小由脉冲信号发生器（12）控制，第一偏振控制器（09）和第二偏振控制器（10）通过减小光偏振态对第三电光调制器（11）和第四电光调制器（13）的影响；调制好的两束泵浦脉冲光经第一3dB耦合器（14）一起经过掺铒光纤放大器（15）放大到预期峰值功率后由第二光环形器（16）进入传感光纤（17）的一端；

第二路连续光经第二耦合器（03）再次分成两路连续光，即第三路连续光和第四路连续光；第三路连续光由第二电光调制器（06）调制成频率分别为v₀+2f_m、v₀和v₀-2f_m的三个不同频率成分的探测光信号；其中2f_m为微波信号源（05）输出的微波信号频率；上述探测光信号经过隔离器（18）和扰偏器（19）后进入传感光纤（17）的另一端；探测光信号与调制好的两束泵浦脉冲光在传感光纤（17）相遇时产生受激布里渊效应，频率为v₀的探测光信号携带了沿传感光纤（17）分布的各点的温度或应变信息；第四路连续光由移频器（23）移频f后作为本振光，此时本振光的频率为v₀+f；本振光与探测光信号经第二3dB耦合器（20）耦合后由平衡光电探测器（21）进行相干探测，平衡光电探测器（21）输出的中频电信号由数据采集处理模块（22）进行采集和处理，得到沿传感光纤（17）的布里渊频移分布，再根据布里渊频移与温度和应变的解调关系，实现光纤分布式温度或应变的传感。

7.根据权利要求6所述的布里渊光纤传感方法，其特征是：微波调制频率f_m等于传感光纤（17）固有的布里渊频移量。

8.根据权利要求6所述的布里渊光纤传感方法，其特征是：频率成分为v₀+2f_m的探测光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀+f_m的泵浦脉冲光，频率成分为v₀+f_m的泵浦脉冲光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀的探测光，频率成分为v₀的探测光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀-f_m的泵浦脉冲光，频率成分为v₀-f_m的泵浦脉冲光通过受激布里渊效应将能量转移给频率为v₀-2f_m的探测光，并且这四个能量转移过程是同时进行的。

9.根据权利要求6所述的布里渊光纤传感方法，其特征是：微波信号源（05）为第二电光调制器（06）输出频率为2f_m的微波调制信号，同时微波信号源（05）输出频率为2f_m的微波信号经频分器（051）分频后还为第一电光调制器（04）提供频率为f_m的微波调制信号，并且这两个微波调制信号需要进行同步。

10.根据权利要求6所述的布里渊光纤传感方法，其特征是：所述移频器（23）的移频量f大于传感光纤（17）固有布里渊增益谱的3dB谱宽的4倍。