CN105865656B - 一种高信噪比抑制非本地效应的单端rbotda传感系统 - Google Patents

一种高信噪比抑制非本地效应的单端rbotda传感系统 Download PDF

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Abstract

一种高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，包括激光器、第一电光调制器、第一耦合器、偏振控制器、第二电光调制器、第二耦合器、光纤放大器和第一光栅滤波器，依次连接后接光环行器的第一光口，第一电光调制器的射频端口接微波信号源，偏置端口经第一偏压控制器接第一耦合器的一个输出端，第二电光调制器的射频端口接脉冲发生器，偏置端口经第二偏压控制器接第二耦合器的一个输出端；所述光环行器的第二光口接传感光纤，第三光口依次经第二光栅滤波器和平衡探测器接数据采集与处理单元。本发明能有效地补偿泵浦脉冲耗尽，抑制非本地效应对单端入射系统的影响，改善系统信噪比，大大提高了系统的传感精度。

Description

一种高信噪比抑制非本地效应的单端RBOTDA传感系统
技术领域
本发明涉及一种高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，属于测量技术领域。
背景技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可以实现温度和应变的连续分布式测量，而且在温度、应变测量上所达到的测量准确度、测量距离和空间分辨率均优于其它分布式光纤传感技术。基于布里渊散射的分布式传感技术的传感系统主要分为四类，它们分别是布里渊光时域分析系统(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)，布里渊光时域反射系统(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,BOTDR)，布里渊光频域分析系统(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis,BOFDA)，布里渊相关域分析系统(BrillouinOptical Correlation Domain Analysis,BOCDA)。BOFDA与BOCDA虽具有较高的空间分辨率，但传感距离较短；而BOTDA传感距离可达几十千米以上，可以实现长距离传感。
在BOTDA传感系统中，当从光纤两端入射的相向传输的泵浦脉冲光和连续光的频率差在光纤固有布里渊增益范围内，满足受激布里渊散射(Stimulated BrillouinScattering,SBS)放大条件时，这两束光通过声波场发生SBS作用，两束光之间发生能量转移，频率高的光信号会向频率低的光信号转移能量，通过SBS作用对频率低的光信号进行放大。待测光纤温度或者应变发生变化时，光纤的固有布里渊谱峰值频移会发生改变，当两束光的频率差等于光纤固有的布里渊频移(Brillouin frequency shift,BFS)时，能量转移量最大。据此，通过扫描在BFS附近的泵浦脉冲光和探测光的频率偏移可得到传感光纤的布里渊增益频谱(Brillouin gain Spectrum,BGS)，BOTDA技术正是基于上述原理，并利用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。
在传统的BOTDA系统中，需在传感光纤两端分别入射脉冲光和连续光或者在光纤末端加反射镜实现传感，近20年来，这种传感系统已得到了广泛的应用，但双端入射使得BOTDA系统在许多大范围监测场合中应用很不方便，如果传感光纤在某处断裂将不能获取传感信号。海底光缆、输电线路和大型钢筋混凝土结构等的温度及应变检测，都使单端入射与检测成为需求。
