CN105136177A - 一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法。本发明解决了现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、传感距离严重受限、空间分辨率低的问题。一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置，包括混沌激光器、1×2光纤耦合器、高速电光调制器、微波信号源、第一光放大器、光隔离器、光扰偏器、可变光延迟线、低速电光调制器、第二光放大器、光环行器、传感光纤、光电探测器、锁相放大器、信号发生器、数据采集卡、计算机。本发明适用于分布式光纤传感领域。

Description

一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感系统因具有分布式测量、监测距离长、空间分辨率高、响应时间快、抗电磁干扰等优势，已被广泛应用于航空航天、石油化工、电力工业、核工业、土木工程及军事等领域。目前，分布式光纤传感系统依据光纤中的散射机制可分为如下三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于其在温度和应变测量上所能达到的测量精度、传感距离、空间分辨率相比另外两种分布式光纤传感系统具有明显的优势，并且能实现对温度和应变的同时测量，而成为该领域的研究热点。

在现有技术条件下，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统可分为如下两种：基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统、基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统因其自身原理所限，存在空间分辨率低、测量时间长的问题，导致其适用范围严重受限（例如，其不适用于飞机机翼、火箭和风力涡轮叶片等结构状态的分布式传感检测）。基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统又可分为如下两种：基于布里渊光相干域反射（BOCDR,BrillouinOpticalCorrelationDomainReflectometry）的分布式光纤传感系统、基于布里渊光相干域分析（BOCDA,BrillouinOpticalCorrelationDomainAnalysis）的分布式光纤传感系统。相较于基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统，基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统可以明显提高空间分辨率。例如，日本东京大学的KazuoHotate等人提出利用正弦信号对光源进行频率调制，可以构造成相干峰具有周期性的相干函数，从而实现传感距离为100m、空间分辨率为40cm的BOCDR系统（OpticsExpress,2008,vol.16,no.16,12148）。又例如，日本东京大学的KazuoHotate等人利用正弦信号频率调制光源输出，构建了传感距离为20m、空间分辨率为10cm的BOCDA系统（PhotonicsTechnologyLetters,2007,vol.19,no.23,1928）。然而，基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统因其自身原理所限，存在无法兼顾空间分辨率和传感距离的问题。

为了克服基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离的问题，中国专利ZL201310045097.3公开了一种基于混沌激光信号相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法。然而，该装置及其测量方法因其自身原理所限，存在传感距离严重受限、空间分辨率低的问题，具体阐述如下：一方面，该装置及其测量方法是基于传感光纤中的自发布里渊散射过程实现的，由于传感光纤中的自发布里渊散射产生的斯托克斯光信号功率比较低，导致其传感距离会受到严重限制。另一方面，在该装置及其测量方法中，散射回的斯托克斯光信号相对于作为参考信号的混沌激光信号，其光谱宽度产生了明显窄化，导致其空间分辨率大幅降低。

基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤传感系统，以解决现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、传感距离严重受限、空间分辨率低的问题。

发明内容

本发明为了解决现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、传感距离严重受限、空间分辨率低的问题，提供了一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置，包括混沌激光器、1×2光纤耦合器、高速电光调制器、微波信号源、第一光放大器、光隔离器、光扰偏器、可变光延迟线、低速电光调制器、第二光放大器、光环行器、传感光纤、光电探测器、锁相放大器、信号发生器、数据采集卡、计算机；

其中，混沌激光器的出射端与1×2光纤耦合器的入射端连接；

1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器的入射端连接；高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器的入射端连接；微波信号源的信号输出端与高速电光调制器的信号输入端连接；第一光放大器的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器的入射端连接；光扰偏器的出射端与传感光纤的一端连接；

1×2光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的入射端连接；可变光延迟线的出射端通过单模光纤跳线与低速电光调制器的入射端连接；低速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器的入射端连接；第二光放大器的出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；光环行器的反射端与传感光纤的另一端连接；

光环行器的出射端通过单模光纤跳线与光电探测器的入射端连接；光电探测器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端连接；锁相放大器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接；信号发生器的信号输出端分别与低速电光调制器的信号输入端和锁相放大器的参考信号端连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接。

一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感方法（该方法在本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

a.混沌激光器发出的混沌激光信号经1×2光纤耦合器分为两路：第一路混沌激光信号作为探测光信号，第二路混沌激光信号作为泵浦光信号；探测光信号先经过高速电光调制器，并被微波信号源输出的正弦信号调制，使得探测光信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经第一光放大器、光隔离器、光扰偏器进行放大、隔离、扰偏后进入传感光纤；泵浦光信号先经可变光延迟线进行延迟，然后经过低速电光调制器，并被信号发生器输出的方波信号调制，而后依次经第二光放大器、光环行器进行放大、环行后进入传感光纤；

