CN108844614B - 基于相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统，包括混沌激光器（1），第一光隔离器（2），第一1×2光纤耦合器（3），光纤偏振控制器（4），可变光延迟线（5），光放大器（6），光扰偏器（7），第二光隔离器（8），光环行器（9），电光调制器（10），微波信号源（11），可调谐光衰减器（12），第三光隔离器（13），第二1×2光耦合器（14），传感光纤（15），2×2光纤耦合器（16），平衡探测器（17），实时示波器（18）。当外界扰动即温度变化、应变及振动作用于Mach‑zehnder环的传感光纤臂时，从混沌布里渊相位谱提取出的布里渊频移量就会发生相应的改变，从而可以实时、快速地得到相应的温度、应变或振动等扰动信息。

Description

基于相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于布里渊相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统及方法。

背景技术

基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术是融纤维光学、微电子光学、精密机械和计算机等学科于一体的高新技术，光纤本身构成基本传感器，具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、可靠性高、安全及多参量可长距离连续测量等，已在桥梁、高速公路、大坝水库、矿井、大型电厂等民用基础设施的状态监测中得到广泛的应用。

基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术可分为时域系统和相关域系统。时域系统包括：布里渊光时域反射仪(BOTDR，Brillouin Optical Time DomainReflectometry)和布里渊光时域分析仪(BOTDA，Brillouin Optical Time DomainAnalysis)。相关域系统包括：布里渊光相关域反射仪(BOCDR,Brillouin OpticalCorrelation Domain Reflectometry)和布里渊光相关域分析仪(BOCDA,BrillouinOptical Correlation Domain Analysis)。相比于利用脉冲信号作为探测信号的时域系统，利用频率受正弦调制的连续光作为探测信号的相关域系统可以实现更高的空间分辨率。但仍然存在传感距离和空间分辨率之间的矛盾，为了解决这一矛盾问题，混沌激光作为一种新的传感信号被应用于分布式光纤传感相关域系统(ZL201110217936.6，ZL201310045097.3，ZL201510531253.6，ZL201510531180.6，ZL201610306001.8，ZL201610305960.8)中。上述基于混沌布里渊相关域系统是利用布里渊增益谱解调传感光纤沿线的温度或应变信息，但由于布里渊增益谱呈洛仑兹型，通过布里渊增益谱获取布里渊频移量，需多个采样点拟合布里渊增益谱，这导致其感知一个温度或应变的事件点，需非常长的测量时间，另外受系统结构的限制，基于布里渊增益谱解调外界扰动信息，其测量灵敏度较低，甚至无法感知外界振动信息。

发明内容

现有基于布里渊光相关域分析技术的分布式光纤传感系统，存在传感距离与空间分辨率无法兼顾的矛盾，以及测量灵敏度低、实时性差、测量振动困难的问题。为了克服上述问题，本发明提出一种基于布里渊相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统及方法。

一种基于布里渊相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统，包括：混沌激光器，第一光隔离器，第一1×2光纤耦合器，光纤偏振控制器，可变光延迟线，光放大器，光扰偏器，第二光隔离器，光环行器，电光调制器，微波信号源，可调谐光衰减器，第三光隔离器，第二1×2光耦合器，传感光纤，2×2光纤耦合器，平衡探测器，实时示波器。

其中，混沌激光器、第一光隔离器、第一1×2光纤耦合器(上输出端)、光纤偏振控制器、可变光延迟线、光放大器、光扰偏器、第二光隔离器和光环行器的入射端，它们之间顺次利用八条单模光纤跳线连接。

第一1×2光纤耦合器的另一个输出端(下输出端)顺次接有电光调制器、可调谐光衰减器、第三光隔离器、第二1×2光纤耦合器的入射端，他们之间顺次利用四条单模光纤跳线连接；电光调制器并与微波信号源利用高频同轴电缆连接。

第二1×2光纤耦合器的一个输出端与传感光纤的一端通过单模光纤跳线连接；传感光纤的另一端与光环行器的反射端通过单模光纤跳线连接；光环行器的输出端与2×2光纤耦合器的一个输入端通过单模光纤跳线连接；第二1×2光纤耦合器的另一个输出端与2×2光纤耦合器的另一个输入端通过与传感光纤等长的单模光纤跳线连接；2×2光纤耦合器的两个输出端分别于平衡探测器的正端口和负端口通过单模光纤跳线连接；平衡探测器的输出端与实时示波器的输入端利用高频同轴电缆连接。

