CN107764298A - 一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统的传感方法，所述方法包括如下步骤：1）产生连续探测光；2）产生脉冲泵浦光；3）产生受激布里渊作用；4）产生背向散射的信号光；5）数据采集与处理。这种传感方法的优点是，单端结构可以实现BOTDA中测量距离即为有效测量距离，使用这种系统与增益型BOTDA系统相比，具有有效测量距离更远的优势。本发明同时还公开了一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统及传感方法。
背景技术
光纤布里渊光时域分析技术（BOTDA）是一种基于受激布里渊散射（SBS）效应的分布式光纤传感技术，传统的基于布里渊散射效应的光纤传感器需要将一束泵浦光（脉冲光）和一束探测光（连续光）分别注入光纤两端，当这两束光的频率差在布里渊增益范围内时，两束光之间发生受激布里渊作用产生能量转移，当泵浦光和探测光的频率差等于布里渊频移时能量转移最大，利用BOTDA技术以及布里渊频移量与温度/应变的线性关系，便可实现温度和应变的分布式测量。
BOTDA系统的显著优势是散射信号强，易提取，降低了信号提取的难度，同时可实现长距离传感，传感测量精度高,在管道、水坝、轨道、桥梁、建筑物等结构的健康监测中有广泛的应用。
传统的BOTDA系统中需要在光线的两端注入光源，因此系统的有效传感距离只有标称传感距离的一半，同时两端注入光源在实际的测量中使用并不方便，此外，传统BOTDA技术需要对本振光和探测光的频率差进行扫频，为此需要高频微波信号源和高消光比的电光移频器对本振光或者探测光进行移频，以便实现布里渊增益谱的扫频测量，极大的增加了系统的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统及传感方法。这种系统的优点是成本低、能实现长距离动态应变的监测。这种传感方法的优点是，单端结构可以实现BOTDA中测量距离即为有效测量距离，使用这种系统与增益型BOTDA系统相比，具有有效测量距离更远的优势。
实现本发明目的的技术方案是：
一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统，包括
窄线宽激光器、第一光耦合器、掺铒光纤放大器、 第二光耦合器、第二光环形器；
信号处理单元，所述信号处理单元包括顺序连接的光电探测器和数据采集处理模块；
单端结构单元，所述单端结构单元包括连接在一起的传感光纤和FC/PC光连接器；
脉冲调制单元，所述脉冲调制单元设有脉冲调制器，脉冲调制器把移频后的连续光调制成脉冲泵浦光；
可调移频单元，所述可调移频单元包括第一光环行器、第三光耦合器、光隔离器、偏振控制器、压电陶瓷和缠绕在压电陶瓷上的一段单模光纤，其中，第一光环行器的b端口与缠绕在压电陶瓷上的单模光纤连接，压电陶瓷外接调制电压，压电陶瓷上单模光纤的另一端与偏振控制器连接，偏振控制器另一端与光隔离器连接，光隔离器与第三光耦合器的下路出射端连接，第三光耦合器的入射端与第一光环行器的c端口连接，刚好构成环形谐振腔，缠绕在压电陶瓷上的一段单模光纤的固有布里渊频移与传感光纤的固有布里渊频移相差一个布里渊增益带宽，约30MHz左右；
连接方式：窄线宽激光器与第一光耦合器入射端连接，第一光耦合器出射端上路与第二光耦合器入射端上路连接，第一光耦合器出射端下路与掺铒光纤放大器连接，掺铒光纤放大器另一端与可调移频单元连接，可调移频单元与脉冲调制单元连接，脉冲调制单元与第二光耦合器入射端下路连接，第二光耦合器出射端与 第二光环行器的a端连接，第二光环行器的b端与单端结构单元连接，第二光环行器的c端与信号处理单元连接。
传播方式：窄线宽激光器发出连续探测光经过第一光耦合器分为上下两路连续光，上路为连续探测光，下路连续光经过掺铒光纤放大器放大之后，进入可调移频单元变成布里渊频移的斯托克斯光，该光进入脉冲调制单元调制成脉冲泵浦光，上路为连续探测光与下路脉冲泵浦光进入第二光耦合器，再进入第二光环型器最后进入单端结构单元发生SBS效应（损耗型）产生布里渊背向散射光，该光经过第二光环型器进入信号处理单元。
