CN105783762A - 混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分布式光纤传感技术，具体为混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置及方法。解决所述现有技术存在的每次测量只能对光纤上单独一点进行测量，无法实现长距离温度或应变的连续测量的问题。本发明是将混沌泵浦光信号进一步分成两路，其中一路仍作为泵浦光信号进入传感光纤，而另一路作为参考光信号，通过在装置中另外增加一路参考信号的存储通道直接实现。而且，本发明获取布里渊增益谱是通过记录混沌探测光调制边带的调制频率和探测光平均功率之间的对应关系获得。本发明是利用经脉冲调制的混沌激光信号的相关法实现传感光纤温度或应变的定位，更容易测出光纤温度或应变的位置，并且具有更长的传感距离。

Description

混沌相关法定位的布里渊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技术，具体为混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置及方法。
背景技术
分布式光纤传感器，由于一次可获取远程、大容量的传感数据，已被广泛应用于地铁、隧道、大坝、电网等重要基础设施的监测。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，因能实现温度、应变的同时测量，目前成为了分布式光纤传感领域研究的热点。
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，通常采用光脉冲信号作为探测信号，实现长距离传感光纤的连续测量。但利用脉冲信号实现光纤温度或应变的定位，本质上，存在着测量距离和空间分辨率之间无法调和的矛盾。这是因为，增加探测脉冲的脉冲宽度可增加脉冲光功率，提高测量距离，但会严重降低距离分辨率，致使时域系统的空间分辨率在1米左右。中国专利ZL201110217936.6提出一种混沌激光相关布里渊光时域分析器专利，通过混沌激光信号替代脉冲信号，利用混沌激光相关法实现光纤温度或应变的定位，可解决上述的矛盾问题。但是，该专利要求其中一路混沌激光信号，既要作为本地参考光与另一路泵浦光进行相关运算实现光纤温度或应变的定位，也要同时作为探测光与泵浦光实现布里渊光相干放大，通过相干光外差获取布里渊增益谱从而感知光纤温度或应变的变化。正因如此，该专利每次测量只能对光纤上单独一点进行测量，无法实现长距离温度或应变的连续测量。
发明内容
本发明解决上述现有技术存在的每次测量只能对光纤上单独一点进行测量，无法实现长距离温度或应变的连续测量的问题，提供一种混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置及方法。本发明利用混沌激光相关法实现温度或应变的定位，以及利用混沌布里渊光时域分析技术实现温度或应变的测量，能够实现对温度或应变的高空间分辨率、长距离的连续测量。
本发明是采用如下技术方案实现的：混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，包括混沌激光器（1）、1×2第一光纤耦合器（2）、第一高速电光调制器（3）、微波信号源（4）、光扰偏器（5）、光隔离器（6）、第一光放大器（7）、传感光纤（8）、光环行器（9）、第二高速电光调制器（10）、脉冲发生器（11）、1×2第二光纤耦合器（12）、第二光放大器（13）、第三光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）、第一光带通滤波器（16）、第二光带通滤波器（17）、第一光电探测器（18）、第二光电探测器（19）、第三光电探测器（20）、数据采集卡（21）、计算机（22）；
其中，混沌激光器（1）的出射端与1×2第一光纤耦合器（2）的入射端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一高速电光调制器（3）的入射端连接；第一高速电光调制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（5）的入射端连接；微波信号源（4）的信号输出端与第一高速电光调制器（3）的信号输入端连接；光扰偏器（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第一光放大器（7）的入射端连接；第一光放大器（7）的出射端与传感光纤（8）的一端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器（10）的入射端连接；第二高速电光调制器（10）的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器（12）的入射端连接；脉冲发生器（11）的信号输出端与第二高速电光调制器（10）的信号输入端连接；1×2第二光纤耦合器（12）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（13）的入射端连接；第二光放大器（13）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（9）的入射端连接；光环行器（9）的反射端与传感光纤（8）的另一端连接；
1×2第二光纤耦合器（12）的第二个出射端利用一根单模光纤跳线与第一光电探测器（18）的入射端连接；
光环行器（9）的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器（14）的入射端连接；第三光放大器（14）的出射端与1×2第三光纤耦合器（15）的入射端连接；
