CN108917804A - 基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，涉及分布式布里渊光纤传感技术，为了解决现有长距离分布式布里渊光纤传感方案的测量时间长的问题。激光器输出的激光分为2路，一路光经第1电光调制器调制为脉冲光，脉冲光经掺饵光纤放大器功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器的1端口和2端口，再由待测光纤的一端输入；另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，光学啁啾信号光经第1滤波器3滤出上边带作为探测光，再由待测光纤的另一端输入；布里渊信号由待测光纤的一端输出，经过环形器的2端口和3端口，再输入光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。本发明适用于快速长距离分布式应变和温度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及分布式布里渊光纤传感技术。
背景技术
光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和便于布设等诸多优点，目前已广泛应用于土木结构健康监测、石油天然气管线监测、电力电缆温度监测、火灾报警、光纤陀螺应力分析等诸多领域。近年来，我国正处在大规模土木工程和基础设施建设的高峰期，许多世界注目的重大工程和基础设施已经建成或正在规划建设中，而重大工程和基础设施的安全性和耐久性问题一直是社会关注的焦点。而且我国是世界上地质灾害多发国家之一，地质灾害种类多、面积广、活动频率高和危害程度大。研究有效的结构健康监测和诊断技术，监测重大工程的结构安全就显得尤为重要。
布里渊光时域分析系统(BOTDA)是分布式布里渊光纤传感器的典型代表之一，并且在长距离分布式传感领域的应用备受瞩目，而长距离传感正是上述大型工程结构健康监测和温度测量所迫切需要的解决方案。而现有的长距离分布式布里渊光纤传感技术主要解决信噪比、非线性效应和非局域效应等问题，主要有基于时分复用、频分复用、脉冲编码、拉曼放大、双边带探测光、宽带频率调制和图像处理算法的长距离分布式布里渊光纤传感方案。其测量时间通常很长，十几分钟甚至几十分钟。突破目前长距离布里渊光纤传感测量时间对实际工程应用的限制，填补快速长距离分布式布里渊光纤传感技术的空白成为当务之急。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有长距离分布式布里渊光纤传感方案的测量时间长的问题，从而提供基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置。
本发明所述的第一种基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，包括激光器、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第2电光调制器、啁啾链模块、第1滤波器3、光电探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生上频移探测光；
所述一路光经第1电光调制器调制为脉冲光，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，脉冲光经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，第2电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，光学啁啾信号光经第1滤波器3滤出上边带作为探测光，再由待测光纤4的另一端输入；
布里渊信号由待测光纤4的一端输出，经过环形器2的2端口和3端口，再输入光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
本发明所述的第二种基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，包括激光器、电光调制器、微波和脉冲模块、第2滤波器5、掺饵光纤放大器1、环形器2、第5电光调制器、啁啾链模块、第3滤波器6、光电探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生固定下频移脉冲的泵浦光，另一路光用于产生上频移的探测光；
所述一路光经电光调制器调制为固定频移的上下边带的脉冲光，电光调制器的固定频移微波脉冲信号由微波和脉冲模块提供，脉冲光经第2滤波器5滤出下边带，经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦脉冲光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述另一路光经第5电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，光学啁啾信号光经第3滤波器6滤出上边带作为探测光，再由待测光纤4的另一端输入；
布里渊信号由待测光纤4的一端输出，经过环形器2的2端口和3端口，再输入光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
优选的是，微波和脉冲模块采用高频脉冲段模块实现。
优选的是，微波和脉冲模块采用微波模块和脉冲模块实现；所述一路光经第3电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，再经第4电光调制器调制为脉冲光，第3电光调制器的固定频移微波信号由微波模块提供，第4电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供。
优选的是，啁啾链模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
优选的是，还包括隔离器7；
探测光通过隔离器7后再由待测光纤4的另一端输入。
优选的是，滤波器采用光纤布拉格光栅实现。
优选的是，激光器为输出波长为1550nm的分布式反馈光纤激光器。
本发明将光学啁啾调制技术与布里渊衰减谱方案相结合，泵浦光脉冲调制，探测光光学啁啾调制，探测光的频率高于泵浦光，衰减谱结构的探测光的能量不断转移给泵浦脉冲光，补偿泵浦光传输损耗，提高信噪比，光学啁啾调制技术相比于现有的扫频方案能极大缩短测量时间。