所述可调移频单元由其组成器件第一光环形器、第三光耦合器、光隔离器、偏振控制器、压电陶瓷和缠绕在压电陶瓷上的一段单模光纤构成环形震荡腔。
所述压电陶瓷通过调制电压调制控制缠绕在压电陶瓷上的一段单模光纤的布里渊散射频移量。
所述传感光纤为普通单模光纤。
所述光隔离器的作用是防止产生高阶的斯托克斯光。
所述压电陶瓷的作用是通过改变电压改变缠绕在压电陶瓷上的单模光纤的应变从而使其布里渊频移量发生改变，实现传感光纤布里渊增益谱的扫描，通过找出泵浦光和探测光能量转移最大时压电陶瓷上所加载的电压，从而确定此时传感光纤的布里渊频移，再根据布里渊频移量与温度/应变的线性关系，便可实现温度和应变的分布式测量，故压电陶瓷所加载的调制电压与缠绕在压电陶瓷上的单模光纤的频移的线性关系需要预先标定。
所述光偏振控制器的作用是抑制光偏振态对传感系统的影响。
所述掺饵光纤放大器的作用是放大下路的连续光的功率使之能够产生受激布里渊效应。
采用上述布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统的传感方法，包括如下步骤：
1）产生连续探测光：使可调激光器窄线宽激光器产生连续光信号经过第一光耦合器分为上下两路连续光，上路连续光作为探测光从第一光耦合器到第二光耦合器再到第二光环型器最终进入传感光纤；
2）产生脉冲泵浦光：使步骤1）产生的下路连续光从第一光耦合器经掺铒光纤放大器放大后进入从第一光环行器的a端口再从b端口出来然后进入缠绕在压电陶瓷上的单模光纤，在缠绕在压电陶瓷上的单模光纤中由于受激布里渊效应产生后向的布里渊斯托克斯光，向前的连续光经偏振控制器到达光隔离器后就被滤掉，而后向的布里渊斯托克斯光会从缠绕在压电陶瓷上的单模光纤返回进入第一环形器的b端口，从第一环形器的c端口出来，最后到达第三光耦合器的入射端，再到第三光耦合器的出射端下端口，最后又进入光隔离器，此连续光就在环形腔中连续不断的顺时针传播，有一部分光从第三耦合器中出射端的上端口出来到达电光调制器，经过电光调制器把连续的布里渊斯托克斯光调制成脉冲光， 此脉冲光经过第二光耦合器进入第二环形器最后进入传感光纤；
3）产生受激布里渊作用：上路连续光和下路频移后的脉冲光都进入传感光纤，在传感光纤中由于后端装有FC/PC光连接器会把上路的连续光实时反射回来，此光刚好与进入传感光纤的布里渊频移的脉冲光产生受激布里渊作用，刚好是损耗型的BOTDA系统，其中进入的脉冲光充当泵浦光，FC/PC光连接器反射回来的连续光充当探测光；
4）产生背向散射的信号光：在传感光纤中这两束光由于受激布里渊散射SBS作用产生背向散射的信号光从第二环形器的b端口进入到c端口；
5）数据采集与处理：使第二环形器的c端口的信号光再进入光电探测器和数据采集处理模块进行数据的分析与处理，得到传感光纤上温度与应变改变的结果。
这种技术方案的优点是：
本技术方案与传统的双端BOTDA系统相比，技术方案采用布里渊频移结构的单端布里渊光时域分析传感装置，既可以基于光纤的受激布里渊增益作用实现对温度与应变的长距离分布式测量，又可以避免双端BOTDA系统光纤中出现断点时无法正常工作的问题；解决了传统双端BOTDA系统中实际测量距离即为光纤长度的一半的问题；
本技术方案与传统单端BOTDA系统相比，本技术方案通过改变电压改变缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51的应变从而使其布里渊频移量发生改变实现传感光纤布里渊增益谱的扫描，通过找出泵浦光和探测光能量转移最大时压电陶瓷5上所加载的电压，从而确定此时传感光纤13的布里渊频移，再根据布里渊频移量与温度/应变的线性关系，便可实现温度和应变的分布式测量，这与传统的高频微波信号源和电光移频器相比价格更低，故能降低成本。
附图说明
图1为实施例中系统结构示意图；
图2为实施例中的可调移频单元的结构示意图；
图3为实施例中方法的流程示意框图。