1×2第三光纤耦合器（15）的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光带通滤波器（16）的入射端连接；1×2第三光纤耦合器（15）的第二出射端通过单模光纤跳线与第二光带通滤波器（17）的入射端连接；第一光带通滤波器（16）的出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器（19）的入射端连接；第二光带通滤波器（17）的出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器（20）的入射端连接；第一光电探测器（18）的信号输出端与数据采集卡（21）的第一信号输入端连接；第二光电探测器（19）的信号输出端与数据采集卡（21）的第二信号输入端连接；第三光电探测器（20）的信号输出端与数据采集卡（21）的第三信号输入端连接；数据采集卡（21）的信号输出端与计算机（22）的信号输入端连接。
混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感方法，该方法在本发明所述的混沌相关法定位的布里渊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第一光纤耦合器（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；探测光信号先经过第一高速电光调制器（3），并被微波信号源（4）输出的正弦信号调制，使得探测光边带信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经光扰偏器（5）、光隔离器（6）、第一光放大器（7）进行扰偏、隔离、放大后进入传感光纤（8）；泵浦光信号先经过第二高速电光调制器（10），并被脉冲发生器（11）输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器（12）分成两束，其中一束经第二光放大器（13）、光环行器（9）放大、环行后进入传感光纤（8），另一束作为参考光经第一光电探测器（18）转换为电信号，再经数据采集卡（21）采集后，输入到计算机（22）中；
b.进入传感光纤（8）的探测光边带信号和被脉冲调制的泵浦光信号在传感光纤（8）中的某一位置处相遇，当探测光边带信号的频率落在了光纤布里渊增益谱内，探测光边带信号就会被放大，当频率正好等于布里渊频移量时，探测光边带信号达到最大；在泵浦光放大探测光边带信号的同时，泵浦光本身还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和探测光边带从环行器（9）的出射端输出后，再经第三光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）放大、分束后，分别被第一光带通滤波器（16）和第二光带通滤波器（17）滤波；经第一光带通滤波器（16）滤出的后向瑞利散射泵浦光由第二光电探测器（19）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中，经第二光带通滤波器（17）滤出的探测光边带由第三光电探测器（20）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中；将采集到的数据输入到计算机（22）中，通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号之间的相关函数，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号，与此同时，通过计算探测光边带信号的功率与微波信号源（4）输出的正弦信号调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，从而获得光纤任意位置处的温度或应变值。
本发明具有如下优点：
一、在中国专利ZL201110217936.6中，是将混沌探测光作为本地参考光与混沌泵浦光进行互相关运算实现光纤温度或应变的定位，与此同时，通过对混沌探测光与混沌泵浦光进行相干光外差探测获取布里渊增益谱感知光纤温度或应变的变化。由于相关运算和相干光外差探测同时进行，致使每次测量只能对光纤上单独一点进行测量，无法实现长距离温度或应变的连续测量。而本发明是将混沌泵浦光作为本地参考光，将专利（ZL201110217936.6）中的混沌泵浦光信号进一步分成两路，其中一路仍作为泵浦光信号进入传感光纤，而另一路作为参考光信号，通过在装置中另外增加一路参考信号的存储通道直接实现。而且，本发明获取布里渊增益谱是通过记录混沌探测光调制边带的调制频率和探测光平均功率之间的对应关系获得，避免了使用相干光外差探测中要求混沌泵浦光和混沌探测光之间具有高的相干性。因而，本发明与中国专利（ZL201110217936.6）相比，不需要混沌相关法定位和混沌相干光外差探测获取布里渊增益谱同时进行，可以实现长距离传感光纤温度或应变的连续测量。
二、在中国专利（ZL201110217936.6）中，传感光纤温度或应变的定位是利用连续混沌激光信号的相关法实现，而利用连续混沌激光信号感知光纤温度或应变引起的瑞利损耗非常困难，而本发明是利用经脉冲调制的混沌激光信号的相关法实现传感光纤温度或应变的定位，与专利（ZL201110217936.6）相比，本发明更容易测出光纤温度或应变的位置，并且具有更长的传感距离。
