CN105675032A - 实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法 - Google Patents

实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法 Download PDF

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Abstract

实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法，属于光学领域，本发明为解决现有动态分布式布里渊光纤传感系统无法实时监测的问题。本发明激光器输出的光束经耦合器均分成两束激光；上路激光由任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号调制，并放大后作为泵浦光，通过光纤环形器进入待测光纤；下路激光由X波段上变频模块进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光，并从另一方向进入待测光纤中；在待测光纤中，满足布里渊放大条件的探测光与泵浦光发生布里渊放大过程；根据返回光电探测器的时间确定SBS作用在待测光纤中的位置，同时求解不同位置的温度或应变；实现实时动态布式布里渊光纤传感。

Description

实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法
技术领域
本发明属于光学领域。
背景技术
20世纪60年代光纤的发明改变了世界的通信方式，伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术迅速发展起来。目前光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航空航天、海洋探测、工业控制、能源环保、土木建筑等诸多领域。
散射型分布式光纤传感技术是近二三十年来发展起来的新型传感技术，其基本原理为利用光纤同时感知和传输信号，外部扰动作用下产生的瑞利、拉曼、布里渊等效应进行测量，可以测量光纤沿线上不同位置的温度与应变等物理量的变化，实现了真正的分布式传感。布里渊散射频移的大小取决于声波速度，温度和应变都会影响光纤内部声波的速度，所以可以通过测量布里渊频移来得到传感光纤感受的温度和应变。基于布里渊散射的分布式布里渊传感相比于其它传感原理，具有空间分辨率高、测量精度高、长距离传感、可以实现动态测量等优点。
目前国内外已经利用光学捷变频技术实现动态分布式布里渊光纤传感比如2013年6月13日申请的、公开号为CN103335666A的中国专利“动态分布式布里渊光纤传感装置及方法”，以及采用布里渊增益谱斜坡法实现动态布里渊光纤传感(PeledY,MotilA,YaronL,etal.Slope-assistedfastdistributedsensinginopticalfiberswitharbitraryBrillouinprofile[J].Opticsexpress,2011,19(21):19845-19854.)。
但是现有的动态分布式布里渊光纤传感系统由于测量数据量较大、布里渊增益谱中心频率拟合算法较慢，无法在下一次测量之前完成数据处理，不能实现实时的动态监测，只能先进行实验数据采集后进行数据分析。相比较而言布里渊增益谱斜坡法数据更少并且数据解调得到布里渊中心频率更为简单快速，有能力实现实时动态分布式布里渊光纤传感。不过受限于布里渊增益谱的线性段(约为布里渊增益谱线宽)较短，无法实现大应变测量在实际应用中受到限制；以及布里渊增益谱斜坡法对布里渊增益谱谱型变化较为敏感，容易将光功率变化误解调为温度或应变信息，对系统的稳定性提出更高的要求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有动态分布式布里渊光纤传感系统无法实时监测的问题，提供了一种实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法。解决布里渊增益谱斜坡法动态系统实际应用中受到的限制。
本发明所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置，它包括激光器、耦合器、偏振控制器PC1、偏振控制器PC2、任意函数发生器AFG3252、电光调制器EOM1、电光调制器EOM2、任意波形发生器AWG、环形器、X波段上变频模块、掺饵光纤放大器EDFA、光纤布拉格光栅FBG、光隔离器OI、光电探测器、采集卡和待测光纤；
激光器输出的光束经耦合器均分成两束激光；
上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器EOM1的偏振态，使入射电光调制器EOM1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控制电光调制器EOM1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光放大作为泵浦光，通过光纤环形器进入待测光纤；
下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器EOM2的偏振态，使入射电光调制器EOM2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X波段上变频模块调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器EOM2在X波段上变频模块输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光，光隔离器OI确保该探测光通过防止高功率泵浦光反向通过，并从另一方向进入待测光纤中；
在待测光纤中，满足布里渊放大条件的探测光与泵浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光进入环形器的2端口，并从环形器的3端口输出经光电探测器探测后进行数据采集与数据分析；
任意波形发生器AWG同步触发任意函数发生器AFG3252向电光调制器EOM1提供方形脉冲调制信号；任意波形发生器AWG同步触发采集卡进行数据采集；
