CN108801305B - 基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法及装置 - Google Patents
基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法及装置，该方法包括：将激光经由光调制器调制成阶梯脉冲光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成；将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤；在光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；经由环行器传输，由光电探测器接收转变为电信号；将所述电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。基于阶梯脉冲光中的基底长脉冲光，对探测窄脉冲光的布里渊散射光进行相应处理后，使传感信号的功率得到提高，可有效提高传感系统的信噪比和传感精度，同时系统空间分辨率保持为阶梯脉冲光中探测窄脉冲对应的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及一种基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法及装置。
背景技术
温度与应变的连续分布式监测需求十分广泛，能源、电力、建筑等诸多领域都把其作为一种故障诊断及事故预警手段。油气管道的压力负荷、铁轨路基的沉降变化、油库罐区的温度改变等都需要及时发现与迅速定位。布里渊分布式光纤传感技术的主流技术为基于时域的两种技术，一种为布里渊光时域分析技术(Brillouin Optical Time-DomainAnalysis，BOTDA)，另一种为布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-DomainReflectometry，BOTDR)。其中BOTDR利用的是自发布里渊散射光，而BOTDA利用的是受激布里渊散射光。前者的测量精度与空间分辨率稍差，但其胜在可单端测量且结构简单，性能可满足绝大部分实际应用的需求，在工程应用上更受欢迎。
布里渊光时域反射技术的主要问题在于自发布里渊散射光信号较弱，现有一种反向泵浦拉曼在线放大技术可放大探测光(Alahbabi M N,Tat Cho Y,Newson T P.Long-range distributed temperature and strain optical fibre sensor based on thecoherent detection of spontaneous Brillouin scattering with in-line Ramanamplification[J].Measurement Science&Technology,2006,17(17):1082-1090.)。虽然该方法虽在保持长距离传感的基础上提高了一定的空间分辨率和温度识别精度，但其本质上是一种双端探测的方案，且需要高功率的拉曼激光器。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法及装置，基于阶梯脉冲光中的基底长脉冲光，对阶梯脉冲光中的探测窄脉冲光的布里渊散射光进行相应处理后，使传感信号的功率得到提高，可有效提高传感系统的信噪比和传感精度，同时系统空间分辨率保持为阶梯脉冲光中探测窄脉冲对应的空间分辨率。
第一方面，本发明实施例提供一种基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法，包括：
将激光经由光调制器调制成阶梯脉冲光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成，所述探测窄脉冲光的功率高于所述基底长脉冲光；
将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤；
处理后的阶梯脉冲光中的探测脉冲在所述光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；
所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输，由光电探测器接收转变为电信号；
将所述电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
在一个实施例中，将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤，包括：
将所述阶梯脉冲光依次经光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态处理；
将处理后的所述阶梯脉冲光经由环行器获得前向传播的阶梯脉冲光，注入传感光纤。
在一个实施例中，在所述布里渊散射光由光电探测器接收转变为电信号之前，还包括：
将所述布里渊散射光由第二光滤波器进行滤波处理。
在一个实施例中，将所述电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线，包括：
将所述电信号进行累加平均去噪、包络检波运算处理后，生成频谱图；
对所述频谱图进行峰值频率两侧频率对应强度的对称度分析；
将所述探测窄脉冲光和基底长脉冲光后向传播的斯托克散射光进行区分；
根据频移与应变和温度在预设范围内的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
第二方面，本发明实施例还提供基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的装置，包括：
光源模块，用于发出连续探测激光；
光调制器，用于将所述光源模块发出的连续探测激光调制成阶梯脉冲光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成，所述探测窄脉冲光的功率高于所述基底长脉冲光；
处理模块，用于将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤；
环行器，处理后的阶梯脉冲光中的探测脉冲在所述光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输；
光电探测器，用于接收所述环形器传输的布里渊散射光，并将所述布里渊散射光转变为电信号；
数据采集处理系统或频谱分析仪，用于将所述电信号进行处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
在一个实施例中，所述处理模块，包括：依次连接的光放大器、第一光滤波器和扰偏器。
在一个实施例中，所述装置还包括第二光滤波器，用于在所述布里渊散射光由光电探测器接收转变为电信号之前，将所述布里渊散射光进行滤波处理。
在一个实施例中，所述光调制器为电光调制器或声光调制器。
