CN108180853B - 一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置，属于分布式光纤传感领域；所要解决的技术问题是提供了一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置；解决该技术问题采用的技术方案为：本装置将混沌激光分为参考光和探测光两部分，探测光经过光调制器调制成混沌脉冲光，放大滤波后经过光环行器进入待测光纤；参考光经过扰偏器后通过耦合器分成两路，一路与自发布里渊散射信号进行拍频，得到传感光纤布里渊频移变化，实现应变检测，另一路与自发布里渊散射信号进行相关处理，获得光纤沿线应变的位置信息，利用FPGA模块上实现应变解调和相关处理，对应变进行实时监测；本发明可应用于大型结构、地下管线安全监测领域。

Description

一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置

技术领域

本发明一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

光纤传感具有抗电磁干扰、耐腐蚀、适合长距离传输等特点，因而广泛应用于大型结构的健康监测、地下管线的安全监测等长距离、大规模、恶劣环境下的安全监测。

布里渊光时域反射技术检测应变，是根据光纤中自发布里渊散射信号的频移受应变影响的原理，通过测量该频移量来检测应变的。传感光纤中布里渊频移与应变的关系如下式所示：

式中，

为布里渊频移，

为应变，

为室温，

为初始应变，

为应变改变量，

为布里渊频移变化的应变系数，当波长为1550nm的入射光入射普通单模石英光纤时，

约 为

。由上式可看出，恒温条件下布里渊频移与应变呈线性关系。因此， 只需确定光纤轴向沿线分布的布里渊频移

即可检测出对应位置的应变量。

但是，由于光纤中声学声子的弛豫时间为10ns，脉冲宽度小于10ns时，会使布里渊散射谱展宽，进而导致测量误差增大。因而利用脉冲光作为探测信号的布里渊光时域反射技术，理论上空间分辨率最高为1米。此外，长距离监测时入射光脉冲衰减导致自发布里渊散射信号微弱，造成测量距离受限、传输数据量过大、处理时间较长、实时监测比较困难，因而有必要对散射信号进行放大并提高装置的实时性。

发明内容

本发明一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置，克服了现有技术存在的不足，通过混沌激光相关原理实现高空间分辨率，利用背向拉曼放大效应放大混沌布里渊散射信号以增加装置测量距离，并采用现场可编程门阵列（Field-Programmable GateArray，FPGA）模块进行信号处理，实现应变的实时监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置，包括混沌激光源、第一光纤耦合器、光调制模块、第一光放大器、第一密集型波分复用器、第一光环行器、扰偏器、第二光纤耦合器、第二光放大器、第二密集型波分复用器、第三光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、拉曼泵浦激光器、波分复用器、传感光纤和信息处理电路；

混沌激光源输出混沌激光信号进入第一光纤耦合器后分为两路，第一光纤耦合器输出的第一路光作为探测光，依次经过光调制模块、第一光放大器、第一密集型波分复用器和第一光环行器后入射到传感光纤，产生混沌布里渊散射光信号，再进入波分复用器，拉曼泵浦激光器发出拉曼泵浦光，经过波分复用器、传感光纤、第一光环行器、第二光放大器和第二密集型波分复用器后进入第三光纤耦合器中；

第一光纤耦合器输出的第二路光作为参考光信号，经过扰偏器进入第二光纤耦合器后分为两路，第二光纤耦合器输出的第一路光进入第三光纤耦合器，第二光纤耦合器输出的第二路光进入第一光电探测器，第一光电探测器与信息处理电路相连，第二光纤耦合器输出的第一路光信号和经过第二密集型波分复用器后进入第三光纤耦合器中的光信号在第三光纤耦合器中拍频，拍频后的光信号中包含布里渊频移信息，拍频后的光信号进入第二光电探测器，第二光电探测器与信息处理电路相连，信息处理电路包括混频器、微波源、模数转换模块和FPGA模块，模数转换模块的第一输入端与第一光电探测器相连，模数转换模块的第二输入端与混频器的输出端相连，混频器的输入端分别与第二光电探测器和微波源相连，模数转换模块的输出端与FPGA模块相连，FPGA模块对参考光信号与混频后的信号进行互相关处理，由于混沌光的特性，相关处理后的信号会在应变发生处产生相关峰，由此获得传感光纤上所发生应变的具体位置信息， FPGA模块还对混频后的信号进行解调，得到相应位置处的应变量的具体信息。

进一步，所述混沌激光源包括放大的自发辐射源、第二光环行器、光纤光栅滤波器、可调光衰减器、第三光环行器和半导体激光器，放大的自发辐射源发出的光进入第二光环行器，再经过光纤光栅滤波器滤波产生窄带的放大自发辐射噪声，经可调光衰减器衰减，之后经第三光环行器注入半导体激光器，产生波长为1550nm的混沌激光信号，该信号经第三光环行器进入所述第一光纤耦合器。

