CN107543567B - 基于物理随机码调制的bocda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，具体是一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置及方法。解决了现有的基于BOCDA分布式光纤传感系统中存在的传感距离受限、空间分辨率恶化的问题。所述装置包括分布式反馈半导体激光器、电光相位调制器、物理随机码发生器、第一光隔离器、1×2光纤耦合器、高速电光调制器、微波信号源、可变光延迟线、第一光放大器、光扰偏器、第二光隔离器、传感光纤、第二光放大器、光环行器、可调谐光滤波器、光功率探测计。与时域系统相比，本发明具有更高的空间分辨率、更长的传感距离，避免了混沌激光信号弱周期的存在而导致空间分辨率恶化的问题，且对高空间分辨率获取的调节也非常方便，同时有效提高了传感系统的信噪比。

Description

基于物理随机码调制的BOCDA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，具体是一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感是利用光纤作为传感元件和传输元件，可以实现整根光纤上不同位置处温度和应变的测量。与传统的传感技术相比，分布式光纤传感系统具有分布式测量、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，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于可实现温度和应变的同时测量，且在测量精度、测量距离、空间分辨率等方面的优势，成为分布式光纤传感领域的研究热点。现有技术条件下，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统主要分为时域系统和相干域系统。时域系统的优点是测量距离较长，但受限于声子寿命，该系统的空间分辨率较低，最高能够达到1m（电子器件, 2008, vol.31, no.3, 752），且测量时间较长。相较于时域系统，相干域系统可明显提高空间分辨率。

相干域系统又可分为：布里渊光相干域反射仪（BOCDR, Brillouin OpticalCorrelation Domain Reflectometry）和布里渊光相干域分析仪（BOCDA, BrillouinOptical Correlation Domain Analysis）。对于BOCDR传感系统，它是基于光纤自发布里渊散射过程，该方法是将光源输出分为两路，一路作为参考光，另外一路为泵浦光，泵浦光送入传感光纤，然后经传感光纤自发散射回的斯托克斯光与参考光被差分探测，根据两者的相干函数从而实现对传感光纤的分布式测量。例如，日本东京大学的Kazuo Hotate等人利用正弦信号对光源进行频率调制的BOCDR系统，实现了传感距离为100m、空间分辨率为40cm（Optics Express，2008，vol.16,12148）。此外，我们也分别提出了利用混沌激光、电噪声调制光信号和ASE噪声光信号作为探测信号的BOCDR系统（中国发明专利，ZL201310045097.3、ZL201510077589X和2015105313685）。

与BOCDR传感系统相比，BOCDA传感系统是基于光纤的受激布里渊散射过程，具有更长的传感距离。该方法是将光源输出分为两路，分别作为泵浦光和探测光从光纤两端相向注入到传感光纤中产生受激布里渊散射非线性作用，通过求两者的相干函数可以实现对传感光纤的分布式测量。例如，日本东京大学的Kazuo Hotate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（Photonics TechnologyLetters, 2007, vol.19, no.23, 1928）。以色列巴伊兰大学的Avi Zadok等人利用伪随机序列对光信号进行相位调制成功构建BOCDA系统，实现了传感距离为200m、空间分辨率为1cm（Laser & Photonics Reviews, 2012, 6(5): L1-L5.）。但由于受正弦信号频率调制或者受伪随机序列相位调制的激光探测信号产生的相干函数具有周期性，使其测量距离受限于相干峰之间的间距，导致传感距离较短，测量动态范围受限。为了解决由于相干函数周期性导致传感距离受限的问题，我们提出了基于混沌激光作为探测信号的BOCDA传感系统（中国发明专利，ZL2015105312536和ZL2015105311800）。然而，混沌激光通常是由光注入、光反馈扰动半导体激光器产生，这样，产生的混沌激光信号中会含有光注入、光反馈引入的周期信号，破坏了混沌激光信号的低相干态，致使该系统的空间分辨率受到恶化。而且，光注入、光反馈联合扰动半导体激光器构成的混沌激光源，产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时，成本较高。

基于此，我们有必要发明一种全新的BOCDA分布式光纤传感系统，以解决现有BOCDA分布式光纤传感系统传感距离受限、空间分辨率恶化等问题，实现长距离、高空间分辨率、无测量盲区的分布式光纤传感。

发明内容

本发明为了解决现有的基于BOCDA分布式光纤传感系统中存在的传感距离受限、空间分辨率恶化的问题，提供了一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置及方法。