根据返回光电探测器的时间确定SBS作用在待测光纤中的位置，同时测得的布里渊中心频率υB与温度T或应变ε的线性关系υB＝υB0+CTT或υB＝υB0+Csε求解不同位置的温度或应变情况；在下一次采集之前完成本次数据处理并将结果输出，实现实时动态布式布里渊光纤传感；
式中υB0为待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数，Cs是应变系数。
实时动态分布式布里渊光纤传感方法，该方法是上述实时动态分布式布里渊光纤传感装置实现的，该方法包括以下步骤：
步骤一、耦合器将激光束均分成两束，其中上路激光利用步骤二生成泵浦光，下路激光利用步骤三生成探测光；泵浦光和探测光均在任意波发生器AWG的同步控制下完成，任意波发生器AWG发出三路控制信号，分别为给X波段上变频模块的几百兆赫兹的微波信号、给任意函数发生器AFG3252的触发信号和给采集卡的触发信号；
步骤二、上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器EOM1的偏振态，使入射电光调制器EOM1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控制电光调制器EOM1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光放大作为泵浦光，
步骤三、下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器EOM2的偏振态，使入射电光调制器EOM2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X波段上变频模块调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器EOM2在X波段上变频模块输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光；
步骤四、步骤二生成的泵浦光通过光纤环形器从一个方向进入待测光纤中；步骤三生成的探测光从另一个方向进入待测光纤中；在待待测光纤中，满足布里渊放大条件的探测光和泵浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光经环形器输出经光电探测器探测后进行数据采集与数据分析；
步骤五、根据返回光电探测器的时间确定SBS作用在待测光纤中的位置，当完成一个频率扫描周期T的扫描后，获取该频率状态下的待测光纤上每一个空间点上的布里渊增益光谱；
步骤六、根据布里渊频移υB与应变ε的线性函数关系υB＝υB0+Csε，完成待测光纤在该频率状态下的应变的测量，
其中，υB0是待测光纤自由状态的布里渊频移，Cs是应变系数；
根据布里渊频移υB与温度T的线性函数关系υB＝υB0+CTT，完成待测光纤在该频率状态下的温度的测量，
其中，υB0是待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数。
本发明的优点：本发明采用AWG实现频率一定间隔的快速扫描，利用X波段上变频模块使AWG输出频率上升到光纤布里渊频率附近，完成动态分布式布里渊测量。在事先测量布里渊增益谱谱型的基础上，利用布里渊增益最高的两组或三组数据带入谱型函数，实现布里渊中心频率的快速求解。从而实现实时的动态分布式布里渊光纤传感技术。
附图说明
图1是本发明所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置的结构示意图；
图2是探测光频率调节及探测光与泵浦光频率关系示意图；
图3是在不同应变情况下输出不同频率探测光布里渊放大示意图；图中从左到右为0MHz、20MHz、40MHz、60MHz、80MHz、100MHz应变下的布里渊增益谱，竖线为不同的探测光中心频率，可以看出在不同应变情况下每个探测光对应的布里渊增益值不同。
图4是高斯脉冲泵浦光与捷变频探测光在待测光纤中相互作用示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置，它包括激光器1、耦合器2、偏振控制器PC1、偏振控制器PC2、任意函数发生器AFG3252、电光调制器EOM1、电光调制器EOM2、任意波形发生器AWG、环形器3、X波段上变频模块4、掺饵光纤放大器EDFA、光纤布拉格光栅FBG、光隔离器OI、光电探测器5、采集卡6和待测光纤7；
激光器1输出的光束经耦合器2均分成两束激光；
上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器EOM1的偏振态，使入射电光调制器EOM1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控制电光调制器EOM1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光放大作为泵浦光，通过光纤环形器3进入待测光纤7；
下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器EOM2的偏振态，使入射电光调制器EOM2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X波段上变频模块4调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器EOM2在X波段上变频模块4输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光，光隔离器OI确保该探测光通过防止高功率泵浦光反向通过，并从另一方向进入待测光纤7中；调制后泵浦光与探测光的频率关系如图2所示，满足布里渊放大条件。
在待测光纤7中，满足布里渊放大条件的探测光与泵浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光进入环形器3的2端口，并从环形器3的3端口输出经光电探测器5探测后进行数据采集与数据分析；
任意波形发生器AWG同步触发任意函数发生器AFG3252向电光调制器EOM1提供方形脉冲调制信号；任意波形发生器AWG同步触发采集卡6进行数据采集；
