CN105674905A - 一种脉冲预泵浦单端矢量botda动态应变测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及其测量装置，它利用阶梯脉冲光从传感光纤的一端入射，其中时间有限的微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场产生的自发布里渊散射光与1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光，两者分别与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用；本振光与携带布里渊散射信息的探测光在平衡探测器中拍频，利用拍频后获得的电信号中的同相及正交分量得到受激布里渊散射相移值，最后根据计算机中存储的相移与动态应变的对应关系曲线解调出相应的动态应变值。本发明结构简单、应用方便，能有效减小非本地效应，提高系统信噪比，可实现宽频带、高空间分辨率和测量精度，可靠性和稳定性好的动态应变测量。

Description

一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲预泵浦技术和光纤瑞利散射原理实现单端结构的矢量BOTDA动态应变测量的方法与装置，属于测量技术领域。

背景技术

基于布里渊光时域分析(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis，BOTDA)技术的分布式光纤传感器利用相向传输的探测光和泵浦光之间的受激布里渊散射(StimulatedBrillouinScattering，SBS)作用，频率高的泵浦光向频率低的斯托克斯探测光转移能量，通过受激布里渊效应对探测光进行放大，因此，接收信号强度大，测量精度高，动态范围宽。BOTDA技术以其综合性能优势，在海底光缆制造和施工维护、石油天然气管道泄露、发电厂及废气处理厂的温度监测、大型混凝土钢材结构的温度和应变监测，以及山崩石塌、河床塌陷的监测等方面具有广阔的应用前景。

传统BOTDA系统中一般是采用对泵浦光和探测光的频率差进行频率扫描来实现受激布里渊散射增益谱的测量，通过布里渊散射增益谱的频移和强度信息来实现温度/应变的解析。但是强度信息受探测光与泵浦光功率波动、偏振噪声影响大，而强度信息直接决定着频移信息的获取，因此会降低布里渊频移的测量精度，并且由于频率扫描的方法测量时间长，无法实现实时的动态测量，因而限制了其应用领域。

目前，动态应变测量技术在分布式光纤传感领域的研究集中于：干涉型动态应变测量技术、相位敏感光时域反射(PhaseOpticalTimeDomainReflectometry，φ-OTDR)动态应变测量技术、BOTDA动态应变测量技术、偏振光时域反射(PolarizationOpticalTimeDomainReflectometry，POTDR)动态应变测量技术、布里渊相移动态应变测量技术等。干涉型动态应变测量技术是利用外界信号对光纤内传输的光波进行相位、波长、强度和偏振态调制，通过干涉仪检测这些参量的变化，实现动态应变的测量，但该测量技术易受周边环境噪声因素的影响，系统稳定性差；φ-OTDR动态应变测量技术是利用背向瑞利信号相位的变化进行动态应变信号的测量，但其动态应变测量范围小，信噪比低，大部分仍旧是定性测量；BOTDA动态应变测量技术是通过布里渊增益斜坡分析法来实现动态应变的测量，但其受光源频率漂移、探测光与泵浦光功率波动的影响较大，系统稳定性差，需对泵浦光与探测光的频率差进行扫描和数据拟合，测量时间长，无法响应高频动态应变信号；POTDR动态应变测量技术是利用偏振态的变化实现动态应变的测量，但其频率测量范围小；2011年，A.Zornoza提出布里渊相移BOTDA动态应变测量技术，实现了160m传感距离上1m空间分辨率、1.66kHz测量速率的动态应变测量，通过将相移转化为相应的频移信息实现动态应变的检测，该测量技术不受探测光与泵浦光功率波动的影响，具有很好的稳定性，但泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，在大范围测量场合应用不方便，且SBS强度受非本地效应影响严重，进而产生寄生调相，导致系统产生相位测量误差，而且当光纤发生断裂时系统将无法进行检测，可靠性较低。

在上述布里渊相移BOTDA动态应变测量技术中，当传感脉冲宽度小于声子寿命时，SBS谱会明显展宽，系统测量精度会大大降低，且存在由非本地效应引起的寄生调相导致的相位测量误差，无法实现高空间分辨率与高测量精度的测量；由于泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，在大范围测量场合应用不方便，而且当光纤发生断裂时将无法进行检测，可靠性低。因此，找到一种结构简单、应用方便，非本地效应小，能够有效解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾，而且测量频带宽、信噪比高、系统可靠性及稳定性好的动态应变测量方法和装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提出一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及其测量装置，利用脉冲预泵浦技术提高系统信噪比、解决空间分辨率与测量精度之间的矛盾，减小非本地效应，以非破坏性的工作方式实现单光源、单端和单纤工作，有效提高测量系统的可靠性与稳定性，并通过平衡探测器实现测量频带宽、信噪比高、速度快的动态应变测量。