图中 1.窄线宽激光器 2.第一光耦合器 3.掺铒光纤放大器 4.第一光环形器 5.压电陶瓷6.调制电压 7.偏振控制器 8.光隔离器 9.第三光耦合器 10.脉冲调制器 11.第二光耦合器 12.第二光环形器 13.传感光纤 14.FC/PC光连接器 15.光电探测器 16.数据采集处理模块 17.可调移频单元18.脉冲调制单元 19.单端结构单元 20.信号处理单元51.单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图对发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1、图2，一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统，包括：
窄线宽激光器1、第一光耦合器2、 掺饵光纤放大器3、第二光耦合器11、第二光环形器12；
信号处理单元20，所述信号处理单元20包括顺序连接的光电探测器15和数据采集处理模块16；
单端结构单元19，所述单端结构单元19包括连接在一起的传感光纤13和FC/PC光连接器14；
脉冲调制单元18，所述脉冲调制单元18设有脉冲调制器10，脉冲调制器10把移频后的连续光调制成脉冲泵浦光；
可调移频单元17，所述可调移频单元17包括第一光环形器4、第三光耦合器9、光隔离器8、偏振控制器7、压电陶瓷5和缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51，其中，第一光环行器4的b端口与缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51连接，压电陶瓷5外接调制电压6，压电陶瓷5上单模光纤51的另一端与偏振控制器7连接，偏振控制器7另一端与光隔离器8连接，光隔离器8与第三光耦合器9的下路出射端连接，第三光耦合器9的入射端与第一光环行器4的c端口连接；
连接方式：窄线宽激光器1与第一光耦合器2入射端连接，第一光耦合器2出射端上路与第二光耦合器11入射端上路连接，第一光耦合器2出射端下路与掺铒光纤放大器3连接，掺铒光纤放大器3另一端与可调移频单元17连接，可调移频单元17与脉冲调制单元18连接，脉冲调制单元18与第二光耦合器11入射端下路连接，第二光耦合器11出射端与 第二光环行器12的a端连接，第二光环行器12的b端与单端结构单元19连接，第二光环行器12的c端与信号处理单元20连接。
传播方式：窄线宽激光器1发出连续探测光经过第一光耦合器2分为上下两路连续光。上路为连续探测光，进入第二光耦合器11。下路连续光经过掺饵光纤放大器3放大之后进入可调移频单元17变成布里渊频移的斯托克斯光，该光进入脉冲调制单元18调制成脉冲泵浦光，最后进入第二光耦合器11。上路连续探测光与下路脉冲泵浦光共同进入第二光耦合器11，再进入第二光环型器12最后进入单端结构单元19发生SBS效应（损耗型）产生布里渊背向散射光，该光经过第二光环型器12进入信号处理单元20。
所述可调移频单元17由其组成器件第一光环形器4、第三光耦合器9、光隔离器8、偏振控制器7、压电陶瓷5、单模光纤51构成环形震荡腔。
所述压电陶瓷5通过调制电压调制控制缠绕在压电陶瓷5上的一段单模光纤51的布里渊散射频移量。
所述传感光纤13为普通单模光纤。
所述光隔离器8的作用是防止产生高阶的斯托克斯光。
所述压电陶瓷5的作用是通过改变电压改变缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51的应变从而使其布里渊频移量发生改变，实现传感光纤布里渊增益谱的扫描，通过找出泵浦光和探测光能量转移最大时压电陶瓷5上所加载的电压，从而确定此时传感光纤13的布里渊频移，再根据布里渊频移量与温度/应变的线性关系，便可实现温度和应变的分布式测量，故压电陶瓷5所加载的调制电压与缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51的频移的线性关系需要预先标定。