一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置，包括分布式反馈半导体激光器、电光相位调制器、物理随机码发生器、第一光隔离器、1×2光纤耦合器、高速电光调制器、微波信号源、可变光延迟线、第一光放大器、光扰偏器、第二光隔离器、传感光纤、第二光放大器、光环行器、可调谐光滤波器、光功率探测计；其中，分布式反馈半导体激光器的输出端与电光相位调制器的光纤输入端连接；物理随机码发生器的输出端通过高频同轴电缆与电光相位调制器的射频输入端连接；电光相位调制器的光纤输出端与第一光隔离器的输入端连接；第一光隔离器的输出端与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端与高速电光调制器的光纤输入端连接；微波信号源的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器的射频输入端连接；高速电光调制器的光纤输出端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的输入端连接；可变光延迟线的输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器的输入端连接；第一光放大器的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器的输入端连接；光扰偏器的输出端通过单模光纤跳线与第二光隔离器的输入端连接；第二光隔离器的输出端与传感光纤一端连接；传感光纤的另一端与光环行器的反射端连接；1×2光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与第二光放大器的输入端连接：第二光放大器的输出端通过单模光纤跳线与光环行器的输入端连接；光环行器的输出端与可调谐光滤波器的输入端连接；可调谐光滤波器的输出端通过单模光纤跳线与光功率探测计连接。

本发明所述的一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感方法，包括如下步骤：分布式反馈半导体激光器输出窄线宽单频连续激光，并入射到电光相位调制器；物理随机码发生器产生高、低二进制电平的真随机码信号，并将此信号输入到电光相位调制器射频输入端，对输入激光进行相位调制；经物理随机码调制相位后的激光从电光相位调制器输出，入射到第一光隔离器；通过第一光隔离器后，光信号入射到1×2光纤耦合器，通过1×2光纤耦合器分为两路：一路作为探测光，另一路作为泵浦光；探测光入射到高速电光调制器，其中高速电光调制器被微波信号源输出的正弦信号调制，使得探测光产生中心频率的偏移，频移量接近于传感光纤的布里渊频移；经高速电光调制器移频后的光信号输入到可变光延迟线，并通过可变光延迟线调节探测光的光程，然后入射到第一光放大器；通过第一光放大器对探测光进行放大，补偿可变光延迟线引起的光信号损耗，然后入射到光扰偏器；光扰偏器用于降低探测光与泵浦光在传感光纤中进行干涉时偏振态的影响，经光扰偏器输出后入射到第二光隔离器；第二光隔离器保证探测光单向通过，以避免后向散射光对探测光的影响；经第二光隔离器输出后，探测光注入传感光纤一端，传感光纤另一端与光环行器反射端连接。另一路泵浦光入射到第二光放大器，经第二光放大器放大后输出至光环行器的输入端；相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤中的某一位置处相遇，与此同时发生受激布里渊放大作用，放大后的探测光信号经光环行器环行后进入可调谐光滤波器，滤除无用信号（包括瑞利散射光、噪声等），只保留探测光；将滤出的探测光信号接入光功率探测计。通过对微波信号源进行扫频，由此记录下不同信号频率下探测光信号的平均光功率，从而获得探测光和泵浦光在传感光纤相遇位置处的布里渊增益谱；由于布里渊频移量与温度或应变的线性关系，可以获得传感光纤中该相遇位置处的温度或应变信息；通过可变光延迟线可以调节探测光的光程，使得探测光和泵浦光在传感光纤中的不同位置处发生受激布里渊放大作用，由此得到传感光纤中任意位置处的温度或应变信息。

本发明所述的一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置及方法，与现有的分布式光纤传感系统相比，其优点及积极效果在于：

一、与时域系统相比，基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置属于相干域系统，具有更高的空间分辨率，即空间分辨率可提高2-3个数量级。

二、与相干域系统中的BOCDR分布式光纤传感系统相比，BOCDA分布式光纤传感系统是基于受激布里渊散射过程，具有更长的传感距离，可使传感距离提高1-2个数量级。

三、基于被正弦信号频率调制的BOCDA分布式光纤传感系统本身存在着传感距离和空间分辨率之间的矛盾，而且被正弦信号频率调制的激光信号所产生的相干函数具有周期性，进一步限制了传感距离的增加。而基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感系统可完全解决上述的技术困难。