本发明所述技术问题是以下述技术方案解决的：

一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，它利用一个窄线宽激光器通过保偏耦合器向阶梯脉冲光模块输出连续光，连续光经阶梯脉冲光模块后产生由时间有限的微波调制预泵浦脉冲光与传感脉冲光合成的阶梯脉冲光，阶梯脉冲光从传感光纤的一端入射，其中，微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，产生的自发布里渊散射(SpontaneousBrillouinScattering，SpBS)光作为探测光与传感脉冲发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很窄的布里渊散射谱；微波调制预泵浦脉冲光的1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很宽的布里渊散射谱；

同时，所述窄线宽激光器通过保偏耦合器向本振光模块输出连续光，连续光经本振光模块后产生的本振光与携带受激布里渊散射信息的探测光在平衡探测器中进行拍频，利用正交相位解调器提取出拍频后获得的电信号中的同相及正交分量，并通过数据采集卡对同相及正交分量进行采集，所述正交分量和同相分量的商与受激布里渊散射相移呈反正切函数关系，进而得到受激布里渊散射相移值，最后根据计算机数据库中存储的受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线即可解调出相应的动态应变值。

所述阶梯脉冲光中的微波调制预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波场，提高了SBS作用效率，使系统信噪比得到提升；所述本振光与携带受激布里渊散射信息的探测光在平衡探测器中进行拍频，使得系统信噪比较普通探测器提高3dB。

上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，在所述受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线中，每一个动态应变值对应一个相应的受激布里渊散射相移值，据此可将受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系进行标定。

上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，依据存储的受激布里渊散射相移与动态应变关系数据库实现动态应变的解调，具体解调方式为：

i、当环境温度与标定时温度相同时，获取的相移值对应的应变值即为当前动态应变值；

ii、当环境温度与标定时温度不同时，根据变化后的布里渊频移对受激布里渊相移与应变的关系曲线做出相应的修改，并根据修改后的关系曲线即可获取动态应变值。

本发明提出的测量装置结构如下：

一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，包括窄线宽激光器、保偏耦合器、阶梯脉冲光模块、本振光模块、第二扰偏器、第二耦合器、掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、光环行器、第一扰偏器、传感光纤、振动源、光滤波器、平衡探测器、正交相位解调器、数据采集卡和计算机；所述窄线宽激光器通过保偏耦合器向阶梯脉冲光模块和本振光模块输出连续光；所述阶梯脉冲光模块的输出端依次经掺铒光纤放大器和第一光栅滤波器接光环行器的第一光口，光环行器的第二光口经第一扰偏器接传感光纤和振动源，光环行器的第三光口经光滤波器接第二耦合器的第一输入光口；所述本振光模块的输出端经第二扰偏器接第二耦合器的第二输入光口；第二耦合器的输出光口依次经平衡探测器、正交相位解调器和数据采集卡接计算机。

上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，所述阶梯脉冲光模块包括三个电光调制器、三个偏压控制器、第一微波信号源、偏振控制器、脉冲信号源和第一耦合器，窄线宽激光器经保偏耦合器输出的第一路连续光依次经由第一微波信号源和第一偏压控制器驱动的第一电光调制器、偏振控制器、由脉冲信号源和第二偏压控制器驱动的第二电光调制器送入第一耦合器的第一输入光口；窄线宽激光器经保偏耦合器输出的第二路连续光经由脉冲信号源和第三偏压控制器驱动的第三电光调制器接第一耦合器的第二输入光口；第一偏压控制器将第一电光调制器的传输曲线的工作点锁定在线性点，产生的频率分量为v₀、v₀±v_m，其中v₀为窄线宽激光器的中心频率，v_m为第一微波信号源频率、在传感光纤的布里渊频移11GHz附近可调；第二偏压控制器将第二电光调制器的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生频率为v₀、v₀±v_m的时间有限的微波调制预泵浦脉冲光；第三偏压控制器将第三电光调制器的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生中心频率为v₀的传感脉冲光。

上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，所述脉冲信号源同步输出两路脉冲电信号，一路作为第二电光调制器的射频信号、预泵浦脉冲宽度有限但大于声子寿命，产生的微波调制预泵浦脉冲光的时间有限；另一路作为第三电光调制器的射频信号、传感脉冲宽度小于声子寿命；在时间域上，传感脉冲滞后于预泵浦脉冲，且预泵浦脉冲的结束时间为传感脉冲的开始时间。