以往的海底光缆采用BOTDR传感系统。BOTDR传感系统虽然能实现单端测量，但探测到的是自发布里渊散射光，自发布里渊散射的强度极其微弱，检测难度大，从而限制了传感距离。而BOTDA利用的是连续探测光和传感脉冲光之间的受激布里渊散射，接收的是较强的连续探测光，因此降低了检测难度，信噪比整体上高于BOTDR，其动态范围宽，传感距离也能够得到有效的延伸，可实现高精度长距离的分布式传感。
2009年，Q.Cu i等人提出一种利用末端反射微波调制脉冲基底光作探测光的BOTDA技术，该技术采用单端入射简化装置，提供了长距离传感和高精度测量的可能，在此基础上，2011年提出一种基于瑞利散射的BOTDA温度传感系统，该系统用微波调制脉冲基底产生的一阶边带的瑞利散射光作为探测光，产生比BOTDR传感装置强度高很多的信号，有效地降低了系统的偏振敏感性，但非本地效应严重，谱失真严重，信噪比低，致使传感精度受限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，以抑制非本地效应对单端入射传感系统的影响，改善信噪比指标，提高系统的传感精度。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，所述RBOTDA传感系统包括激光器、微波信号源、脉冲发生器、第一电光调制器、第二电光调制器、第一耦合器、第二耦合器、第一偏压控制器、第二偏压控制器、偏振控制器、掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、第二光栅滤波器、光环行器、传感光纤、平衡探测器和数据采集与处理单元，所述激光器、第一电光调制器、第一耦合器、偏振控制器、第二电光调制器、第二耦合器、光纤放大器、第一光栅滤波器依次连接后接光环行器的第一光口，第一电光调制器的射频端口接微波信号源，偏置端口经第一偏压控制器接第一耦合器的一个输出端，第二电光调制器的射频端口接脉冲发生器，偏置端口经第二偏压控制器接第二耦合器的一个输出端；所述光环行器的第二光口接传感光纤，第三光口依次经第二光栅滤波器和平衡探测器接数据采集与处理单元。
上述高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，所述第二光栅滤波器包括滤波环形器和两个光纤布拉格光栅，所述滤波环形器的第一光口接光环行器的第三光口，其第二光口经第一光纤布拉格光栅接平衡探测器的负极端口，第三光口经第二光纤布拉格光栅接平衡探测器的正极端口。
上述高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，所述激光器为1550nm窄线宽激光器；所述微波信号源的工作频率为5.5GHz；所述两个电光调制器均为马赫-曾德尔型电光调制器。
本发明提出的高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，通过对两个EOM分别在峰点与谷点处调制产生频率成分为0阶基带与二阶双边带的含有脉冲基底的脉冲光信号，利用脉冲基底二阶上下边带产生的瑞利散射光作为探测光与脉冲光0阶基带发生受激布里渊散射作用。该系统能有效地补偿泵浦脉冲耗尽，抑制非本地效应对系统的影响，改善系统信噪比，大大提高了系统的传感精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是马赫-曾德尔型电光调制器理论模型；
图2是泵浦脉冲光与瑞利探测光之间SBS作用的能量转移图；
图3是本发明的RBOTDA传感系统图。
图中各标号分别表示为：EOM1为第一电光调制器，EOM2为第二电光调制器，MBC1为第一偏压控制器，MBC2为第二偏压控制器，PC为偏振控制器，EDFA为光纤放大器，FBG1为第一光纤布拉格光栅，FBG2为第二光纤布拉格光栅。
文中各符号分别表示为：E(t)为入射光的电场强度；E0为入射光的电场幅度；ω0为入射光电场的角频率；φ0为M-Z干涉仪两条光路之间的相位差；VDC为直流偏置电压；Vmcos(ωmt)为射频端的微波调制电压；ωm为微波调制的角频率；C为调制深度,其大小由微波的功率决定；P为微波功率；R为EOM的RF端口(射频端口)的输入电阻；Vπ是EOM的半波电压；φDC＝πVDC/2Vπ是由直流偏置电压VDC引起的相位改变；Jk(C)为K阶Bessel函数。