三、与基于脉冲信号实现温度或应变定位的布里渊光时域系统的分布式光纤传感技术相比，本发明采用的是混沌激光信号，利用混沌激光自身信号与其延迟的混沌信号互相关呈现类δ函数的形状，曲线上峰值的位置和半高全宽可以反映光纤温度或应变的距离信息以及空间分辨率。这从根本上克服了现有布里渊光时域系统的分布式光纤传感技术中测量距离和空间分辨率之间的矛盾问题。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图。
图中，1：混沌激光器；2：1×2第一光纤耦合器；3：第一高速电光调制器；4：微波信号源；5：光扰偏器；6：光隔离器；7：第一光放大器；8：传感光纤；9：光环行器；10：第二高速电光调制器；11：脉冲发生器；12：1×2第二光纤耦合器；13：第二光放大器；14：第三光放大器；15：1×2第三光纤耦合器；16：第一光带通滤波器；17：第二光带通滤波器；18：第一光电探测器；19：第二光电探测器；20：第三光电探测器；21：数据采集卡；22：计算机。
具体实施方式
混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，包括混沌激光器（1）、1×2第一光纤耦合器（2）、第一高速电光调制器（3）、微波信号源（4）、光扰偏器（5）、光隔离器（6）、第一光放大器（7）、传感光纤（8）、光环行器（9）、第二高速电光调制器（10）、脉冲发生器（11）、1×2第二光纤耦合器（12）、第二光放大器（13）、第三光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）、第一光带通滤波器（16）、第二光带通滤波器（17）、第一光电探测器（18）、第二光电探测器（19）、第三光电探测器（20）、数据采集卡（21）、计算机（22）；
其中，混沌激光器（1）的出射端与1×2第一光纤耦合器（2）的入射端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一高速电光调制器（3）的入射端连接；第一高速电光调制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（5）的入射端连接；微波信号源（4）的信号输出端与第一高速电光调制器（3）的信号输入端连接；光扰偏器（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第一光放大器（7）的入射端连接；第一光放大器（7）的出射端与传感光纤（8）的一端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器（10）的入射端连接；第二高速电光调制器（10）的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器（12）的入射端连接；脉冲发生器（11）的信号输出端与第二高速电光调制器（10）的信号输入端连接；1×2第二光纤耦合器（12）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（13）的入射端连接；第二光放大器（13）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（9）的入射端连接；光环行器（9）的反射端与传感光纤（8）的另一端连接；
1×2第二光纤耦合器（12）的第二个出射端利用一根单模光纤跳线与第一光电探测器（18）的入射端连接；
光环行器（9）的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器（14）的入射端连接；第三光放大器（14）的出射端与1×2第三光纤耦合器（15）的入射端连接；
1×2第三光纤耦合器（15）的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光带通滤波器（16）的入射端连接；1×2第三光纤耦合器（15）的第二出射端通过单模光纤跳线与第二光带通滤波器（17）的入射端连接；第一光带通滤波器（16）的出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器（19）的入射端连接；第二光带通滤波器（17）的出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器（20）的入射端连接；第一光电探测器（18）的信号输出端与数据采集卡（21）的第一信号输入端连接；第二光电探测器（19）的信号输出端与数据采集卡（21）的第二信号输入端连接；第三光电探测器（20）的信号输出端与数据采集卡（21）的第三信号输入端连接；数据采集卡（21）的信号输出端与计算机（22）的信号输入端连接。
混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感方法，该方法在本发明所述的混沌相关法定位的布里渊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第一光纤耦合器（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；探测光信号先经过第一高速电光调制器（3），并被微波信号源（4）输出的正弦信号调制，使得探测光边带信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经光扰偏器（5）、光隔离器（6）、第一光放大器（7）进行扰偏、隔离、放大后进入传感光纤（8）；泵浦光信号先经过第二高速电光调制器（10），并被脉冲发生器（11）输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器（12）分成两束，其中一束经第二光放大器（13）、光环行器（9）放大、环行后进入传感光纤（8），另一束作为参考光经第一光电探测器（18）转换为电信号，再经数据采集卡（21）采集后，输入到计算机（22）中；