上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，所述本振光模块包括第二微波信号源、第四偏压控制器、第四电光调制器和第二光栅滤波器，窄线宽激光器经保偏耦合器输出的第三路连续光经由第二微波信号源和第四偏压控制器驱动的第四电光调制器，第四偏压控制器将第四电光调制器的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生频率为v₀±v_f的双边带信号，由第二光栅滤波器滤除上边带信号，其中v_f为第二微波信号源频率、频率范围为10～11GHz。

本发明将脉冲预泵浦技术、非破坏性的单端结构引入到矢量BOTDA中，产生谱宽很窄的布里渊散射谱与谱宽很宽的布里渊散射谱的合成谱，由于合成谱的谱宽决定系统的测量精度，传感脉冲宽度决定系统的空间分辨率，可有效地解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾；由于预泵浦脉冲时间有限，非本地效应小，且无需在传感光纤的另一端输入光信号，因此可实现高空间分辨率、高测量精度、高信噪比的单端结构的测量；本发明提出的利用平衡探测器进行拍频检测，较普通探测器可提高3dB的信噪比。

总之，本发明不仅结构简单、应用方便，而且响应频带宽，信噪比高，稳定性和可靠性好，实现了动态应变的高精度测量。

附图说明

图1(a)是本发明的测量装置结构原理示意图；

图1(b)是图1(a)中传感光纤FUT的结构；

图2是阶梯脉冲光的合成示意图；

图3是光纤中SBS作用过程及能量转移示意图；

图4是阶梯脉冲光产生的布里渊散射谱的合成示意图，其中，图4(a)为谱宽很窄布里渊散射谱，图4(b)为谱宽很宽的布里渊散射谱，图4(c)为合成谱；

图5是受激布里渊相移与动态应变的解析原理示意图。

图中所用标号表示为：LD、窄线宽激光器，PCO、保偏耦合器，MSS1、第一微波信号源，MBC1、第一偏压控制器，EOM1、第一电光调制器，PC、偏振控制器，PSG、脉冲信号源，MBC2、第二偏压控制器，EOM2、第二电光调制器，MBC3、第三偏压控制器，EOM3、第三电光调制器，MSS2、第二微波信号源，MBC4、第四偏压控制器，EOM4、第四电光调制器，GF2、第二光栅滤波器、CO1、第一耦合器，EDFA、掺铒光纤放大器，GF1、第一光栅滤波器，OC、光环行器，PS1、第一扰偏器，FUT、传感光纤，VBS、振动源，OF、光滤波器，PS2、第二扰偏器，CO2、第二耦合器，BPD、平衡探测器，IQ、正交相位解调器，DAQ、数据采集卡，COM、计算机。

文中所用符号：v₀为窄线宽激光器的中心频率，v_m为第一微波信号源频率，v_f为第二微波信号源频率，E_p1(t)为微波调制预泵浦脉冲光的场强，E_p2(t)为传感脉冲光的场强，A为微波调制预泵浦脉冲光场的幅度，B为传感脉冲光场的幅度，t₁为预泵浦脉冲持续时间，t₂为传感脉冲持续时间，C为微波调制指数，J₀(C)为0阶贝塞尔函数，J₁(C)为1阶贝塞尔函数，Δv_B为布里渊谱宽，g₀为布里渊峰值增益，v为探测光频率，v_p为泵浦光频率，v_B(z,ε)为布里渊频移，v_B0为无应变时的布里渊频移，c_ε为布里渊频移与应变的关系系数，ε为动态应变信息，v_IF为中频信号，R为光电检测器的响应度，P_R为输入平衡探测器“+/-”输入口的携带受激布里渊散射信息的探测光功率，P_LR为输入平衡探测器“+/-”输入口的本振光功率，g_SBS为受激布里渊散射增益，φ_SBS为受激布里渊散射相移，I(t)为同相分量，Q(t)为正交分量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参看图1，本发明的测量装置包括窄线宽激光器LD、保偏耦合器PCO、第一微波信号源MSS1、第一偏压控制器MBC1、第一电光调制器EOM1、偏振控制器PC、脉冲信号源PSG、第二偏压控制器MBC2、第二电光调制器EOM2、第三偏压控制器MBC3、第三电光调制器EOM3、第二微波信号源MSS2、第四偏压控制器MBC4、第四电光调制器EOM4、第二光栅滤波器GF2、第一耦合器CO1、掺铒光纤放大器EDFA、第一光栅滤波器GF1、光环行器OC、第一扰偏器PS1、传感光纤FUT、振动源VBS、光滤波器OF、第二扰偏器PS2、第二耦合器CO2、平衡探测器BPD、正交相位解调器IQ、数据采集卡DAQ和计算机COM。窄线宽激光器LD通过保偏耦合器PCO输出三路连续光，第一路连续光依次经第一微波信号源MSS1和第一偏压控制器MBC1驱动的第一电光调制器EOM1、偏振控制器PC、由脉冲信号源PSG和第二偏压控制器MBC2驱动的第二电光调制器EOM2接第一耦合器CO1的第一输入光口；第二路连续光经由脉冲信号源PSG和第三偏压控制器MBC3驱动的第三电光调制器EOM3接第一耦合器CO1的第二输入光口；第一耦合器CO1的输出光口依次经掺铒光纤放大器EDFA、第一光栅滤波器GF1接光环行器OC的第一光口，光环行器OC的第二光口经第一扰偏器PS1接传感光纤FUT和振动源VBS，光环行器的第三光口通过光滤波器OF接第二耦合器CO2的第一输入光口；第三路连续光经由第二微波信号源MSS2和第四偏压控制器MBC4驱动的第四电光调制器EOM4、第二光栅滤波器GF2、第二扰偏器PS2接第二耦合器CO2的第二输入光口；第二耦合器CO2的第一输出光口接平衡探测器BPD的“+”输入光口，第二输出光口接平衡探测器BPD的“-”输入光口，平衡探测器BPD的输出口通过正交相位解调器IQ和数据采集卡DAQ接计算机COM。