基于上述系统，一种基于布里渊相位谱的混沌布里渊光相关域分析方法的实现方案如下：

混沌激光器输出的宽带混沌激光(中心频率为v₀)通过第一光隔离器后，经过第一1×2光纤耦合器分成两路：其上出射端输出的一路作为泵浦(pump)光信号，下出射端输出的另一路作为探测(probe)光信号。泵浦光信号经过光偏振控制器和可变光延迟线实现偏振控制、延迟后，再经光放大器放大。放大后的泵浦光再顺次通过光扰偏器和第二光隔离器，通过光环行器的入射端口进入一个由第二1×2光纤耦合器、传感光纤、2×2光纤耦合器和与传感光纤等长的单模光纤跳线构成的马赫-曾德尔(Mach-zehnder)干涉环。从第一1×2光纤耦合器下出射端输出的探测光信号，经过电光调制器后，被微波信号源输出的正弦信号调制成载波抑制的双边带探测光信号。正弦信号的频率(v＝10GHz～11GHz)设置在布里渊频移值(v_B≈10.6GHz)附近。载波抑制的双边带(v₀±v)探测光信号顺次通过可调谐光衰减器和第三光隔离器，经第二1×2光纤耦合器进入Mach-zehnder环。进入Mach-zehnder环的双边带探测光信号经第二1×2光纤耦合器被分为probe1和probe2两束光信号，泵浦光信号由光环形器引入Mach-zehnder环后，与probe1在传感光纤中相遇且发生受激布里渊增益作用，同时probe1被受激放大。放大后的探测光信号从光环行器的输出端输出，进入2×2光纤耦合器，同时probe2作为参考信号进入2×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器将两束光再耦合，分成两束后分别进入平衡探测器的负端口和正端口，将其转换成电信号，并经实时示波器采集、存储。通过改变调制正弦信号的频率，记录在每个频率下，输出信号相应的强度信息，从而获取混沌布里渊相位谱信息。通过布里渊相位谱提取布里渊频移量，通过可变光延迟线调节，从而感知光纤沿线的温度或应变等信息。当外界扰动即温度变化、应变及振动作用于Mach-zehnder环的传感光纤臂时，从混沌布里渊相位谱提取出的布里渊频移量就会发生相应的改变，从而可以实时、快速地得到相应的温度、应变或振动等扰动信息。

由于布里渊相位谱呈线性的分布，通过布里渊相位谱提取布里渊频移量，可采用较少的采样点拟合布里渊相位谱，从而该系统解调传感光纤沿线的温度或应变信息，需更短的测量时间。另外，该系统结合全光纤马赫-曾德尔(Mach-zehnder)干涉结构可提高感知外界振动信息的灵敏度，可实现外界微小振动的测量。

与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的一种基于布里渊相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统及方法，具有如下优点：

1、与利用脉冲光或频率受正弦调制的连续光作为探测信号的分布式光纤传感系统相比，本发明采用混沌激光作为探测信号，可以克服上述分布式光纤传感系统中存在的传感距离和空间分辨率之间的矛盾问题。

2、与基于混沌布里渊增益谱测量的分布式光纤传感系统(ZL201110217936.6，ZL201310045097.3，ZL201510531253.6，ZL201510531180.6，ZL201610306001.8，ZL201610305960.8)相比，本发明是基于混沌布里渊相位谱提取布里渊频移量，感知传感光纤沿线上温度或应变的变化，由于布里渊相位谱的线性分布特性，使得微波源的扫频范围更小，从而可使测量时间缩短1～2个数量级。

3、本发明基于混沌布里渊相位谱测量的分布式光纤传感系统，与基于混沌布里渊增益谱测量的分布式光纤传感系统相比，不仅能够获取传感光纤沿线上的温度或应变信息，而且通过干涉作用可以把振动引起的相位变化转换成强度变化，从而还可以实现振动的测量。

4、本发明基于布里渊相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统，与传统的分布式光纤传感系统利用洛仑兹型增益谱测量外界振动信息相比，所利用的布里渊相位谱呈线性分布，使其对外界扰动更敏感，从而使测量灵敏度提高1～2个数量级。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图中：1-混沌激光器，2-第一光隔离器，3-第一1×2光纤耦合器，4-光纤偏振控制器，5-可变光延迟线，6-光放大器，7-光扰偏器，8-第二光隔离器，9-光环行器，10-电光调制器，11-微波信号源，12-可调谐光衰减器，13-第三光隔离器，14-第二1×2光纤耦合器，15-传感光纤，16-2×2光纤耦合器，17-平衡探测器，18-实时示波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于布里渊相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统，如图1所示，包括混沌激光器1，第一光隔离器2，第一1×2光纤耦合器3，光纤偏振控制器4，可变光延迟线5，光放大器6，光扰偏器7，第二光隔离器8，光环行器9，电光调制器10，微波信号源11，可调谐光衰减器12，第三光隔离器13，第二1×2光耦合器14，传感光纤15，2×2光纤耦合器16，平衡探测器17，实时示波器18。