本发明的有益效果：
1、本发明能够实现快速长距离分布式应变和温度的测量，其测量时间只和待测光纤长度和信号平均次数有关，对于百公里布里渊光纤传感可在秒量级完成测量。
2、宽带的光学啁啾调制提高了探测光布里渊阈值，增加了探测光输入功率，同时探测光将能量转移给泵浦光，补偿了传输损耗，提高了信噪比。
3、探测光将能量转移给泵浦光，因此泵浦脉冲光频谱得到平整放大，避免泵浦光谱型改变，有利于消除非局域效应，实现高精度测量。
4、本发明具有可控的动态范围配置和系统空间分辨率。根据实际测量需求，通过预编写啁啾链模块的各个啁啾段的啁啾量来实现可调谐的动态范围，通过啁啾段的持续时间改变系统的空间分辨率。
附图说明
图1是本发明的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置的原理示意图；
图2是具体实施方式一所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置的结构示意图；
图3是具体实施方式四所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，包括激光器、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第2电光调制器、啁啾链模块、第1滤波器3、光电探测器和采集模块；
输出波长为1550nm附近的分布式反馈光纤激光器输出的激光经耦合器分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生啁啾链调制的上频移探测光；
所述一路光经第1电光调制器调制为30ns脉冲光，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，第1电光调制器工作在最低工作点，脉冲光经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述另一路光经第2电光调制器调制为布里渊频移(即11GHz左右)的上下边带的光学啁啾信号光，第2电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，啁啾微波信号宽度300MHz，光学啁啾信号光经第1滤波器3滤出上边带作为探测光，再由待测光纤4的另一端输入；待测光纤为普通单模光纤；
泵浦光和探测光同时注入到待测光纤中发生SBS作用，布里渊信号由环形器2的3端口输出，输入至光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
本发明的原理如图1所示，脉冲的泵浦光和光学啁啾调制的探测光分别从待测光纤的两端注入，由于采用布里渊衰减谱结构，探测光上变频调制，探测光的频率相比于泵浦光频率高光纤布里渊频移左右，探测光将能量转移给泵浦光，补偿脉冲传输损耗，增强远端信噪比。同时探测光采用啁啾链调制，调制后含有较宽的频谱，提高了受激布里渊散射阈值，能够将输入功率提高(100km@12dBm)，提高了采集信号强度，增加了传感距离。每个啁啾段都能采集到一个完整的布里渊增益谱，避免现有的频率扫描过程，最终实现快速长距离分布式布里渊传感。
初步设定啁啾微波信号的周期为Tchirp，调制宽度为fchirp。探测光与泵浦光的中心频率差为光纤布里渊频移，泵浦光与探测光相遇时，在一个啁啾段内，泵浦光与探测光不同频率作用时，不同位置的泵浦光频谱受到放大，如图1中①、②、③为啁啾段三个不同频率处泵浦脉冲的增益谱位置，这样保证泵浦脉冲光在一个啁啾段内受到的增益有一较宽的平坦范围，泵浦脉冲光在传播过程中不会发生波形变化，从而避免了非局域效应。单发泵浦脉冲即可完成传感光纤布里渊增益谱分布式测量，使得测量时间只受限于光纤长度和平均次数，实现快速布里渊传感，同时避免由于扫频过程导致不同频率时远端泵浦光功率不同引起的布里渊增益谱双峰现象。
每个光学啁啾段的频率分布为f(t)：
fm0为微波列初始频率，fs为微波频率步进量，T为每一微波频率持续时间，t为啁啾段内的时刻，[]为向上取整符号。
光学啁啾调制的探测光的频率范围相比于泵浦光覆盖光纤布里渊频移，同时可以提高光学啁啾范围，增加应变和温度解调范围。泵浦脉冲光依次与探测光的各个光学啁啾段发生受激布里渊散射作用，采集的探测光中，每个啁啾段都能得到完整的布里渊增益谱，并且系统空间分辨率取决于光学啁啾链的宽度，测量时间只与光纤长度和信号平均次数有关。
具体实施方式二：本实施方式所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，包括激光器、电光调制器、微波和脉冲模块、第2滤波器5、掺饵光纤放大器1、环形器2、第5电光调制器、啁啾链模块、第3滤波器6、光电探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生固定下频移脉冲的泵浦光，另一路光用于产生上频移的探测光；
所述一路光经电光调制器调制为固定频移的上下边带的脉冲光，电光调制器的固定频移微波脉冲信号由微波和脉冲模块提供，脉冲光经第2滤波器5滤出下边带，经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦脉冲光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述另一路光经第5电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，光学啁啾信号光经第3滤波器6滤出上边带作为探测光，再由待测光纤4的另一端输入；
环形器2的3端口输出的布里渊信号输入光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
本实施方式中采用双路频率调制技术，降低了装置对于啁啾链模块带宽的要求。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置作进一步说明，本实施方式中，微波和脉冲模块采用高频脉冲段模块实现。高频脉冲段模块输出频率为8GHz，宽度30ns的微波脉冲，同样可以产生8GHz的上变频脉冲光。
具体实施方式四：结合图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置作进一步说明，本实施方式中，微波和脉冲模块采用微波模块和脉冲模块实现；
输出波长为1550nm附近的分布式反馈光纤激光器输出的激光经耦合器分为2路，一路光用于产生固定下频移脉冲的泵浦光，另一路光用于产生光学啁啾链调制的上频移的探测光；