所述光偏振控制器7的作用是抑制光偏振态对传感系统的影响。
所述掺饵光纤放大器3的作用是放大下路的连续光的功率使之能够产生受激布里渊效应。
具体连接方式如下：
窄线宽激光器1与第一光耦合器2输入端连接，第一光耦合器2上路输出端与第二光耦合器11上路输入端连接，第一光耦合器2的下路输出端与掺铒光纤放大器3连接，掺铒光纤放大器3与第一光环行器4的a端口连接，第一光环行器4的b端口与缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51连接，压电陶瓷5与调制电压6连接，压电陶瓷5上单模光纤51的另一端与偏振控制器7连接，偏振控制器7另一端与光隔离器8连接，光隔离器8与第三光耦合器9的下路出射端连接，第三光耦合器9的入射端与第一光环行器4的c端口连接，第三光耦合器9的上路出射端与脉冲调制器10连接，脉冲调制器10与第二光耦合器11的下路输入端连接，第二光耦合器11的输出端与第二光环形器12的a端连接，第二光环形器12的b端与传感光纤13连接，传感光纤13与 FC/PC光连接器14连接，第二光环形器12的c端与光电探测器15连接，光电探测器15与数据采集处理模块16连接。
参照图3，采用上述布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统的传感方法，包括如下步骤：
1）产生连续探测光：使可调激光器窄线宽激光器1产生连续光信号经过第一光耦合器2分为上下两路连续光，上路连续光作为探测光从第一光耦合器2到第二光耦合器11再到第二光环型器12最终进入传感光纤13；
2)产生脉冲泵浦光：使步骤1）产生的下路连续光从第一光耦合器2经掺铒光纤放大器3放大后进入从第一光环行器4的a端口再从b端口出来然后进入缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51，在缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51中由于受激布里渊效应产生后向的布里渊斯托克斯光，向前的连续光经偏振控制器7到达光隔离器8后就被滤掉，而后向的布里渊斯托克斯光会从缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤返回进入第一环形器4的b端口，从第一环形器4的c端口出来，最后到达第三光耦合器9的入射端，再到第三光耦合器9的出射端下端口，最后又进入光隔离器8，此连续光就在环形腔中连续不断的顺时针传播，有一部分光从第三耦合器9中出射端的上端口出来到达电光调制器10，经过电光调制器10把连续的布里渊斯托克斯光调制成脉冲光， 此脉冲光经过第二光耦合器11进入第二环形器12最后进入传感光纤13
3）产生受激布里渊作用：上路连续光和下路频移后的脉冲光都进入传感光纤13，在传感光纤13中由于后端装有FC/PC光连接器14会把上路的连续光实时反射回来，此光刚好与进入传感光纤13的布里渊频移的脉冲光产生受激布里渊作用，刚好是损耗型的BOTDA系统，其中进入的脉冲光充当泵浦光，FC/PC光连接器14反射回来的连续光充当探测光，
4）产生背向散射的信号光：在传感光纤13中这两束光由于受激布里渊散射SBS作用产生背向散射的信号光从第二环形器12的b端口进入到c端口；
5）数据采集与处理：使第二光环行器12的c端口的信号光再进入光电探测器15和数据采集处理模块16进行数据的分析与处理，得到传感光纤上温度与应变改变的结果。
本例中先确定压电陶瓷5上的调制电压6，由于调制电压6的不同而导致压电陶瓷5的伸缩量发生改变，从而导致其上面缠绕的单模光纤51也会被拉长或收缩，进而导致其布里渊频移发生改变, 通过改变调制电压6的大小来改变缠绕在压电陶瓷5上的单模光纤51的应变从而使其布里渊频移量发生改变，实现传感光纤布里渊增益谱的扫描，通过找出泵浦光和探测光能量转移最大时压电陶瓷5上所加载的电压，从而确定此时传感光纤13的布里渊频移，再根据布里渊频移量与温度/应变的线性关系，便可实现温度和应变的分布式测量。
本例中，掺饵光纤放大器3的泵浦光为980nm。