b.进入传感光纤（8）的探测光边带信号和被脉冲调制的泵浦光信号在传感光纤（8）中的某一位置处相遇，当探测光边带信号的频率落在了光纤布里渊增益谱内，探测光边带信号就会被放大，当频率正好等于布里渊频移量时，探测光边带信号达到最大；在泵浦光放大探测光边带信号的同时，泵浦光本身还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和探测光边带从环行器（9）的出射端输出后，再经第三光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）放大、分束后，分别被第一光带通滤波器（16）和第二光带通滤波器（17）滤波；经第一光带通滤波器（16）滤出的后向瑞利散射泵浦光由第二光电探测器（19）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中，经第二光带通滤波器（17）滤出的探测光边带由第三光电探测器（20）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中；将采集到的数据输入到计算机（22）中，通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号之间的相关函数，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号，与此同时，通过计算探测光边带信号的功率与微波信号源（4）输出的正弦信号调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，从而获得光纤任意位置处的温度或应变值。
具体实施时，混沌激光器1由一个无内置光隔离器的DFB半导体激光器、一个有内置光隔离器的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可产生中心波长为1530-1565nm、频谱宽度大于10GHz的混沌激光信号。1×2第一光纤耦合器2、1×2第二光纤耦合器12、1×2第三光纤耦合器15的耦合比为50:50。第一高速电光调制器3、第二高速电光调制器10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。脉冲发生器11采用HP8015A型脉冲信号发生器。第一光放大器7、第二光放大器13、第三光放大器14采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。第一光带通滤波器16、第二光带通滤波器17采用XTM-50型波长和带宽可调谐光滤波器。传感光纤采用G.652系列单模光纤，其长度为250km。

Claims (8)

1.一种混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，其特征在于，包括混沌激光器（1）、1×2第一光纤耦合器（2）、第一高速电光调制器（3）、微波信号源（4）、光扰偏器（5）、光隔离器（6）、第一光放大器（7）、传感光纤（8）、光环行器（9）、第二高速电光调制器（10）、脉冲发生器（11）、1×2第二光纤耦合器（12）、第二光放大器（13）、第三光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）、第一光带通滤波器（16）、第二光带通滤波器（17）、第一光电探测器（18）、第二光电探测器（19）、第三光电探测器（20）、数据采集卡（21）、计算机（22）；
其中，混沌激光器（1）的出射端与1×2第一光纤耦合器（2）的入射端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一高速电光调制器（3）的入射端连接；第一高速电光调制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（5）的入射端连接；微波信号源（4）的信号输出端与第一高速电光调制器（3）的信号输入端连接；光扰偏器（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第一光放大器（7）的入射端连接；第一光放大器（7）的出射端与传感光纤（8）的一端连接；
1×2第一光纤耦合器（2）的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二高速电光调制器（10）的入射端连接；第二高速电光调制器（10）的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器（12）的入射端连接；脉冲发生器（11）的信号输出端与第二高速电光调制器（10）的信号输入端连接；1×2第二光纤耦合器（12）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（13）的入射端连接；第二光放大器（13）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（9）的入射端连接；光环行器（9）的反射端与传感光纤（8）的另一端连接；
1×2第二光纤耦合器（12）的第二个出射端利用一根单模光纤跳线与第一光电探测器（18）的入射端连接；
光环行器（9）的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器（14）的入射端连接；第三光放大器（14）的出射端与1×2第三光纤耦合器（15）的入射端连接；