其中，顺次连接的混沌激光器1、第一光隔离器2、第一1×2光纤耦合器3、光纤偏振控制器4、可变光延迟线5、光放大器6、光扰偏器7、第二光隔离器8和光环行器9的入射端，且它们之间顺次利用八条单模光纤跳线连接。

1×2光纤耦合器3的另一个输出端顺次接有电光调制器10、可调谐光衰减器12、第三光隔离器13、第二1×2光纤耦合器14的入射端，且他们之间顺次利用四条单模光纤跳线连接；电光调制器10并与微波信号源11利用高频同轴电缆连接。

第二1×2光纤耦合器14的一个输出端与传感光纤15的一端通过单模光纤跳线连接；传感光纤15的另一端与光环行器9的反射端通过单模光纤跳线连接；光环行器9的输出端与2×2光纤耦合器16的一个输入端通过单模光纤跳线连接；第二1×2光纤耦合器14的另一个输出端与2×2光纤耦合器16的另一个输入端通过与传感光纤15等长的单模光纤跳线连接；2×2光纤耦合器的两个输出端分别与平衡探测器17的正端口和负端口通过单模光纤跳线连接；平衡探测器17的输出端与实时示波器18的输入端利用高频同轴电缆连接。

混沌激光器1是由一个无内置光隔离器的F-P半导体激光器、两个任意DFB半导体激光器、线性啁啾光纤光栅、可调光衰减器、偏振控制器、光纤耦合器构成。具体采用两个任意DFB半导体激光器输出不同波长的光信号，注入到带光纤反馈环的F-P半导体激光器中。利用双光注入加光反馈联合扰动方式连接，通过调节反馈强度、注入强度和注入频率失谐量，可实现中心波长在1530～1565nm之间、光谱宽度可调节且谱宽大于100GHz的混沌激光信号输出。

混沌激光器1输出的宽带混沌激光(中心频率为v₀)通过第一光隔离器2后，经过第一1×2光纤耦合器3分成两路：其上出射端输出的一路作为泵浦(pump)光信号，其下出射端输出的另一路作为探测(probe)光信号。泵浦光信号经过光偏振控制器4和可变光延迟线5实现偏振控制、延迟后，再经光放大器6放大。放大后的泵浦光再顺次通过光扰偏器7和第二光隔离器8，通过光环行器9的入射端口进入一个由第二1×2光纤耦合器14、传感光纤15、2×2光纤耦合器16和与传感光纤15等长的单模光纤跳线构成的马赫-曾德尔(Mach-zehnder)干涉环。从第一1×2光纤耦合器3下出射端输出的探测光信号，经过电光调制器10后，被微波信号源11输出的正弦信号调制成载波抑制的双边带探测光信号。正弦信号的频率(v)设置等于布里渊频移值(v_B≈10.6GHz)。载波抑制的双边带(v₀±v)探测光信号顺次通过可调谐光衰减器12和第三光隔离器13，经第二1×2光纤耦合器14进入Mach-zehnder环。进入Mach-zehnder环的双边带探测光信号经第二1×2光纤耦合器14被分为probe1和probe2两束光信号，泵浦光信号由光环形器9引入Mach-zehnder环后，与probe1在传感光纤15中相遇且发生受激布里渊增益作用，同时probe1被受激放大。放大后的探测光信号从光环行器9的输出端输出，进入2×2光纤耦合器16，同时probe2作为参考信号进入2×2光纤耦合器16，2×2光纤耦合器16将两束光再耦合，分成两束后分别进入平衡探测器17的负端口和正端口，将其转换成电信号，并经实时示波器18采集、存储。

通过改变调制正弦信号的频率，记录在每个频率下，输出信号相应的强度信息，从而获取混沌布里渊相位谱信息。通过布里渊相位谱可提取布里渊频移，根据布里渊频移和温度(或应变)的线性关系，从而感知传感光纤沿线上温度(或应变)的信息。