根据返回光电探测器5的时间确定SBS作用在待测光纤7中的位置，同时测得的布里渊中心频率υB与温度T或应变ε的线性关系υB＝υB0+CTT或υB＝υB0+Csε求解不同位置的温度或应变情况；在下一次采集之前完成本次数据处理并将结果输出，实现实时动态布式布里渊光纤传感；
式中υB0为待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数，Cs是应变系数。
X波段上变频模块4调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号的频率为11GHz±0.5GHz。
任意波形发生器AWG可以实现频率的快速切换，可以实现光学捷变频技术。利用光学捷变频技术实现不同频率受激布里渊放大的快速测量，然而高频的(达到光纤布里渊频移大小)任意波形发生器成本较高，并且易损坏。所以采用低频的任意波形发生器输出几百兆赫兹范围的捷变频信号，利用X波段上变频模块4将输出频率提高到11GHz左右，使得扫描频率覆盖布里渊增益谱。
通过任意波形发生器输出N个频率，其中Fmax为光纤最大应变对应的布里渊频率与无应变时光纤布里渊频率差，F1为扫描频率间隔。为了减少扫描频率个数可以增大频率扫描间隔，但扫描频率间隔也不宜太大(在布里渊增益谱两边信噪比较差)，可以选择频率间隔在布里渊增益谱线宽附近。通过事先的静态测量可以确定布里渊增益谱的谱型函数，一般为洛伦兹型或高斯型(与泵浦光的波形有关)，需要确定的参数为幅值a，中心频率f，线宽b，通过事先测量可以确定布里渊增益谱线宽b。这里我们有N组测量数据，取出布里渊放大增益最高的两组数据，带入布里渊增益谱的函数曲线Ii＝F(fi,f,a,b)求解布里渊中心频率f，式中：fi为第i个探测光的频率，Ii为第i个探测光对应的布里渊信号强度。F()为布里渊增益谱的函数。这里以图3为例，从左到右依次为无应变情况下的布里渊增益谱、应变为20MHz、40MHz、60MHz、80MHz、100MHz的布里渊增益谱(横坐标为探测光频率与光纤无应变时布里渊中心频率的失谐量，纵坐标为布里渊增益值)。Fmax＝100MHz，若选取F1＝20MHz，则只需5个频率(图中垂直于x轴的线为选定的频率)按上述解调方式就可以实现光纤最大应变为100MHz的布里渊中心频率的动态测量与实时解调。
另外还可以对上述求解布里渊中心频率方法进行优化，适当调整扫描频率间隔，使每个布里渊增益谱内有三个频率，这样不用事先确定布里渊增益谱线宽，利用三个布里渊增益最高的扫描频率及其幅值确定布里渊增益谱的参数，求出布里渊中心频率f。
在此以高斯型泵浦脉冲光与捷变频探测光相互作用为例如图4所示，则布里渊增益谱谱型为高斯型。通过实现传统BOTDA的测量可以进行验证与得到布里渊增益谱线宽b。通过动态实验测量的两个最高的频率L1、L2与相应的强度I1、I2，可以求解x0的值确定布里渊中心频率，如式1所示。实验中测量结果分析可得两种方案结果基本一致，但多线法数据处理更为简单、快速，可以实现实时动态分布式布里渊光纤传感。同样对于方波脉冲，布里渊增益谱的近似为洛伦兹型，可以采用同样的方法实现实时布里渊中心频率的求解，实现实时动态分布式布里渊
I 1 = A exp ( - ( L 1 - x 0 ) 2 b 2 ) I 2 = A exp ( - ( L 2 - x 0 ) 2 b 2 ) - - - ( 1 )
这种利用两个或三个频率求解方程的方法可以在很短的时间内完成，明显快于利用几十个频率进行曲线拟合的普通求解过程，实现实时的动态数据处理，并且克服布里渊增益谱斜坡法应变测量范围较小的限制，在保持频率间隔不变的基础上增加扫描频率的个数，可以提高测量的最大的布里渊频移。
具体实施方式二：本实施方式所述实时动态分布式布里渊光纤传感方法，该方法是基于实施方式一所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置实现的，该方法包括以下步骤：
步骤一、耦合器2将激光束均分成两束，其中上路激光利用步骤二生成泵浦光，下路激光利用步骤三生成探测光；泵浦光和探测光均在任意波发生器AWG的同步控制下完成，任意波发生器AWG发出三路控制信号，分别为给X波段上变频模块4的几百兆赫兹的微波信号、给任意函数发生器AFG3252的触发信号和给采集卡6的触发信号；
步骤二、上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器EOM1的偏振态，使入射电光调制器EOM1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控制电光调制器EOM1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光放大作为泵浦光，
步骤三、下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器EOM2的偏振态，使入射电光调制器EOM2的偏振态，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X波段上变频模块4调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器EOM2在X波段上变频模块4输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光；
步骤四、步骤二生成的泵浦光通过光纤环形器3从一个方向进入待测光纤7中；步骤三生成的探测光从另一个方向进入待测光纤7中；在待待测光纤7中，满足布里渊放大条件的探测光和泵浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光经环形器3输出经光电探测器5探测后进行数据采集与数据分析；
步骤五、根据返回光电探测器5的时间确定SBS作用在待测光纤7中的位置，当完成一个频率扫描周期T的扫描后，获取该频率状态下的待测光纤7上每一个空间点上的布里渊增益光谱；
步骤六、根据布里渊频移υB与应变ε的线性函数关系υB＝υB0+Csε，完成待测光纤7在该频率状态下的应变的测量，
其中，υB0是待测光纤自由状态的布里渊频移，Cs是应变系数；
根据布里渊频移υB与温度T的线性函数关系υB＝υB0+CTT，完成待测光纤7在该频率状态下的温度的测量，
其中，υB0是待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数。