在一个实施例中，所述光源模块为发出C波段波长的激光器。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果包括：基于阶梯脉冲光中的基底长脉冲光，对阶梯脉冲光中的探测窄脉冲光的布里渊散射光进行相应处理后，使传感信号的功率得到提高，可有效提高传感系统的信噪比和传感精度，同时系统空间分辨率保持为阶梯脉冲光中探测窄脉冲对应的空间分辨率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法的流程图；
图2为基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪系统原理图；
图3为又一基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪系统原理图；
图4为阶梯脉冲光的示意图；
图5为阶梯脉冲光注入长度为2km的大有效面积光纤时的布里渊峰功率分布图；
图6为阶梯脉冲光注入长度为25km的大有效面积光纤时的布里渊峰功率分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法，参照图1所示，包括：步骤S101～S105；
S101、将激光经由光调制器调制成阶梯脉冲光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成，所述探测窄脉冲光的功率高于所述基底长脉冲光；
S102、将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤；
S103、处理后的阶梯脉冲光中的探测脉冲在所述光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；
S104、所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输，由光电探测器接收转变为电信号；
S105、将所述电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
其中步骤S102，将阶梯脉冲光依次经光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态处理；将处理后的所述阶梯脉冲光经由环行器获得前向传播的阶梯脉冲光，注入传感光纤。
步骤S104中，布里渊散射光在向后传播中经由环行器传输，由光电探测器接收转变为电信号；其中在上述布里渊散射光由光电探测器接收转变为电信号之前，需要将上述布里渊散射光由第二光滤波器进行滤波处理。
本实施例中，基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪系统原理图，如图2所示。
激光器发出的连续探测激光经由光调制器调制成阶梯脉冲光，其中阶梯脉冲光由一束较高功率的探测窄脉冲光和一束较低功率的基底长脉冲光组成，阶梯脉冲光依次经光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态后经由环行器获得前向传播的阶梯脉冲光，其随后注入传感光纤。
阶梯脉冲光中的探测脉冲在光纤中前向传播的同时，会产生后向传播的布里渊散射光，阶梯脉冲光中的基底脉冲光因为受激布里渊散射作用将能量传递至由探测脉冲光产生的自发布里渊散射光，对后向传播的自发布里渊散射光进行光放大；
传感光纤中产生的布里渊散射光在向后传播中经由环行器传输，并被第二光滤波器滤波后由光电探测器接收变为电信号，该电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，包括对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，随后将所得频谱图进行处理，包括对频谱图峰值频率两侧频率对应强度的对称度分析，以此将探测窄脉冲光和基底长脉冲光的后向传播的斯托克斯散射光进行区分，最后利用频移大小与应变和温度在一定范围内(通常为-20℃至60℃)的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
本实施例中，通过引入阶梯脉冲光中的基底长脉冲光，对阶梯脉冲光中的探测窄脉冲光的布里渊散射光进行光放大，使传感信号的功率得到提高，可有效提高传感系统的信噪比和传感精度同时系统空间分辨率保持为阶梯脉冲光中探测窄脉冲对应的空间分辨率。
参照图2-3所示，激光器发出探测激光经分光器分为两路，一路经过光调制器产生阶梯脉冲探测光，其中阶梯脉冲光由探测窄脉冲光和基底长脉冲光组成，另一路为本地参考光。探测光由光放大器进行放大，后经过光带通滤波器、扰偏器和环形器后进入传感光纤中。背向布里渊散射光经环形器与本地参考光形成光学拍并被光电探测器探测，其中瑞利散射光被光带通滤波器滤除，信号送入数据采集处理系统或频谱分析仪处理中并分析所得频谱图，以此区别探测脉冲光和基底脉冲光的斯托克斯散射光，最终获得传感光纤的应变和温度分布曲线。本发明在实现放大探测窄脉冲的后向布里渊散射光的同时，有效提高了传感系统的信噪比和传感精度，同时系统空间分辨率保持为阶梯脉冲光中探测窄脉冲对应的空间分辨率。
该布里渊光时域反射仪中，光调制器可以是电光调制器，也可以是声光调制器。所调制的阶梯脉冲光中较高功率的探测窄脉冲光和较低功率的基底长脉冲光的持续时间、分布位置和光强度可以依据实际情况进行调整，探测激光器的波长可在C波段范围内选择，其中C波段的波长范围为1530nm至1565nm；也可以在其他波段内选择，比如：L波段、S波段等等任何可在光纤中传播的光波段。
参照图3所示，以波长为1550nm的激光器发出作为探测光的连续探测激光经由光调制器调制成阶梯脉冲光为例，其中阶梯脉冲光由脉宽为50ns功率为200mW的探测窄脉冲光和脉宽为800ns功率为30mW的基底长脉冲光组成，阶梯脉冲光依次经光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态后经由环行器获得前向传播的阶梯脉冲光，其随后注入比如作为传感光纤的2km大有效面积光纤(large effective-area fiber，LEAF)。阶梯脉冲光中的探测脉冲在光纤中前向传播的同时，会产生后向传播的布里渊散射光，阶梯脉冲光中的基底脉冲光因为受激布里渊散射作用将能量传递至由探测脉冲光产生的自发布里渊散射光，对后向传播的自发布里渊散射光进行光放大，传感光纤中产生的布里渊散射光在向后传播中经由环行器传输，并被第二光滤波器滤波后由光电探测器接收变为电信号，该电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，包括对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，随后将所得频谱图进行处理，包括对频谱图峰值频率两侧频率对应强度的对称度分析，以此将探测窄脉冲光和基底长脉冲光的后向传播的斯托克斯散射光进行区分，最后利用频移大小与应变和温度在一定范围内的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