四、与基于伪随机序列相位调制的BOCDA分布式光纤传感系统相比，本发明是采用物理随机码相位调制的连续光信号作为探测信号，避免了相干函数周期性而导致的传感距离受限的问题。

五、对于基于混沌激光的BOCDA分布式光纤传感系统（中国发明专利，ZL2015105312536和ZL2015105311800），混沌激光通常是由光注入、光反馈扰动半导体激光器产生，这样，产生的混沌激光信号中会含有光注入、光反馈引入的周期信号，破坏了混沌激光信号的低相干态，致使该系统的空间分辨率受到恶化。而且，光注入、光反馈联合扰动半导体激光器构成的混沌激光源，产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时，成本较高。而基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感系统，其空间分辨率是由物理随机码的码宽决定，这不仅避免了混沌激光信号弱周期的存在而导致空间分辨率恶化的问题，而且对高空间分辨率获取的调节也非常方便。

六、本发明所述的一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感系统采用光功率探测计记录在每个微波源调制频率下，探测光信号的平均光功率，从而获得传感光纤某一位置处的布里渊增益谱。而其它的BOCDA分布式光纤传感系统获得布里渊增益谱需采用光电探测器将探测光信号转换成电信号，再利用信号采集装置记录数据并计算出布里渊增益谱。因此，本发明所采用的数据采集装置不仅简单，还可避免光电探测器等器件噪声的引入，从而极大地提高了传感系统的信噪比，也降低了去噪平均算法的平均次数。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置及方法的结构示意图。

图中：1-分布式反馈半导体激光器，2-电光相位调制器，3-物理随机码发生器，4-第一光隔离器，5-1×2光纤耦合器，6-高速电光调制器，7-微波信号源，8-可变光延迟线，9-第一光放大器，10-光扰偏器，11-第二光隔离器，12-传感光纤，13-第二光放大器，14-光环行器，15-可调谐光滤波器，16-光功率探测计。

具体实施方式

一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置及方法，包括分布式反馈半导体激光器1、电光相位调制器2、物理随机码发生器3、第一光隔离器4、1×2光纤耦合器5、高速电光调制器6、微波信号源7、可变光延迟线8、第一光放大器9、光扰偏器10、第二光隔离器11、传感光纤12、第二光放大器13、光环行器14、可调谐光滤波器15、光功率探测计16；

其中，分布式反馈半导体激光器1的输出端与电光相位调制器2的光纤输入端连接；物理随机码发生器3的输出端通过高频同轴电缆与电光相位调制器2的射频输入端连接；电光相位调制器2的光纤输出端与第一光隔离器4的输入端连接；第一光隔离器4的输出端与1×2光纤耦合器5的输入端连接；1×2光纤耦合器5的第一个输出端与高速电光调制器6的光纤输入端连接；微波信号源7的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器6的射频输入端连接；高速电光调制器6的光纤输出端通过单模光纤跳线与可变光延迟线8的输入端连接；可变光延迟线8的输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器9的输入端连接；第一光放大器9的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器10的输入端连接；光扰偏器10的输出端通过单模光纤跳线与第二光隔离器11的输入端连接；第二光隔离器11的输出端与传感光纤12一端连接；传感光纤12的另一端与光环行器14的反射端连接；1×2光纤耦合器5的第二个输出端通过单模光纤跳线与第二光放大器13的输入端连接：第二光放大器13的输出端通过单模光纤跳线与光环行器14的输入端连接；光环行器14的输出端与可调谐光滤波器15的输入端连接；可调谐光滤波器15的输出端通过单模光纤跳线与光功率探测计16连接。

具体实施时，分布式反馈半导体激光器1的中心波长为1550nm，光谱线宽为100kHz。电光相位调制器2带宽为40GHz。物理随机码发生器3码率可调最高为14Gbit/s。1×2光纤耦合器5的耦合比为80:20。高速电光调制器6采用AZ-DK5-20-FFU-SFU-LV-SRF1W型强度调制器。微波信号源7采用EXG-N5173B型微波信号源。可变光延迟线8采用ODG-101高精度可编程光延迟线。第一光放大器9采用普通掺饵光纤放大器。光扰偏器10采用PCD-104型扰偏器。传感光纤12采用G652单模光纤或G655单模光纤，其长度为200km。第二光纤放大器13采用普通掺饵光纤放大器。可调谐光滤波器15采用XTM-50带宽波长可调型滤波器。光功率探测计16采用PM100D型探测计。