Claims (5)
1.一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统，包括：
窄线宽激光器、第一光耦合器、 掺饵光纤放大器、第二光耦合器、 第二光环形器；
信号处理单元，所述信号处理单元包括顺序连接的光电探测器和数据采集处理模块；
单端结构单元，所述单端结构单元包括连接在一起的传感光纤和FC/PC光连接器；
脉冲调制单元，所述脉冲调制单元设有脉冲调制器；
可调移频单元，所述可调移频单元包括第一光环形器、第三光耦合器、光隔离器、偏振控制器、压电陶瓷和缠绕在压电陶瓷上的单模光纤，其中，第一光环行器的b端口与缠绕在压电陶瓷上的单模光纤连接，压电陶瓷外接调制电压，压电陶瓷上单模光纤的另一端与偏振控制器连接，偏振控制器另一端与光隔离器连接，光隔离器与第三光耦合器的下路出射端连接，第三光耦合器的入射端与第一光环行器的c端口连接；
窄线宽激光器与第一光耦合器入射端连接，第一光耦合器出射端上路与第二光耦合器入射端上路连接，第一光耦合器出射端下路与掺铒光纤放大器连接，掺铒光纤放大器另一端与可调移频单元连接，可调移频单元与脉冲调制单元连接，脉冲调制单元与第二光耦合器入射端下路连接，第二光耦合器出射端与 第二光环行器的a端连接，第二光环行器的b端与单端结构单元连接，第二光环行器的c端与信号处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统，特征是，所述可调移频单元由其组成器件第一光环形器、第三光耦合器、光隔离器、偏振控制器、压电陶瓷和单模光纤构成环形震荡腔。
3.根据权利要求1所述的布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统，特征是，所述压电陶瓷通过控制调制电压的大小来调节布里渊散射频移量。
4.根据权利要求1所述的布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统，其特征是，所述传感光纤为普通单模光纤。
5.采用权1-4任一项所述一种布里渊可调移频器结构的单端布里渊分布式传感系统的传感方法，其特征是，包括如下步骤：
1）产生连续探测光：使可调激光器窄线宽激光器产生连续光信号经过第一光耦合器分为上下两路连续光，上路连续光作为探测光从第一光耦合器到第二光耦合器再到第二光环型器最终进入传感光纤；
2）产生脉冲泵浦光：使步骤1）产生的下路连续光从第一光耦合器经掺铒光纤放大器放大后进入从第一光环行器的a端口再从b端口出来然后进入缠绕在压电陶瓷上的单模光纤，在缠绕在压电陶瓷上的单模光纤中由于受激布里渊效应产生后向的布里渊斯托克斯光，向前的连续光经偏振控制器到达光隔离器后就被滤掉，而后向的布里渊斯托克斯光会从缠绕在压电陶瓷上的单模光纤返回进入第一环形器的b端口，从第一环形器的c端口出来，最后到达第三光耦合器的入射端，再到第三光耦合器的出射端下端口，最后又进入光隔离器，此连续光就在环形腔中连续不断的顺时针传播，有一部分光从第三耦合器中出射端的上端口出来到达电光调制器，经过电光调制器把连续的布里渊斯托克斯光调制成脉冲光， 此脉冲光经过第二光耦合器进入第二环形器最后进入传感光纤；
3）产生受激布里渊作用：上路连续光和下路频移后的脉冲光都进入传感光纤，在传感光纤中由于后端装有FC/PC光连接器会把上路的连续光实时反射回来，此光刚好与进入传感光纤的布里渊频移的脉冲光产生受激布里渊作用，刚好是损耗型的BOTDA系统，其中进入的脉冲光充当泵浦光，FC/PC光连接器反射回来的连续光充当探测光；
4）产生背向散射的信号光：在传感光纤中这两束光由于受激布里渊散射SBS作用产生背向散射的信号光从第二环形器的b端口进入到c端口；
5）数据采集与处理：使第二环形器12的c端口的信号光再进入光电探测器15和数据采集处理模块16最后进行数据的分析与处理，得到传感光纤上温度与应变改变的结果。
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