本发明在矢量BOTDA系统中引入脉冲预泵浦技术及非破坏性的单端结构，通过检测受激布里渊散射相移实现分布式动态应变的测量。本发明的系统组成和原理如下：

(1)窄线宽激光器LD发出的光信号经保偏耦合器PCO分成三路；

(2)第一路光信号经由第一微波信号源MSS1、第一偏压控制器MBC1驱动的第一电光调制器EOM1对光信号进行双边带调制，第一偏压控制器MBC1使第一电光调制器EOM1的工作点锁定在传输曲线的线性点，产生频率为v₀、v₀±v_m的0阶基带和1阶边带信号，经偏振控制器PC对光信号的偏振态进行调节后，再经由脉冲信号源PSG和第二偏压控制器MBC2驱动的第二电光调制器EOM2对微波调制光信号进行脉冲调制，第二偏压控制器MBC2使第二电光调制器EOM2的工作点锁定在传输曲线的谷点，产生频率为v₀、v₀±v_m的时间有限的微波调制预泵浦脉冲光；

(3)第二路光信号经由脉冲信号源PSG和第三偏压控制器MBC3驱动的第三电光调制器EOM3进行脉冲调制，第三偏压控制器MBC3使第三电光调制器EOM3的工作点锁定在传输曲线的谷点，产生中心频率为v₀的传感脉冲光；

(4)第一路、第二路调制后的光信号经第一耦合器CO1耦合后形成如图2所示的频率为v₀、v₀±v_m的预泵浦脉冲光和中心频率为v₀的传感脉冲光合成的阶梯脉冲光；

(5)阶梯脉冲光经掺铒光纤放大器EDFA进行放大，再由第一光栅滤波器GF1滤去自发辐射噪声，经光环行器进入第一扰偏器PS1进行扰偏后进入传感光纤FUT，其中微波调制预泵浦脉冲0阶基带预激发声波场，产生频率为v₀±v_B的SpBS光、1阶边带产生频率为v₀±v_m的背向瑞利散射光作为探测光，两者均与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用；

(6)第三路光信号经由第二微波信号源MSS2、第四偏压控制器MBC4驱动的第四电光调制器EOM4对光信号进行双边带调制，第四偏压控制器MBC4使第四电光调制器EOM4的工作点锁定在传输曲线的谷点，产生的频率为v₀±v_f的双边带信号，由第二光栅滤波器GF2滤除上边带信号并经第二扰偏器PS2进行偏振态扰乱后，留下的频率为v₀-v_f的下边带信号作为本振光；

(7)微波调制预泵浦脉冲1阶边带产生的瑞利散射光和0阶基带产生的SpBS光作为探测光携带受激布里渊散射的频移与相移信息经由光滤波器OF滤除频率为v₀+v_m的上边带信号后，与作为本振光的频率为v₀-v_f的连续光经第二耦合器CO2耦合后分为两路：第一路进入平衡探测器BPD的“+”口，第二路进入平衡探测器BPD的“-”口；