具体实施方式
参看图3，本发明包括1550nm窄线宽激光器、两个马赫-曾德尔型电光调制器(第一电光调制器EOM1和第二电光调制器EOM2)、微波信号源、两个偏压控制器(第一偏压控制器MBC1和第二偏压控制器MBC2)、两个耦合器(第一耦合器和第二耦合器)、偏振控制器PC、脉冲发生器、掺铒光纤放大器EDFA、光环行器、两个光栅滤波器(第一光栅滤波器和第二光栅滤波器)、传感光纤、平衡探测器和数据采集与处理单元，所述激光器、第一电光调制器EOM1、第一耦合器、偏振控制器PC、第二电光调制器EOM2、第二耦合器、光纤放大器、第一光栅滤波器依次连接后接光环行器的第一光口，第一电光调制器EOM1的射频端口接5.5GHz的微波信号源，偏置端口经第一偏压控制器MBC1接第一耦合器的5％输出端，第二电光调制器EOM2的射频端口接脉冲发生器，偏置端口经第二偏压控制器MBC2接第二耦合器的5％输出端，光环行器的第二光口接传感光纤，第三光口依次经第二光栅滤波器和平衡探测器接数据采集与处理单元。
本发明的测量原理：
1550nm分布反馈式半导体窄线宽激光器发出的光进入带输入保偏光纤的电第一光调制器EOM1，第一光调制器EOM1的射频口接频率为5.5G的微波信号源，偏置端接第一偏压控制器MBC1，通过第一偏压控制器MBC1使第一光调制器EOM1工作在峰点，从而使光信号的奇次边带得到抑制，产生0阶基带与二阶双边带；信号通过第一耦合器的95％端口经偏振控制器PC后进入第二光调制器EOM2，第二光调制器EOM2的射频端接脉冲发生器，通过脉冲发生器产生传感脉冲，偏置端口接第二偏压控制器MBC2，通过第二偏压控制器MBC2使第二光调制器EOM2工作在谷点，利用其漏光效应将光信号调制为含有脉冲基底的脉冲光信号；第二耦合器的95％端口接光纤放大器EDFA对光信号进行放大；然后信号通过第一光栅滤波器滤除光纤放大器EDFA产生的放大的自发热辐射噪声后进入传感光纤，此时0阶基带和二阶上下边带均存在；之后信号通过光环形器进入传感光纤，脉冲基底的2阶双边带产生的后向瑞利散射作为探测光，与相向传输的传感脉冲0阶基带光发生受激布里渊散射作用后，返回入射端携带受激布里渊散射信息的探测光经光环行器进入第二光栅滤波器的滤波环形器，探测光经第一光纤布拉格光栅FBG1反射基带和斯托克斯边带后，反斯托克斯边带进入平衡探测器的负极端口，反射的基带和斯托克斯边带经第二光纤布拉格光栅FBG2反射基带后，斯托克斯边带进入平衡探测器的正极端口，输出的差分电信号传送给数据采集与处理单元。通过扫频可得到传感光纤的布里渊增益频谱，由频谱求得光纤上各点处的布里渊频移，并根据布里渊频移与温度/应变的关系，解析出光纤上的温度/应变信息，实现沿光纤温度/应变的测量。
本发明通过对两个EOM分别在峰点与谷点处调制产生频率成分为0阶基带与二阶双边带的含有脉冲基底的脉冲光信号，利用脉冲基底二阶上下边带产生的瑞利散射光作为探测光与脉冲光0阶基带发生受激布里渊散射作用。电光调制器的结构如图1所示，第一电光调制器EOM1的二次谐波调制原理如下。
常用的强度调制器是由平面波导电路设计的马赫-曾德尔型(M-Z型)电光调制器。激光从输入端口进入EOM，在第1个Y型耦合器处等分出两路，假设入射光的电场强度为：
E(t)＝E0exp(jω0t) (1)
式中，E0为入射光的电场幅度；ω0为入射光电场的角频率；
对M-Z型的EOM，激光经过第2个Y型耦合器后的电场强度为：
E(t)＝E0exp(jω0t)cos(φ0) (2)
式中，φ0为M-Z干涉仪两条光路之间的相位差。加在EOM上的调制电压为：
V＝VDC+Vmcos(ωmt) (3)
其中，VDC为直流偏置电压；Vmcos(ωmt)为射频端的微波调制电压；ωm为微波调制的角频率。
将式(3)代入下式，则有：
φ0＝πV/2Vπ＝Ccos(ωmt)+φDC (4)
式(5)中C为调制深度,其大小与微波功率P相关；R为EOM的RF端口(射频端口)的输入电阻；Vπ是EOM的半波电压；φDC＝πVDC/2Vπ是由直流偏置电压VDC引起的相位变化。此时式(2)变为:
E(t)＝E0exp(jω0t)cos(Ccos(ωmt)+φDC) (6)
将式(6)用Bessel函数展开，得到:
其中，Jk(C)为K阶Bessel函数。对应的0到3阶光强分别为
由式(8)可知，各阶光强的分布取决于调制深度C以及施加于EOM的直流偏置电压。为了得到功率稳定且能量集中的移频光，首先选择最佳的调制深度C，调制深度大小与微波功率相关，可通过调节微波功率改变调制深度。
当cos(2φDC)＝-1时，由式(8)可知，包括0阶及2阶在内的所有偶数阶光强为零，此时1阶光强最大，3阶及3阶以上的奇数阶光强不为零，但是与1阶光强相比可以忽略。此时，能量最大程度地集中在1阶光强上。因此，当cos(2φDC)＝-1时，调制效率最高，φDC＝π/2+nπ。但是考虑到加在EOM上的直流电压不能太大，一般只取离零点最近的φDC＝π/2，调制器工作在传输曲线的谷点位置VDC＝Vπ处。传统的RBOTDA就是使用该方法将微波信号的调制频率设置在BFS附近11GHz产生的一阶下边带作为探测光的。
当cos(2φDC)＝0时，由式(8)可知，0阶，1阶，2阶等所有阶的光强都存在，此时0阶1阶光强最大，此时φDC＝π/4+nπ/2，一般取φDC＝π/4，即调制器工作在曲线的线性点位置VDC＝Vπ/2处。由于线性点处各边带光强分量均存在，信噪比较低。
当cos(2φDC)＝1时，由式(8)可知，包括1阶及3阶在内的所有奇数阶光强为零，此时0阶与2阶光强较大，4阶及4阶以上的偶数阶光强可以忽略。当C＝1.8时，0阶与2阶强度相当。cos(2φDC)＝1时，调制效率最高，φDC＝nπ，取φDC＝π，即调制器工作在最大传输点即曲线的峰值位置VDC＝2Vπ处。由于EOM工作在峰点时输出的光强较谷点时大很多，信噪比高，因此本发明采用在EOM工作曲线的峰点处调制。
本发明主要利用脉冲光的0阶基带与二阶边带，因此通过调节第一偏压控制器MBC1使第一电光调制器EOM1工作在峰点，调节微波信号的功率使调制深度约为1.8，激光器输出的光通过第一电光调制器EOM1调制后产生强度相当的0阶与2阶双边带。通过脉冲发生器与第二偏压控制器MBC2驱动的第二电光调制器EOM2调制为含有0阶与二阶双边带的脉冲和由第二电光调制器EOM2漏光引起的脉冲基底信号，脉冲光和脉冲基底光进入传感光纤后发生SBS作用时的能量转移过程如图2所示。图中上半部分为探测光的频谱图，探测光由0阶基带产生的瑞利散射光(f0)和二阶上下边带产生的瑞利散射光(f0+2fm,f0-2fm)构成；下半部分为泵浦脉冲光的频谱图，由0阶基带(f0)和二阶双边带(f0+2fm,f0-2fm)构成。探测光Es与泵浦脉冲光Ep之间发生的SBS作用有以下四类：①Es1→Ep0；②Ep0→Es2；③Ep1→Es0；④Es0→Ep2；①与②过程中前者相当于损耗型BOTDA传感系统，后者相当于增益型BOTDA传感系统，能量同时由频率为f0+2fm的瑞利散射光高频上边带转移至频率为f0的传感脉冲基带又由传感脉冲基带转移给频率为f0-2fm的瑞利散射光低频下边带，这样可使得泵浦脉冲光中的基带能量损耗后又不断的补偿，可有效地消除非本地效应；③与④过程中前者相当于增益型BOTDA传感系统，后者相当于损耗型BOTDA传感系统，能量由频率为f0+2fm的传感脉冲高频上边带转移至频率为f0的瑞利散射光基带又由瑞利散射光基带转移给频率为f0-2fm的传感脉冲低频下边带，对于探测光的的基带来说也能消除非本地效应。因此，二阶双边带探测光中包含的斯托克斯边带与反斯托克斯边带使得SBS过程中增益型与损耗型共存，能有效地补偿泵浦脉冲耗尽，抑制非本地效应对系统的影响。
本发明采用的双边带平衡检测技术是指探测光通过滤波环形器和第一光纤布拉格光栅FBG1反射频率为f0的基带和频率为f0-2fm的斯托克斯边带后，频率为f0+2fm的反斯托克斯边带进入平衡探测器的负极端口，第一光纤布拉格光栅FBG1反射的基带和斯托克斯边带经第二光纤布拉格光栅FBG2反射基带后，频率为f0-2fm的斯托克斯边带进入平衡探测器的正极端口，输出的差分电信号是正极输入的斯托克斯边带信号减去负极输入的反斯托克斯边带信号，消除共模噪声的同时输出信号能量提高到2倍，可改善系统的信噪比，传感距离也能得到有效的延伸。