进一步，还包括计算机，计算机的显示屏显示光纤沿线应变分布的具体情况。

进一步， 所述第二光纤耦合器输出的第一路光和第二路光的光功率占比均为50%。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1.本发明中混沌激光光谱较宽、相干长度可调节，利用其在传感光纤中产生的混沌布里渊散射光信号与混沌激光参考信号在光域拍频来获取布里渊散射光信号频移量，抗干扰能力强、噪声容忍度大。

2.本发明使用混沌激光源，与传统的激光器相比，可提高受激布里渊阈值，进而增加了测量距离；同时利用混沌激光的相关原理，系统空间分辨率取决于相关峰的半波全宽，克服了脉冲宽度的限制，从而提高了空间分辨率。

3.本发明利用背向拉曼放大原理对布里渊散射信号进行放大，增加了装置的传感距离。

4.本发明在FPGA模块上实现应变解调与相关处理，利用FPGA模块高性能、低能耗、数据并行处理的优势，对应变进行了实时监测。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-放大的自发辐射源，2-第二光环行器，3-光纤光栅滤波器，4-可调光衰减器，5-第三光环行器，6-半导体激光器，7-第一光纤耦合器，8-光调制模块，9-第一光放大器，10-第一密集型波分复用器，11-第一光环行器，12-扰偏器，13-第二光纤耦合器，14-第二光放大器，15-第二密集型波分复用器，16-第三光纤耦合器，17-第一光电探测器，18-第二光电探测器，19-混频器 20-微波源，21-拉曼泵浦激光器，22-波分复用器，23-传感光纤，24-模数转换模块，25-FPGA模块，26-计算机。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置，包括放大的自发辐射源1、第二光环行器2、光纤光栅滤波器3、可调光衰减器4、第三光环行器5、半导体激光器6、第一光纤耦合器7、光调制模块8、第一光放大器9、第一密集型波分复用器10、第一光环行器11、扰偏器12、第二光纤耦合器13、第二光放大器14、第二密集型波分复用器15、第三光纤耦合器16、第一光电探测器17、第二光电探测器18、混频器19、微波源20、拉曼泵浦激光器21、波分复用器22、传感光纤23、模数转换模块24、FPGA模块25和计算机26；其中，放大的自发辐射源1、第二光环行器2、光纤光栅滤波器3、可调光衰减器4、第三光环行器5和半导体激光器6构成混沌激光源；混频器19、微波源20、模数转换模块24和FPGA模块25构成信息处理电路。

第二光环行器2的a端口与放大的自发辐射源1的输出端相连接，第二光环行器2的b端口与光纤光栅滤波器3相连，第二光环行器2的c端口与可调光衰减器4的输入端相连，第三光环行器5的a端口与可调光衰减器4的输出端相连，第三光环行器5的b端口与半导体激光器6相连，第三光环行器5的c端口与第一光纤耦合器7的输入端口相连，第一光纤耦合器7的输出端口a顺次连接光调制模块8、第一光放大器9和第一密集型波分复用器10，第一光纤耦合器7的输出端口b顺次连接到扰偏器12和第二光纤耦合器13的输入端口，第二光纤耦合器13的输出端口a与第三光纤耦合器16的输入端口a相连，第二光纤耦合器13的输出端口b顺次连接第一光电探测器17和模数转换模块24的输入端口a，第一光环行器11的a端口与第一密集型波分复用器10相连，第一光环行器11的b端口顺次连接传感光纤23、波分复用器22和拉曼泵浦激光器21，第一光环行器11的c端口顺次连接第二光放大器14、第二密集型波分复用器15和第三光纤耦合器16的输入端口b，第三光纤耦合器16的输出端口顺次连接到第二光电探测器18、混频器19的输入端口a，混频器19的输入端口b和微波源20的输出端相连，混频器19的输出端口与模数转换模块24的输入端口b相连，模数转换模块24的输出端口顺次连接到FPGA模块25与计算机26。