(8)携带受激布里渊散射信息的斯托克斯探测光与本振光在平衡探测器BPD中进行外差检测；

(9)对外差后的信号通过正交相位解调器IQ进行正交相位解调，产生的同相分量和正交分量被数据采集卡DAQ采集，在计算机PC中的数据处理模块进行处理，提取出受激布里渊散射相移信息；

(10)根据布里渊散射相移信息与动态应变的关系，可得到分布式的动态应变信息。

具体地，

所述的根据受激布里渊散射相移信息实现动态应变的测量，是由于泵浦光与探测光在传感光纤FUT中发生受激布里渊散射作用，不仅会使探测光功率发生变化，而且会使其相位也发生相应变化，由于动态应变的变化会引起受激布里渊散射相移的改变，故可通过相移变化实现动态应变的解析。

所述的第一电光调制器EOM1由第一微波信号源MSS1、第一偏压控制器MBC1驱动，第一偏压控制器MBC1将第一电光调制器EOM1的工作点锁定在传输曲线的线性点，可产生频率为v₀、v₀±v_m的光信号，再经由脉冲信号源PSG、第二偏压控制器MBC2驱动的第二电光调制器EOM2实现脉冲调制，第二偏压控制器MBC2将第二电光调制器EOM2的工作点锁定在传输曲线的谷点，产生频率为v₀、v₀±v_m的时间有限的微波调制预泵浦脉冲光，第一微波信号源MSS1频率v_m在传感光纤的布里渊频移11GHz附近可调；第三电光调制器EOM3由脉冲信号源PSG、第三偏压控制器MBC3驱动，第三偏压控制器MBC3将第三电光调制器EOM3的工作点锁定在传输曲线的谷点，产生频率为v₀的传感脉冲光；上述器件构成了阶梯脉冲光模块。

所述的阶梯脉冲光模块产生的阶梯脉冲光如图2所示，输出光场可表示为

E_p(t)＝E_p1(t)+E_p2(t)

＝{AJ₀(C)cos2πv₀t+AJ₁(C)[cos2π(v₀+v_m)t+cos2π(v₀-v_m)t]}[u(t)-u(t-t₁)]

+Bcos2πv₀t[u(t-t₁)-u(t-t₁-t₂)]

(1)

其中，E_p1(t)为微波调制预泵浦脉冲光的场强，E_p2(t)为传感脉冲光的场强，A为微波调制预泵浦脉冲光场的幅度，B为传感脉冲光场的幅度，t₁为预泵浦脉冲持续时间，t₂为传感脉冲持续时间，C为微波调制指数，J₀(C)为0阶贝塞尔函数，J₁(C)为1阶贝塞尔函数。

所述的第二电光调制器EOM2、第三电光调制器EOM3均由脉冲信号源PSG驱动，脉冲信号源PSG同步输出两路脉冲电信号，一路作为第二电光调制器EOM2的射频信号、预泵浦脉冲宽度有限但大于声子寿命，即t₁＞10ns，因此产生的微波调制预泵浦脉冲光的时间有限；另一路作为第三电光调制器EOM3的射频信号、传感脉宽小于声子寿命，即t₂<10ns；但预泵浦脉冲与传感脉冲存在时间差，即在时间域上，传感脉冲滞后于预泵浦脉冲，且预泵浦脉冲的结束时间为传感脉冲的开始时间。

所述的第二电光调制器EOM2、第三电光调制器EOM3对光信号进行脉冲调制，由于脉冲调制后产生的频率为v₀的漏光会使系统信噪比降低，且SBS强度受整条光纤长度上的非本地效应影响，导致相位测量误差的产生，因此电光调制器均为高消光比的电光调制器。

所述的阶梯脉冲光中的频率为v₀的微波调制预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波场，产生频率为v₀±v_B的SpBS光与传感脉冲发生受激布里渊散射作用，自发布里渊散射光被放大生成谱宽很窄的布里渊散射谱，如图4(a)所示。

所述的阶梯脉冲光中的频率为v₀±v_m的微波调制预泵浦脉冲光1阶边带产生的频率为v₀±v_m的背向瑞利散射光，与传感脉冲发生受激布里渊散射作用，形成谱宽很宽的布里渊散射谱，如图4(b)所示。

所述的合成布里渊散射谱是由谱宽很窄的如图4(a)所示的布里渊散射谱与谱宽很宽的如图4(b)所示的布里渊散射谱叠加而成，合成谱如图4(c)所示，合成谱的谱宽决定系统测量精度，传感脉冲宽度决定系统空间分辨率，即解决了空间分辨率与测量精度之间的矛盾，可实现高空间分辨率与高测量精度的传感测量。