b.探测光信号和泵浦光信号在传感光纤中的某一位置处发生受激布里渊散射作用，由此产生斯托克斯光信号；斯托克斯光信号和泵浦光信号发生干涉拍频作用，由此产生拍频光信号；拍频光信号经光环行器进行环行后进入光电探测器，并经光电探测器转换为电信号；电信号经过锁相放大器，并被信号发生器输出的方波信号锁相放大，然后经数据采集卡进行A/D转换后进入计算机，并经计算机进行分析，由此得到探测光信号和泵浦光信号在传感光纤中发生受激布里渊散射作用的位置处的温度和应变信息；通过可变光延迟线可以调节泵浦光信号的光程，使得探测光信号和泵浦光信号在传感光纤中的不同位置处发生受激布里渊散射作用，由此得到传感光纤中任意位置处的温度和应变信息。

与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法具有如下优点：其一，与基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统相比，本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法是利用混沌激光信号进行分布式光纤传感检测，由于混沌激光信号是一种低相干态的激光信号，只能和其完全复制的光信号产生相干作用，因此本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法的空间分辨率仅由混沌激光信号的相干长度决定，而与传感距离无关，由此其能够完全兼顾空间分辨率和传感距离，从而彻底克服了基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离的问题。其二，与中国专利ZL201310045097.3公开的一种基于混沌激光信号相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法相比，本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法具有如下优点：一方面，该装置及方法是基于传感光纤中的受激布里渊散射过程实现的，由于传感光纤中的受激布里渊散射产生的斯托克斯光信号相对于自发布里渊散射产生的斯托克斯光信号功率更高，使得传感距离得到了极大扩展。另一方面，在该装置及方法中，由于斯托克斯光信号和泵浦光信号之间的干涉拍频过程和受激布里渊散射过程同时进行，不仅使得斯托克斯光信号在传输过程中其光谱不会受到光纤传输特性的影响，而且使得斯托克斯光信号的光谱宽度不会产生窄化现象，由此使得空间分辨率得到了大幅提高（试验表明，本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法的传感距离可达到几百公里，空间分辨率可达到亚毫米量级）。

本发明有效解决了现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、传感距离严重受限、空间分辨率低的问题，适用于分布式光纤传感领域。

附图说明

图1是本发明的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置的结构示意图。

图中：1-混沌激光器，2-1×2光纤耦合器，3-高速电光调制器，4-微波信号源，5-第一光放大器，6-光隔离器，7-光扰偏器，8-可变光延迟线，9-低速电光调制器，10-第二光放大器，11-光环行器，12-传感光纤，13-光电探测器，14-锁相放大器，15-信号发生器，16-数据采集卡，17-计算机。

具体实施方式

一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置，包括混沌激光器1、1×2光纤耦合器2、高速电光调制器3、微波信号源4、第一光放大器5、光隔离器6、光扰偏器7、可变光延迟线8、低速电光调制器9、第二光放大器10、光环行器11、传感光纤12、光电探测器13、锁相放大器14、信号发生器15、数据采集卡16、计算机17；

其中，混沌激光器1的出射端与1×2光纤耦合器2的入射端连接；

1×2光纤耦合器2的第一个出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器3的入射端连接；高速电光调制器3的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器5的入射端连接；微波信号源4的信号输出端与高速电光调制器3的信号输入端连接；第一光放大器5的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器6的入射端连接；光隔离器6的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器7的入射端连接；光扰偏器7的出射端与传感光纤12的一端连接；

1×2光纤耦合器2的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线8的入射端连接；可变光延迟线8的出射端通过单模光纤跳线与低速电光调制器9的入射端连接；低速电光调制器9的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器10的入射端连接；第二光放大器10的出射端通过单模光纤跳线与光环行器11的入射端连接；光环行器11的反射端与传感光纤12的另一端连接；

光环行器11的出射端通过单模光纤跳线与光电探测器13的入射端连接；光电探测器13的信号输出端与锁相放大器14的信号输入端连接；锁相放大器14的信号输出端与数据采集卡16的信号输入端连接；信号发生器15的信号输出端分别与低速电光调制器9的信号输入端和锁相放大器14的参考信号端连接；数据采集卡16的信号输出端与计算机17的信号输入端连接。

一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感方法（该方法在本发明所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

a.混沌激光器1发出的混沌激光信号经1×2光纤耦合器2分为两路：第一路混沌激光信号作为探测光信号，第二路混沌激光信号作为泵浦光信号；探测光信号先经过高速电光调制器3，并被微波信号源4输出的正弦信号调制，使得探测光信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经第一光放大器5、光隔离器6、光扰偏器7进行放大、隔离、扰偏后进入传感光纤12；泵浦光信号先经可变光延迟线8进行延迟，然后经过低速电光调制器9，并被信号发生器15输出的方波信号调制，而后依次经第二光放大器10、光环行器11进行放大、环行后进入传感光纤12；