所述一路光经第3电光调制器调制为8GHz左右的固定频移的上下边带的信号光，经第4电光调制器调制为30ns脉冲光，第2滤波器5滤出下边带，经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦脉冲光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；第3电光调制器的固定频移微波信号由微波模块提供，第4电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；第3电光调制器和第4电光调制器工作在最低工作点；
所述另一路光经第5电光调制器调制为3GHz左右的上下边带的光学啁啾信号光，电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，啁啾微波信号宽度为300MHz，光学啁啾信号光经第3滤波器6滤出上边带作为探测光，再由待测光纤4的另一端输入；待测光纤为普通单模光纤；
泵浦光和探测光同时注入到待测光纤中发生SBS作用，布里渊信号由环形器2的3端口输出，输入至光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置作进一步说明，本实施方式中，啁啾链模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置作进一步说明，本实施方式中，还包括隔离器7；
探测光通过隔离器7后再由待测光纤4的另一端输入。
隔离器用于防止功率较高的脉冲光进入电光调制器，保护电光调制器。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置作进一步说明，本实施方式中，滤波器采用光纤布拉格光栅实现。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (8)
1.基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，包括激光器、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器(1)、环形器(2)、第2电光调制器、啁啾链模块、第1滤波器(3)、光电探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生上频移探测光；
所述一路光经第1电光调制器调制为脉冲光，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，脉冲光经掺饵光纤放大器(1)功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器(2)的1端口和2端口，再由待测光纤(4)的一端输入；
所述另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，第2电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，光学啁啾信号光经第1滤波器(3)滤出上边带作为探测光，再由待测光纤(4)的另一端输入；
布里渊信号由待测光纤(4)的一端输出，经过环形器(2)的2端口和3端口，再输入光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
2.基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，包括激光器、电光调制器、微波和脉冲模块、第2滤波器(5)、掺饵光纤放大器(1)、环形器(2)、第5电光调制器、啁啾链模块、第3滤波器(6)、光电探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生固定下频移脉冲的泵浦光，另一路光用于产生上频移的探测光；
所述一路光经电光调制器调制为固定频移的上下边带的脉冲光，电光调制器的固定频移微波脉冲信号由微波和脉冲模块提供，脉冲光经第2滤波器(5)滤出下边带，经掺饵光纤放大器(1)功率放大后作为泵浦脉冲光，然后依次经过环形器(2)的1端口和2端口，再由待测光纤(4)的一端输入；
所述另一路光经第5电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，电光调制器的啁啾微波信号由啁啾链模块提供，光学啁啾信号光经第3滤波器(6)滤出上边带作为探测光，再由待测光纤(4)的另一端输入；
布里渊信号由待测光纤(4)的一端输出，经过环形器(2)的2端口和3端口，再输入光电探测器，采集模块采集光电探测器的输出信号。
3.根据权利要求2所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，微波和脉冲模块采用高频脉冲段模块实现。
4.根据权利要求2所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，微波和脉冲模块采用微波模块和脉冲模块实现；所述一路光经第3电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，再经第4电光调制器调制为脉冲光，第3电光调制器的固定频移微波信号由微波模块提供，第4电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供。
5.根据权利要求1或4所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，所述啁啾链模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
6.根据权利要求1或2所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，还包括隔离器(7)；
探测光通过隔离器(7)后再由待测光纤(4)的另一端输入。
7.根据权利要求1或2所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，滤波器采用光纤布拉格光栅实现。
8.根据权利要求1或2所述的基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置，其特征在于，所述激光器为输出波长为1550nm的分布式反馈光纤激光器。
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