参照图4所示，为阶梯脉冲光的示意图；脉宽为50ns功率为200mW的脉冲光作为探测窄脉冲光，脉宽为800ns功率为30mW的基底长脉冲光，组合构成阶梯脉冲光，当这种阶梯脉冲光注入长度为2km的大有效面积光纤(LEAF)时，光纤上的布里渊峰功率分布参照图5所示。与只采用脉宽为50ns功率为200mW的探测脉冲光相比，使用阶梯脉冲光，在光纤末端的布里渊峰值功率提高约13dB。空间分辨率的公式为
其中τ为探测窄脉冲脉宽50ns，c为真空中光速，其值约为3×108m/s，neff为光纤有效折射率，其值约为1.5。故该系统的空间分辨率为50ns脉宽决定的5米。
脉宽为50ns功率为200mW的脉冲光作为探测窄脉冲光，脉宽为800ns功率为30mW的基底长脉冲光，组合构成阶梯脉冲光，当这种阶梯脉冲光注入长度为25km的大有效面积光纤(LEAF)时，光纤上的布里渊峰功率分布如图6所示。与只采用脉宽为50ns功率为200mW的探测脉冲光相比，使用阶梯脉冲光，在光纤末端的布里渊峰值功率提高约18dB。空间分辨率的公式为
其中τ为探测窄脉冲脉宽，c为真空中光速，其值约为3×108m/S，neff为光纤有效折射率，其值约为1.5。故该系统的空间分辨率为50ns脉宽决定的5米。
基于同一发明构思，本发明还提供本发明实施例还提供基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的装置，参照图2-3所示，包括：
光源模块，用于发出连续探测激光；
光调制器，用于将所述光源模块发出的连续探测激光调制成阶梯脉冲光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成，所述探测窄脉冲光的功率高于所述基底长脉冲光；参照图2-3所示，光调制器与光源模块是分开的，属于外部光调制器；在具体实施时，也可为光源模块与光调制器一体的激光器，也就是说该激光器经由内部调制器调制后可以直接发出阶梯脉冲光；本发明对此不做限定。
处理模块，用于将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤；
环行器，处理后的阶梯脉冲光中的探测脉冲在所述光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输；
光电探测器，用于接收所述环形器传输的布里渊散射光，并将所述布里渊散射光转变为电信号；
数据采集处理系统或频谱分析仪，用于将所述电信号进行处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
在一个实施例中，参照图2-3所示，所述处理模块，包括：依次连接的光放大器、第一光滤波器和扰偏器。
在一个实施例中，参照图2-3所示，所述装置还包括第二光滤波器，用于在所述布里渊散射光由光电探测器接收转变为电信号之前，将所述布里渊散射光进行滤波处理。
在一个实施例中，参照图2-3所示，所述光调制器为电光调制器或声光调制器。
在一个实施例中，所述光源模块为发出C波段波长的激光器。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的方法，其特征在于，包括：
激光器发出探测激光经分光器分为两路，一路经由光调制器调制成阶梯脉冲光；另一路为本地参考光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成，所述探测窄脉冲光的功率高于所述基底长脉冲光；探测窄脉冲光在前，基底长脉冲光紧随其后；
将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤；
处理后的阶梯脉冲光中的探测脉冲在所述光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；
所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输，与本地参考光形成光学拍，经第二光滤波器进行滤波处理，由光电探测器接收转变为电信号；
将所述电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线；
将所述阶梯脉冲光相应处理后注入传感光纤，包括：
将所述阶梯脉冲光依次经光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态处理；
将处理后的所述阶梯脉冲光经由环行器获得前向传播的阶梯脉冲光，注入传感光纤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述电信号输入数据采集处理系统或频谱分析仪处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线，包括：
将所述电信号进行累加平均去噪、包络检波运算处理后，生成频谱图；
对所述频谱图进行峰值频率两侧频率对应强度的对称度分析；
将所述探测窄脉冲光和基底长脉冲光后向传播的斯托克散射光进行区分；
根据频移与应变和温度在预设范围内的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
3.基于阶梯脉冲自放大的布里渊光时域反射仪的装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于发出连续探测激光，经分光器分为两路，一路经由光调制器调制成阶梯脉冲光；另一路为本地参考光；
光调制器，用于将所述光源模块发出的连续探测激光一路调制成阶梯脉冲光；所述阶梯脉冲光由一束探测窄脉冲光和一束基底长脉冲光组成，所述探测窄脉冲光的功率高于所述基底长脉冲光；探测窄脉冲光在前，基底长脉冲光紧随其后；
处理模块，包括：依次连接的光放大器、第一光滤波器和扰偏器；用于将所述阶梯脉冲光依次经光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态处理后注入传感光纤；
环行器，处理后的阶梯脉冲光中的探测脉冲在所述光纤中前向传播的同时，产生后向传播的布里渊散射光；所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输；
光电探测器，用于接收所述环行器传输的布里渊散射光，并将所述布里渊散射光转变为电信号；
数据采集处理系统或频谱分析仪，用于将所述电信号进行处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线；
所述装置还包括第二光滤波器；在所述布里渊散射光在向后传播中经环行器传输，与本地参考光形成耦合节点；所述第二光滤波器位于耦合节点后；布里渊散射光在向后传播中经环行器传输，与本地参考光形成光学拍，经第二光滤波器进行滤波处理，由光电探测器接收转变为电信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光调制器为电光调制器或声光调制器。
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