所述的非破坏性的单端结构，是指当阶梯脉冲光注入传感光纤FUT后，微波调制预泵浦脉冲1阶边带产生的频率为v₀±v_m的瑞利散射光与0阶基带产生的SpBS光作为探测光，传感脉冲光作为泵浦光，两者发生受激布里渊散射作用，无需单独的探测支路，因此系统中只需在传感光纤FUT的一端输入光信号即可实现非破坏性的单端结构，结构简单、应用方便。

所述的光滤波器OF置于后端检测部分来滤除携带受激布里渊散射信息的探测光的上边带，是为了在如图1(b)所示的传感光纤FUT中发生能量转移时，利用双边带结构避免泵浦耗尽现象的发生，如图3所示，而在滤波后形成增益型频移、相移谱，即仅提取出携带受激布里渊散射信息的频率为v₀-v_m的斯托克斯探测光。

所述的受激布里渊相移的表达式为

${\mathrm{\&phi;}}_{SBS}(v,z,\mathrm{\&epsiv;})=\frac{-2{\mathrm{\&Delta;v}}_B{g}_0\&lsqb;v-v_p+v_B(z,\mathrm{\&epsiv;})\&rsqb;}{{\mathrm{\&Delta;v}}_B^2+4{\&lsqb;v-v_p+v_B(z,\mathrm{\&epsiv;})\&rsqb;}^2}---\left(2\right)$

其中，Δv_B为布里渊谱宽，g₀为布里渊峰值增益，v＝v₀-v_m为探测光频率，v_p＝v₀为泵浦光频率，v_B(z,ε)＝v_B0+c_εε为布里渊频移，v_B0为无应变时的布里渊频移，c_ε为布里渊频移与应变的关系系数，ε＝ε(t)为动态应变信息。

所述的第四偏压控制器MBC4将第四电光调制器EOM4的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生频率为v₀±v_f的双边带信号，由第二光栅滤波器GF2滤除上边带信号，第二微波信号源MSS2的频率v_f＝v_m-v_IF，其中v_f在10～11GHz附近可调，v_IF为中频信号、频率范围为200MHz～1GHz；上述器件构成本振光模块。

所述的平衡探测器BPD是由两个性能完全相同的光电二极管及差分放大器构成，其中光电二极管一个为正向偏置、一个为反向偏置；携带受激布里渊散射信息的探测光与本振光在平衡探测器BPD中进行外差检测，由于进入探测器“+”输入口及“-”输入口的探测光与本振光是完全相同的，因此两路外差产生的电信号i₁(t)、i₂(t)大小相同，平衡探测器BPD输出的电信号为

$\begin{array}{c}i\left(t\right)=i_1\left(t\right)-(-i_2(t))=2i_1\left(t\right)\\ =2R\sqrt{P_R{P}_{LR}}\&lsqb;1+g_{SBS}(v_0-v_m,z,\mathrm{\&epsiv;})\&rsqb;\cos \&lsqb;2{\mathrm{\&pi;v}}_{IF}t+{\mathrm{\&phi;}}_{SBS}(v_0-v_m,z,\mathrm{\&epsiv;})\&rsqb;\end{array}---\left(3\right)$

其中，R为光电检测器的响应度，P_R为输入平衡探测器BPD“+/-”输入口的携带受激布里渊散射信息的探测光功率，P_LR为输入平衡探测器BPD“+/-”输入口的本振光功率， $g_{SBS}=g_0{\mathrm{\&Delta;v}}_B^2/\&lsqb;{\mathrm{\&Delta;v}}_B^2+4{(v-v_p+v_B(z,\mathrm{\&epsiv;}\left)\right)}^2\&rsqb;$ 为受激布里渊散射增益，φ_SBS为受激布里渊散射相移。

所述的平衡探测器BPD较普通探测器可使系统的信噪比提高3dB。

所述的第一扰偏器PS1置于传感光纤FUT前端，能够对进入传感光纤FUT的探测光、泵浦光、本振光以及携带受激布里渊散射信息的斯托克斯探测光信号进行偏振态的扰乱，第二扰偏器PS2置于本振光模块后端，能够对本振光信号进行偏振态的扰乱，可有效抑制偏振噪声、减小偏振衰落的影响。