图3为本发明所采用的基于二次谐波与双边带平衡检测技术的RBOTDA的传感系统。1550nm分布反馈式半导体窄线宽激光器发出频率为f0的连续光进入带输入保偏光纤的第一电光调制器EOM1，光信号经由频率为fm的微波信号源与第一偏压控制器MBC1驱动的第一电光调制器EOM1调制为含有0阶与二阶双边带的连续光信号，又经由脉冲发生器与第二偏压控制器MBC2驱动的第二电光调制器EOM2调制为含有0阶与二阶双边带的脉冲和由第二电光调制器EOM2漏光引起的脉冲基底信号，经光纤放大器EDFA放大和第一光栅滤波器(带光栅的环形器)滤除自发热辐射噪声后，再经光环行器进入传感光纤。布里渊增益斯托克斯边带与布里渊损耗反斯托克斯边带均作为传输部分，将脉冲基底二阶上下边带产生的后向瑞利散射光作为探测光，与相向传输的传感脉冲光发生SBS作用，当探测光和脉冲光之间的频差2fm与某处光纤的布里渊频移vB一致时，脉冲光与探测光的SBS作用最强，探测光的上下边带会受到最大程度的衰减和放大。返回入射端携带受激布里渊散射信息的探测光经光环行器进入第二光栅滤波器，经过第一光纤布拉格光栅FBG1后频率为f0+2fm的探测光反斯托克斯上边带进入平衡探测器的负极端口，通过第二光纤布拉格光栅FBG2得到的频率为f0-2fm的斯托克斯下边带进入平衡探测器的正极端口，输出的差分电信号传送给数据采集与处理单元。
本系统中通过在一定范围内改变微波信号的频率fm来改变频移，实现对布里渊频谱的扫描，检测携带光纤上不同空间点处SBS信息的探测光信号强度，采集处理后对2fm的电信号进行拟合，可得到光纤上各处的传感光纤布里渊散射频谱，该散射谱上强度最大点处的频率即为光纤上各点处的布里渊频移，由布里渊频移与温度/应变的关系，解析出光纤上的温度/应变信息，实现沿光纤温度/应变的测量。

Claims (4)

1.一种高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，其特征是，所述RBOTDA传感系统包括激光器、微波信号源、脉冲发生器、第一电光调制器、第二电光调制器、第一耦合器、第二耦合器、第一偏压控制器、第二偏压控制器、偏振控制器(PC)、光纤放大器(EDFA)、第一光栅滤波器、第二光栅滤波器、光环行器、传感光纤、平衡探测器和数据采集与处理单元，所述激光器、第一电光调制器(EOM1)、第一耦合器、偏振控制器(PC)、第二电光调制器(EOM2)、第二耦合器、光纤放大器(EDFA)、第一光栅滤波器依次连接后接光环行器的第一光口，第一电光调制器(EOM1)的射频端口接微波信号源，偏置端口经第一偏压控制器(MBC1)接第一耦合器的一个输出端，第二电光调制器(EOM2)的射频端口接脉冲发生器，偏置端口经第二偏压控制器(MBC2)接第二耦合器的一个输出端；所述光环行器的第二光口接传感光纤，第三光口依次经第二光栅滤波器和平衡探测器接数据采集与处理单元。
2.根据权利要求1所述的高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，其特征是，所述第二光栅滤波器包括滤波环形器和两个光纤布拉格光栅，所述滤波环形器的第一光口接光环行器的第三光口，其第二光口经第一光纤布拉格光栅(FBG1)接平衡探测器的负极端口，第三光口经第二光纤布拉格光栅(FBG2)接平衡探测器的正极端口。
3.根据权利要求2所述的高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，其特征是，所述激光器为1550nm窄线宽激光器；所述微波信号源的工作频率为5.5GHz。
4.根据权利要求3所述的高信噪比抑制非本地效应的RBOTDA传感系统，其特征是，所述第一电光调制器与所述第二电光调制器均为马赫-曾德尔型电光调制器，第一偏压控制器(MBC1)控制第一电光调制器工作在峰点处，第二偏压控制器(MBC2)控制第二电光调制器工作在谷点处。
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