以上所述仅是对本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施实例所做的任何简单修改、等同变化，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感装置，其特征在于，包括分布式反馈半导体激光器（1）、电光相位调制器（2）、物理随机码发生器（3）、第一光隔离器（4）、1×2光纤耦合器（5）、高速电光调制器（6）、微波信号源（7）、可变光延迟线（8）、第一光放大器（9）、光扰偏器（10）、第二光隔离器（11）、传感光纤（12）、第二光放大器（13）、光环行器（14）、可调谐光滤波器（15）、光功率探测计（16）；

其中，分布式反馈半导体激光器（1）的输出端与电光相位调制器（2）的光纤输入端连接；物理随机码发生器（3）的输出端通过高频同轴电缆与电光相位调制器（2）的射频输入端连接；电光相位调制器（2）的光纤输出端与第一光隔离器（4）的输入端连接；第一光隔离器（4）的输出端与1×2光纤耦合器（5）的输入端连接；1×2光纤耦合器（5）的第一个输出端与高速电光调制器（6）的光纤输入端连接；微波信号源（7）的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器（6）的射频输入端连接；高速电光调制器（6）的光纤输出端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（8）的输入端连接；可变光延迟线（8）的输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器（9）的输入端连接；第一光放大器（9）的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器（10）的输入端连接；光扰偏器（10）的输出端通过单模光纤跳线与第二光隔离器（11）的输入端连接；第二光隔离器（11）的输出端与传感光纤（12）一端连接；传感光纤（12）的另一端与光环行器（14）的反射端连接；1×2光纤耦合器（5）的第二个输出端通过单模光纤跳线与第二光放大器（13）的输入端连接：第二光放大器（13）的输出端通过单模光纤跳线与光环行器（14）的输入端连接；光环行器（14）的输出端与可调谐光滤波器（15）的输入端连接；可调谐光滤波器（15）的输出端通过单模光纤跳线与光功率探测计（16）连接。

2.一种基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感方法，采用权利要求1所述的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：分布式反馈半导体激光器（1）输出窄线宽单频连续激光，并入射到电光相位调制器（2）；物理随机码发生器（3）产生高、低二进制电平的真随机码信号，并将此信号输入到电光相位调制器（2）射频输入端，对输入激光进行相位调制；经物理随机码调制相位后的激光从电光相位调制器（2）输出，入射到第一光隔离器（4）；通过第一光隔离器（4）后，光信号入射到1×2光纤耦合器（5），通过1×2光纤耦合器（5）分为两路：一路作为探测光，另一路作为泵浦光；探测光入射到高速电光调制器（6），其中高速电光调制器（6）被微波信号源（7）输出的正弦信号调制，使得探测光产生中心频率的偏移，频移量接近于传感光纤（12）的布里渊频移；经高速电光调制器（6）移频后的光信号输入到可变光延迟线（8），并通过可变光延迟线（8）调节探测光的光程，然后入射到第一光放大器（9）；通过第一光放大器（9）对探测光进行放大，补偿可变光延迟线（8）引起的光信号损耗，然后入射到光扰偏器（10）；经光扰偏器（10）输出后入射到第二光隔离器（11）；经第二光隔离器（11）输出后，探测光注入传感光纤（12）一端，传感光纤（12）另一端与光环行器（14）反射端连接；另一路泵浦光入射到第二光放大器（13），经第二光放大器（13）放大后输出至光环行器（14）的输入端；相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤（12）中的某一位置处相遇，与此同时发生受激布里渊放大作用，放大后的探测光信号经光环行器（14）环行后进入可调谐光滤波器（15），滤除无用信号，只保留探测光；将滤出的探测光信号接入光功率探测计（16）；通过对微波信号源（7）进行扫频，由此记录下不同信号频率下探测光信号的平均光功率，从而获得探测光和泵浦光在传感光纤（12）相遇位置处的布里渊增益谱；由于布里渊频移量与温度或应变的线性关系，可以获得传感光纤（12）中该相遇位置处的温度或应变信息；通过可变光延迟线（8）可以调节探测光的光程，使得探测光和泵浦光在传感光纤（12）中的不同位置处发生受激布里渊放大作用，由此得到传感光纤（12）中任意位置处的温度或应变信息。

3.如权利要求2所述的基于物理随机码调制的BOCDA分布式光纤传感方法，其特征在于，传感光纤（12）采用G652单模光纤或G655单模光纤，其长度为200km。