所述的传感光纤FUT的结构如图1(b)所示，置于振动源VBS上的传感光纤FUT为长度大于空间分辨率的短光纤，用于产生动态应变信号，可实现高空间分辨率的传感测量。

所述的泵浦光与探测光发生SBS作用时，会受到阶梯脉冲光中的预泵浦脉冲宽度对应的光纤长度上的非本地效应的影响，由于SBS强度信息受非本地效应影响，导致测得的受激布里渊相移包含预泵浦脉冲对应光纤长度上被测量的影响，从而导致相位测量误差；尽管本发明存在相位受预泵浦脉冲宽度对应长度光纤状态影响的非本地效应问题，但这种影响远小于传统布里渊相移BOTDA系统的非本地效应，而且可对预泵浦脉冲宽度上的SBS作用产生的相位进行频域及时域上的数学建模解析，通过提取出对应的相位信息来消除预泵浦脉冲宽度对应的光纤长度上的非本地效应的影响。

所述的正交相位解调器IQ提取出平衡光探测器BPD拍频后的电信号中的受激布里渊散射相移信息，再通过数据采集卡DAQ进行采集，采集到的数据存储到计算机PC中，数据处理单元对正交相位解调器IQ获取的同相分量I(t)和正交分量Q(t)进行处理，获取的受激布里渊散射相移为

φ_SBS(v₀-v_m,z,ε)＝arctan(Q(t)/I(t))(4)

所述的计算机PC中建立相移与动态应变关系的数据库，受激布里渊相移与动态应变的解析关系曲线如图5所示，在布里渊谱宽对应的应变范围内(Δv_B×20με)，即相移谱的单值近线性区内受激布里渊散射相移与应变是一一对应的，其中式(2)为受激布里渊散射相移与应变的对应关系；将受激布里渊相移与应变的关系曲线进行标定并存入数据库中，当进行实际测量时的解析方法如下：

i、当环境温度与标定时温度相同时，获取的相移值对应的应变值即为当前动态应变值；

ii、当环境温度与标定时温度不同时，根据变化后的布里渊频移v_B0对受激布里渊相移与应变的关系曲线做出相应的修改，此时根据修改后的关系曲线即可获取动态应变值。

所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法包括但不限于将微波调制预泵浦脉冲1阶边带产生的瑞利散射光和0阶基带产生的SpBS光作为探测光与泵浦光发生受激布里渊散射作用，还涵盖将两段传感光纤连接时光纤末端产生的菲涅尔反射光作为探测光与泵浦光发生受激布里渊散射作用，两种方案均可实现非破坏性、单端结构的动态应变分布式测量，但不包括通过在光纤末端加反射镜等破坏性的方式获得光纤末端菲涅尔反射光的情况。

与现有技术相比，本发明将脉冲预泵浦技术、非破坏性的单端结构引入到矢量BOTDA中，利用时间有限的微波调制预泵浦脉冲1阶边带产生的背向瑞利散射光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很宽的布里渊散射谱，传感脉冲宽度决定系统空间分辨率；利用时间有限的微波调制预泵浦脉冲0阶基带预激发声波场产生的SpBS光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很窄的布里渊散射谱，与谱宽很宽的布里渊散射谱叠加形成合成阶梯脉冲光的合成布里渊散射谱，合成布里渊散射谱谱宽决定系统的测量精度；根据传感脉冲宽度和合成布里渊散射谱谱宽，可解决空间分辨率与测量精度之间的矛盾，有效地减小非本地效应并提高系统信噪比，结构简单、应用方便，而且响应频带宽，信噪比高，稳定性、可靠性好。

Claims (7)

1.一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，其特征是，利用一个窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向阶梯脉冲光模块输出连续光，连续光经阶梯脉冲光模块后产生时间有限的微波调制预泵浦脉冲光与传感脉冲光的合成光信号，合成光信号从传感光纤的一端入射，微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，产生的自发布里渊散射光作为探测光与传感脉冲发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很窄的布里渊散射谱；微波调制预泵浦脉冲光的1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很宽的布里渊散射谱；谱宽很窄的布里渊散射谱与谱宽很宽的布里渊散射谱叠加形成合成谱；

同时，所述窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向本振光模块输出连续光，连续光经本振光模块后产生的本振光与携带受激布里渊散射信息的探测光在平衡探测器(BPD)中进行拍频，利用正交相位解调器(IQ)提取出拍频后获得电信号中的同相及正交分量，并通过数据采集卡(DAQ)对同相及正交分量进行采集，受激布里渊散射相移与正交分量和同相分量的商呈反正切函数的关系，进而得到受激布里渊散射相移，最后根据计算机数据库中存储的受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线解调出相应的动态应变值。

2.根据权利要求1所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，其特征是，在所述受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线中，每一个动态应变值对应一个相应的受激布里渊散射相移值，据此将受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系进行标定。