b.探测光信号和泵浦光信号在传感光纤12中的某一位置处发生受激布里渊散射作用，由此产生斯托克斯光信号；斯托克斯光信号和泵浦光信号发生干涉拍频作用，由此产生拍频光信号；拍频光信号经光环行器11进行环行后进入光电探测器13，并经光电探测器13转换为电信号；电信号经过锁相放大器14，并被信号发生器15输出的方波信号锁相放大，然后经数据采集卡16进行A/D转换后进入计算机17，并经计算机17进行分析，由此得到探测光信号和泵浦光信号在传感光纤12中发生受激布里渊散射作用的位置处的温度和应变信息；通过可变光延迟线8可以调节泵浦光信号的光程，使得探测光信号和泵浦光信号在传感光纤12中的不同位置处发生受激布里渊散射作用，由此得到传感光纤12中任意位置处的温度和应变信息。

具体实施时，混沌激光器1由一个无内置光隔离器的F-P半导体激光器、任意两个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。混沌激光器1的中心波长为1530-1565nm、光谱宽度可调节且大于100GHz。1×2光纤耦合器2的耦合比为50:50。高速电光调制器3采用LN81S-FC型强度调制器。微波信号源4采用Model-SNP1012-520-01型微波信号源。第一光放大器5采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。可变光延迟线8采用光开关控制的多路分级光纤延迟线并串联MDL-002型电控可调光延迟线组合而成。第二光放大器10采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。传感光纤12采用G652系列单模光纤，其长度为250km。

Claims (2)

1.一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置，其特征在于：包括混沌激光器（1）、1×2光纤耦合器（2）、高速电光调制器（3）、微波信号源（4）、第一光放大器（5）、光隔离器（6）、光扰偏器（7）、可变光延迟线（8）、低速电光调制器（9）、第二光放大器（10）、光环行器（11）、传感光纤（12）、光电探测器（13）、锁相放大器（14）、信号发生器（15）、数据采集卡（16）、计算机（17）；

其中，混沌激光器（1）的出射端与1×2光纤耦合器（2）的入射端连接；

1×2光纤耦合器（2）的第一个出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器（3）的入射端连接；高速电光调制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器（5）的入射端连接；微波信号源（4）的信号输出端与高速电光调制器（3）的信号输入端连接；第一光放大器（5）的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器（6）的入射端连接；光隔离器（6）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（7）的入射端连接；光扰偏器（7）的出射端与传感光纤（12）的一端连接；

1×2光纤耦合器（2）的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（8）的入射端连接；可变光延迟线（8）的出射端通过单模光纤跳线与低速电光调制器（9）的入射端连接；低速电光调制器（9）的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（10）的入射端连接；第二光放大器（10）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（11）的入射端连接；光环行器（11）的反射端与传感光纤（12）的另一端连接；

光环行器（11）的出射端通过单模光纤跳线与光电探测器（13）的入射端连接；光电探测器（13）的信号输出端与锁相放大器（14）的信号输入端连接；锁相放大器（14）的信号输出端与数据采集卡（16）的信号输入端连接；信号发生器（15）的信号输出端分别与低速电光调制器（9）的信号输入端和锁相放大器（14）的参考信号端连接；数据采集卡（16）的信号输出端与计算机（17）的信号输入端连接。

2.一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感方法，该方法在如权利要求1所述的一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置中实现，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

a.混沌激光器（1）发出的混沌激光信号经1×2光纤耦合器（2）分为两路：第一路混沌激光信号作为探测光信号，第二路混沌激光信号作为泵浦光信号；探测光信号先经过高速电光调制器（3），并被微波信号源（4）输出的正弦信号调制，使得探测光信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经第一光放大器（5）、光隔离器（6）、光扰偏器（7）进行放大、隔离、扰偏后进入传感光纤（12）；泵浦光信号先经可变光延迟线（8）进行延迟，然后经过低速电光调制器（9），并被信号发生器（15）输出的方波信号调制，而后依次经第二光放大器（10）、光环行器（11）进行放大、环行后进入传感光纤（12）；

b.探测光信号和泵浦光信号在传感光纤（12）中的某一位置处发生受激布里渊散射作用，由此产生斯托克斯光信号；斯托克斯光信号和泵浦光信号发生干涉拍频作用，由此产生拍频光信号；拍频光信号经光环行器（11）进行环行后进入光电探测器（13），并经光电探测器（13）转换为电信号；电信号经过锁相放大器（14），并被信号发生器（15）输出的方波信号锁相放大，然后经数据采集卡（16）进行A/D转换后进入计算机（17），并经计算机（17）进行分析，由此得到探测光信号和泵浦光信号在传感光纤（12）中发生受激布里渊散射作用的位置处的温度和应变信息；通过可变光延迟线（8）可以调节泵浦光信号的光程，使得探测光信号和泵浦光信号在传感光纤（12）中的不同位置处发生受激布里渊散射作用，由此得到传感光纤（12）中任意位置处的温度和应变信息。