下面进一步说明本发明检测光纤应变的工作原理，其中包括对光纤轴向沿线分布 的布里渊频移

检测过程和光纤应变的定位过程。

对光纤轴向沿线分布的

检测过程，具体为放大的自发辐射源1发出的光进入第 二光环行器2，再经过光纤光栅滤波器3滤波产生窄带的放大自发辐射噪声，经可调光衰减 器4衰减，之后经由第三光环行器5注入半导体激光器6，产生波长为1550nm的混沌激光信 号，该信号经第三光环行器5进入第一光纤耦合器7，第一光纤耦合器7的a端口输出光功率 占比为90%的探测光，b端口输出光功率占比为10%的参考光，探测光和参考光的光功率占比 能够依据光源功率和系统要求做出调整，第一光纤耦合器7的a端口输出的探测光经过光调 制模块8调制成混沌脉冲光，再经过第一光放大器9放大，进入第一密集型波分复用器10滤 除放大自发辐射噪声。放大滤波后的混沌脉冲光进入第一光环行器11，入射到传感光纤23， 产生混沌布里渊散射光信号。拉曼泵浦激光器21发出高功率的拉曼泵浦光，混沌布里渊散 射信号与高功率拉曼泵浦光同时在光纤中传播，当混沌布里渊散射信号的波长处于拉曼增 益谱的范围内时，混沌布里渊散射信号将被放大。放大后的混沌布里渊散射信号通过第一 光环行器11进入第二光放大器14二次放大，之后进入第二密集型波分复用器15滤波；第一 光纤耦合器7的b端口输出的参考光进入扰偏器12使参考光的偏振态发生随机变化，再经第 二光纤耦合器13分为光功率占比均为50%的两路光，其中第二光纤耦合器13输出端口a输出 的光信号与第二密集型波分复用器15滤波后的信号在第三光纤耦合器16中拍频，拍频后的 信号中包含布里渊频移信息，此光信号由第二光电探测器18接收并转化为电信号，之后进 入混频器19降频，降频时由微波源20提供本振信号，混频器19输出的电信号传送到模数转 换模块24的b输入端，同时第二光纤耦合器13输出端口b输出的参考光信号进入第一光电探 测器17转化为电信号传送到模数转换模块24的a输入端，模数转换模块24将采集到的两路 电信号转化为数字信号传送给FPGA模块25，在FPGA模块25上对参考信号与混频后的信号进 行互相关处理，由于混沌光的特性，相关处理后的信号会在应变发生处产生相关峰，由此可 获得传感光纤上所发生应变的具体位置信息；同时，FPGA模块25对混频后的信号进行解调， 得到相应位置处的应变量的具体信息，最后FPGA模块25将处理结果传送给计算机26，在计 算机26上显示光纤沿线应变分布的具体情况，实现分布式应变实时监测。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (4)

1.一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置，其特征在于：包括混沌激光源、第一光纤耦合器（7）、光调制模块（8）、第一光放大器（9）、第一密集型波分复用器（10）、第一光环行器（11）、扰偏器（12）、第二光纤耦合器（13）、第二光放大器（14）、第二密集型波分复用器（15）、第三光纤耦合器（16）、第一光电探测器（17）、第二光电探测器（18）、拉曼泵浦激光器（21）、波分复用器（22）、传感光纤（23）和信息处理电路；

混沌激光源输出混沌激光信号进入第一光纤耦合器（7）后分为两路，第一光纤耦合器（7）输出的第一路光作为探测光，依次经过光调制模块（8）、第一光放大器（9）、第一密集型波分复用器（10）和第一光环行器（11）后入射到传感光纤（23），产生混沌布里渊散射光信号，再进入波分复用器（22），拉曼泵浦激光器（21）发出拉曼泵浦光，经过波分复用器（22）、传感光纤（23）、第一光环行器（11）、第二光放大器（14）和第二密集型波分复用器（15）后进入第三光纤耦合器（16）中；

第一光纤耦合器（7）输出的第二路光作为参考光信号，经过扰偏器（12）进入第二光纤耦合器（13）后分为两路，第二光纤耦合器（13）输出的第一路光进入第三光纤耦合器（16），第二光纤耦合器（13）输出的第二路光进入第一光电探测器（17），第一光电探测器（17）与信息处理电路相连，第二光纤耦合器（13）输出的第一路光信号和经过第二密集型波分复用器（15）后进入第三光纤耦合器（16）中的光信号在第三光纤耦合器（16）中拍频，拍频后的光信号中包含布里渊频移信息，拍频后的光信号进入第二光电探测器（18），第二光电探测器（18）与信息处理电路相连，信息处理电路包括混频器（19）、微波源（20）、模数转换模块（24）和FPGA模块（25），模数转换模块（24）的第一输入端与第一光电探测器（17）相连，模数转换模块（24）的第二输入端与混频器（19）的输出端相连，混频器（19）的输入端分别与第二光电探测器（18）和微波源（20）相连，模数转换模块（24）的输出端与FPGA模块（25）相连，FPGA模块（25）对参考光信号与混频后的信号进行互相关处理，由于混沌光的特性，相关处理后的信号会在应变发生处产生相关峰，由此获得传感光纤（23）上所发生应变的具体位置信息，FPGA模块（25）还对混频后的信号进行解调，得到相应位置处的应变量的具体信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置,其特征在于: 所述混沌激光源包括放大的自发辐射源（1）、第二光环行器（2）、光纤光栅滤波器（3）、可调光衰减器（4）、第三光环行器（5）和半导体激光器（6），放大的自发辐射源（1）发出的光进入第二光环行器（2），再经过光纤光栅滤波器（3）滤波产生窄带的放大自发辐射噪声，经可调光衰减器（4）衰减，之后经第三光环行器（5）注入半导体激光器（6），产生波长为1550nm的混沌激光信号，该信号经第三光环行器（5）进入所述第一光纤耦合器（7）。

3.根据权利要求2所述的一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置,其特征在于:还包括计算机（26），计算机（26）的显示屏显示光纤沿线应变分布的具体情况。

4.根据权利要求1所述的一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置,其特征在于: 所述第二光纤耦合器（13）输出的第一路光和第二路光的光功率占比均为50%。

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