3.根据权利要求1所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，其特征是，依据存储的受激布里渊散射相移与动态应变关系数据库实现动态应变的解调，具体解调方式为：

i、当环境温度与标定时温度相同时，获取的相移值对应的应变值即为当前动态应变值；

ii、当环境温度与标定时温度不同时，根据变化后的布里渊频移对受激布里渊相移与应变的关系曲线做出相应的修改，并根据修改后的关系曲线即可获取动态应变值。

4.一种用于如权利要求1-3中任一项脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量的测量装置，其特征是，包括窄线宽激光器(LD)、保偏耦合器(PCO)、阶梯脉冲光模块、本振光模块、第二扰偏器(PS2)、第二耦合器(CO2)、掺铒光纤放大器(EDFA)、第一光栅滤波器(GF1)、光环行器(OC)、第一扰偏器(PS1)、传感光纤(FUT)、振动源(VBS)、光滤波器(OF)、平衡探测器(BPD)、正交相位解调器(IQ)、数据采集卡(DAQ)和计算机(COM)，所述窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向阶梯脉冲光模块和本振光模块输出连续光；所述阶梯脉冲光模块的输出端依次经掺铒光纤放大器(EDFA)和第一光栅滤波器(GF1)接光环行器(OC)的第一光口，光环行器(OC)的第二光口经第一扰偏器(PS1)接传感光纤(FUT)和振动源(VBS)，光环行器(OC)的第三光口经光滤波器(OF)接第二耦合器(CO2)的第一输入光口；所述本振光模块的输出端经第二扰偏器(PS2)接第二耦合器(CO2)的第二输入光口；第二耦合器(CO2)的输出光口依次经平衡探测器(BPD)、正交相位解调器(IQ)和数据采集卡(DAQ)接计算机(COM)。

5.根据权利要求4所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，其特征是，所述阶梯脉冲光模块包括三个电光调制器、三个偏压控制器、第一微波信号源(MSS1)、偏振控制器(PC)、脉冲信号源(PSG)和第一耦合器(CO1)，窄线宽激光器(LD)经保偏耦合器(PCO)输出的第一路连续光依次经由第一微波信号源(MSS1)和第一偏压控制器(MBC1)驱动的第一电光调制器(EOM1)、偏振控制器(PC)、由脉冲信号源(PSG)和第二偏压控制器(MBC2)驱动的第二电光调制器(EOM2)送入第一耦合器(CO1)的第一输入光口；窄线宽激光器(LD)经保偏耦合器(PCO)输出的第二路连续光经由脉冲信号源(PSG)和第三偏压控制器(MBC3)驱动的第三电光调制器(EOM3)接第一耦合器(CO1)的第二输入光口；第一偏压控制器(MBC1)将第一电光调制器(EOM1)的传输曲线的工作点锁定在线性点，产生的频率分量为v₀、v₀±v_m，其中v₀为窄线宽激光器(LD)的中心频率，v_m为第一微波信号源(MSS1)频率、在传感光纤的布里渊频移11GHz附近可调；第二偏压控制器(MBC2)将第二电光调制器(EOM2)的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生频率为v₀、v₀±v_m的时间有限的微波调制预泵浦脉冲光；第三偏压控制器(MBC3)将第三电光调制器(EOM3)的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生中心频率为v₀的传感脉冲光。

6.根据权利要求5所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，其特征是，所述脉冲信号源(PSG)同步输出两路脉冲电信号，一路作为第二电光调制器(EOM2)的射频信号、预泵浦脉冲宽度有限但大于声子寿命，因此产生的微波调制预泵浦脉冲光的时间有限；另一路作为第三电光调制器(EOM3)的射频信号、传感脉冲宽度小于声子寿命，在时间域上，传感脉冲滞后于预泵浦脉冲，且预泵浦脉冲的结束时间为传感脉冲的开始时间。

7.根据权利要求6所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，其特征是，所述本振光模块包括第二微波信号源(MSS2)、第四偏压控制器(MBC4)、第四电光调制器(EOM4)和第二光栅滤波器(GF2)，窄线宽激光器(LD)经保偏耦合器(PCO)输出的第三路连续光经由第二微波信号源(MSS2)和第四偏压控制器(MBC4)驱动的第四电光调制器(EOM4)，第四偏压控制器(MBC4)将第四电光调制器(EOM4)的传输曲线的工作点锁定在谷点，产生频率为v₀±v_f的光信号，由第二光栅滤波器(GF2)滤除上边带信号，其中v_f为第二微波信号源频率、频率范围为10～11GHz。