Claims (3)

1.实时动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，它包括激光器(1)、耦合器(2)、偏振控制器PC1、偏振控制器PC2、任意函数发生器AFG3252、电光调制器EOM1、电光调制器EOM2、任意波形发生器AWG、环形器(3)、X波段上变频模块(4)、掺饵光纤放大器EDFA、光纤布拉格光栅FBG、光隔离器OI、光电探测器(5)、采集卡(6)和待测光纤(7)；
激光器(1)输出的光束经耦合器(2)均分成两束激光；
上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器EOM1的偏振态，使入射电光调制器EOM1的偏振态与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控制电光调制器EOM1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光放大作为泵浦光，通过光纤环形器(3)进入待测光纤(7)；
下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器EOM2的偏振态，使入射电光调制器EOM2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X波段上变频模块(4)调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器EOM2在X波段上变频模块(4)输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光，光隔离器OI确保该探测光通过防止高功率泵浦光反向通过，并从另一方向进入待测光纤(7)中；
在待测光纤(7)中，满足布里渊放大条件的探测光与泵浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光进入环形器(3)的2端口，并从环形器(3)的3端口输出经光电探测器(5)探测后进行数据采集与数据分析；
任意波形发生器AWG同步触发任意函数发生器AFG3252向电光调制器EOM1提供方形脉冲调制信号；任意波形发生器AWG同步触发采集卡(6)进行数据采集；
根据返回光电探测器(5)的时间确定SBS作用在待测光纤(7)中的位置，同时测得的布里渊中心频率υB与温度T或应变ε的线性关系υB＝υB0+CTT或υB＝υB0+Csε求解不同位置的温度或应变情况；在下一次采集之前完成本次数据处理并将结果输出，实现实时动态布式布里渊光纤传感；
式中υB0为待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数，Cs是应变系数。
2.根据权利要求1所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，X波段上变频模块(4)调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号的频率为11GHz±0.5GHz。
3.实时动态分布式布里渊光纤传感方法，该方法是基于权利要求1所述实时动态分布式布里渊光纤传感装置实现的，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、耦合器(2)将激光束均分成两束，其中上路激光利用步骤二生成泵浦光，下路激光利用步骤三生成探测光；泵浦光和探测光均在任意波发生器AWG的同步控制下完成，任意波发生器AWG发出三路控制信号，分别为给X波段上变频模块(4)的几百兆赫兹的微波信号、给任意函数发生器AFG3252的触发信号和给采集卡(6)的触发信号；
步骤二、上路激光经过偏振控制器PC1调节进入电光调制器EOM1的偏振态，使入射电光调制器EOM1的偏振态与与晶体偏振态相同，任意函数发生器AFG3252输出方波脉冲调制信号控制电光调制器EOM1将上路激光调节为脉冲序列光，通过掺饵光纤放大器EDFA将脉冲序列光放大作为泵浦光，
步骤三、下路激光经过偏振控制器PC2调节进入电光调制器EOM2的偏振态，使入射电光调制器EOM2的偏振态与晶体偏振态相同，任意波形发生器AWG输出几百兆赫兹的微波信号经X波段上变频模块(4)调制输出光纤布里渊中心频率附近的调制信号，电光调制器EOM2在X波段上变频模块(4)输出的调制信号控制下对激光进行上下边频调制，上下边频调制后的光束经光纤布拉格光栅FBG滤出下边频作为探测光；
步骤四、步骤二生成的泵浦光通过光纤环形器(3)从一个方向进入待测光纤(7)中；步骤三生成的探测光从另一个方向进入待测光纤(7)中；在待待测光纤(7)中，满足布里渊放大条件的探测光和泵浦光发生布里渊放大过程；经布里渊放大的探测光经环形器(3)输出经光电探测器(5)探测后进行数据采集与数据分析；
步骤五、根据返回光电探测器(5)的时间确定SBS作用在待测光纤(7)中的位置，当完成一个频率扫描周期T的扫描后，获取该频率状态下的待测光纤(7)上每一个空间点上的布里渊增益光谱；
步骤六、根据布里渊频移υB与应变ε的线性函数关系υB＝υB0+Csε，完成待测光纤(7)在该频率状态下的应变的测量，
其中，υB0是待测光纤自由状态的布里渊频移，Cs是应变系数；
根据布里渊频移υB与温度T的线性函数关系υB＝υB0+CTT，完成待测光纤(7)在该频率状态下的温度的测量，
其中，υB0是待测光纤自由状态的布里渊频移，CT是温度系数。
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