以下是布里渊相位谱获取的具体过程。

设传感臂①即probe1的光信号强度为：

其中，v₀为泵浦光信号的中心频率，G为布里渊增益，进一步表示为：

其中，P_p为泵浦光功率，Δz为空间分辨率，g_B(ν)为布里渊增益系数，定义为：

其中，g_p为布里渊增益因子，等于(5·10^-11m/W)，A_eff为有效面积，ν为调制正弦信号的频移量，ν_B为布里渊频移，Δν_B为布里渊增益谱的带宽。

将等式(2)和(3)带入等式(1)可得：

从等式(4)可见传感臂①输出的光信号强度|E₁|²与其相位σ(ν)成正比，且该相位σ(ν)是调制频率ν的函数。

同理，参考臂②即probe2输出的光信号强度|E₂|²的表达式同上。

随后分别进入平衡探测器17的负输入端口和正输入端口，平衡探测器17的输出|E₁|²-|E₂|²即为所需要的受激布里渊相位谱。

已知，传感光纤中受激布里渊相位谱的中心频率在温度或应变区会发生相应改变，其中布里渊频移值随光纤沿线的温度与应变会呈现一个线性关系，可以表示为：

式中，ν_B-ν₀为传感光纤中布里渊频移的变化量，ΔT、Δε为温度与应变的变化量,

为布里渊频移的温度与应变系数。T.R.Parke等人通过实验测得的布里渊频移得到的温度系数与应变系数分别为

由等式(5)便可得到传感光纤15沿线的温度或应变信息。

与此同时，通过Mach-zehnder环的干涉作用可以把振动引起的相位变化转换成强度变化，从而还可以实现传感光纤沿线上振动的测量。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于相位谱测量的混沌布里渊光相关域分析系统，其特征在于：包括混沌激光器（1），第一光隔离器（2），第一1×2光纤耦合器（3），光纤偏振控制器（4），可变光延迟线（5），光放大器（6），光扰偏器（7），第二光隔离器（8），光环行器（9），电光调制器（10），微波信号源（11），可调谐光衰减器（12），第三光隔离器（13），第二1×2光耦合器（14），传感光纤（15），2×2光纤耦合器（16），平衡探测器（17），实时示波器（18）；

其中，混沌激光器（1）、第一光隔离器（2）、第一1×2光纤耦合器（3）、光纤偏振控制器（4）、可变光延迟线（5）、光放大器（6）、光扰偏器（7）、第二光隔离器（8）和光环行器（9）的入射端之间顺次通过单模光纤跳线连接；

第一1×2光纤耦合器（3）的另一个输出端、电光调制器（10）、可调谐光衰减器（12）、第三光隔离器（13）、第二1×2光纤耦合器（14）的入射端之间顺次通过单模光纤跳线连接；

电光调制器（10）与微波信号源（11）通过高频同轴电缆连接；

第二1×2光纤耦合器（14）的一个输出端与传感光纤（15）的一端通过单模光纤跳线连接；传感光纤（15）的另一端与光环行器（9）的反射端通过单模光纤跳线连接；光环行器（9）的输出端与2×2光纤耦合器（16）的一个输入端通过单模光纤跳线连接；第二1×2光纤耦合器（14）的另一个输出端与2×2光纤耦合器（16）的另一个输入端通过与传感光纤（15）等长的单模光纤跳线连接；2×2光纤耦合器（16）的两个输出端分别与平衡探测器（17）的正端口和负端口通过单模光纤跳线连接；平衡探测器（17）的输出端与实时示波器（18）的输入端通过高频同轴电缆连接。

2.一种基于布里渊相位谱的混沌布里渊光相关域分析方法，其特征在于：混沌激光器（1）输出的宽带混沌激光通过第一光隔离器（2）后，经过第一1×2光纤耦合器（3）分成两路：1×2光纤耦合器（3）的一个出射端输出的一路作为泵浦光信号，其另一个出射端输出的另一路作为探测光信号；

泵浦光信号经过光纤偏振控制器（4）和可变光延迟线（5）实现偏振控制、延迟后，再经光放大器（6）放大，放大后的泵浦光再顺次通过光扰偏器（7）和第二光隔离器（8），通过光环行器（9）的入射端口进入一个由第二1×2光纤耦合器（14）、传感光纤（15）、2×2光纤耦合器（16）和与传感光纤（15）等长的单模光纤跳线构成的马赫-曾德尔干涉环；

从第一1×2光纤耦合器（3）另一个出射端输出的探测光信号，经过电光调制器（10）后，被微波信号源（11）输出的正弦信号调制成载波抑制的双边带探测光信号；载波抑制的双边带探测光信号顺次通过可调谐光衰减器（12）和第三光隔离器（13），经第二1×2光纤耦合器（14）进入马赫-曾德尔环；

进入马赫-曾德尔环的双边带探测光信号经第二1×2光纤耦合器（14）被分为probe1和probe2两束光信号，泵浦光信号由光环形器（9）引入马赫-曾德尔环后，与probe1在传感光纤（15）中相遇且发生受激布里渊增益作用，同时probe1被受激放大；放大后的探测光信号从光环行器（9）的输出端输出，进入2×2光纤耦合器（16），同时probe2作为参考信号进入2×2光纤耦合器（16），2×2光纤耦合器（16）将两束光再耦合，分成两束后分别进入平衡探测器（17）的负端口和正端口，将其转换成电信号，并经实时示波器（18）采集、存储；

通过改变调制正弦信号的频率，记录在每个频率下，输出信号相应的强度信息，从而获取混沌布里渊相位谱信息；当外界温度变化、应变及振动作用于马赫-曾德尔环的传感光纤臂时，从混沌布里渊相位谱提取出的布里渊频移量就会发生相应的改变，从而实时、快速地得到相应的温度、应变或振动的扰动信息。

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