1×2第三光纤耦合器（15）的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光带通滤波器（16）的入射端连接；1×2第三光纤耦合器（15）的第二出射端通过单模光纤跳线与第二光带通滤波器（17）的入射端连接；第一光带通滤波器（16）的出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器（19）的入射端连接；第二光带通滤波器（17）的出射端通过单模光纤跳线与第三光电探测器（20）的入射端连接；第一光电探测器（18）的信号输出端与数据采集卡（21）的第一信号输入端连接；第二光电探测器（19）的信号输出端与数据采集卡（21）的第二信号输入端连接；第三光电探测器（20）的信号输出端与数据采集卡（21）的第三信号输入端连接；数据采集卡（21）的信号输出端与计算机（22）的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，其特征在于，混沌激光器（1）由一个无内置光隔离器的DFB半导体激光器、一个有内置光隔离器的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。
3.根据权利要求1或2所述的混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，其特征在于，1×2第一光纤耦合器（2）、1×2第二光纤耦合器（12）、1×2第三光纤耦合器（15）的耦合比为50:50。
4.根据权利要求1或2所述的混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，其特征在于，第一高速电光调制器（3）、第二高速电光调制器（10）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；脉冲发生器（11）采用HP8015A型脉冲信号发生器。
5.根据权利要求1或2所述的混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，其特征在于，第一光放大器（7）、第二光放大器（13）、第三光放大器（14）采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器；第一光带通滤波器（16）、第二光带通滤波器（17）采用XTM-50型波长和带宽可调谐光滤波器。
6.根据权利要求1或2所述的混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感装置，其特征在于，传感光纤（8）采用G.652系列单模光纤，其长度为250km。
7.一种混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感方法，其特征在于，该方法在权利要求1所述的混沌相关法定位的布里渊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第一光纤耦合器（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；探测光信号先经过第一高速电光调制器（3），并被微波信号源（4）输出的正弦信号调制，使得探测光边带信号的频移接近于布里渊频移，然后依次经光扰偏器（5）、光隔离器（6）、第一光放大器（7）进行扰偏、隔离、放大后进入传感光纤（8）；泵浦光信号先经过第二高速电光调制器（10），并被脉冲发生器（11）输出的脉冲信号调制，然后经1×2第二光纤耦合器（12）分成两束，其中一束经第二光放大器（13）、光环行器（9）放大、环行后进入传感光纤（8），另一束作为参考光经第一光电探测器（18）转换为电信号，再经数据采集卡（21）采集后，输入到计算机（22）中；
b.进入传感光纤（8）的探测光边带信号和被脉冲调制的泵浦光信号在传感光纤（8）中的某一位置处相遇，当探测光边带信号的频率落在了光纤布里渊增益谱内，探测光边带信号就会被放大，当频率正好等于布里渊频移量时，探测光边带信号达到最大；在泵浦光放大探测光边带信号的同时，泵浦光本身还会产生后向的瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和探测光边带从环行器（9）的出射端输出后，再经第三光放大器（14）、1×2第三光纤耦合器（15）放大、分束后，分别被第一光带通滤波器（16）和第二光带通滤波器（17）滤波；经第一光带通滤波器（16）滤出的后向瑞利散射泵浦光由第二光电探测器（19）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中，经第二光带通滤波器（17）滤出的探测光边带由第三光电探测器（20）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中；将采集到的数据输入到计算机（22）中，通过计算泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号之间的相关函数，就可以确定出光纤温度或应变的位置信号，与此同时，通过计算探测光边带信号的功率与微波信号源（4）输出的正弦信号调制频率之间的关系可以确定光纤的布里渊增益谱，从而获得光纤任意位置处的温度或应变值。
8.根据权利要求7所述的混沌相关法定位的布里渊分布式光纤传感方法，其特征在于，混沌激光器（1）产生的混沌激光信号中心波长为1530-1565nm、频谱宽度大于10GHz。
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