CN108981768A - 基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计 - Google Patents
基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计 Download PDFInfo
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Abstract
基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，涉及分布式光纤应变和温度单端快速测量技术，为了解决现有布里渊光时域反射计的测量时间长的问题。本发明的一路光经第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滤波器滤出下边带作为参考光；环形器输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。本发明适用于超快单端分布式布里渊温度和应变测量。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及分布式光纤应变和温度单端快速测量技术。
背景技术
传感技术在发展经济、推动社会进步等方面具有重要作用，已广泛应用于工业生产、土木工程、环境保护和生物医疗等极其广泛的领域。散射型光纤传感器利用光纤同时传输和感知信号，实现真正意义上的分布式测量。利用自发布里渊散射的传感系统称为反射计，布里渊光时域反射计(BOTDR)具有单端测量、便于布设并且能够在光纤损坏的情况下继续工作的优点，成为工程应用的重要监测方案。
现有布里渊系统分析仪中，利用微波源或任意波形发生器扫描探测光频率，当泵浦光和探测光频率差等于布里渊频移时，探测光得到能量最大，当远离时得到能量小。扫描探测光频率得到布里渊增益谱，拟合得到布里渊中心频移，根据光纤应变和温度系数解调其相应的温度和应变值。扫描探测光频率的过程需要较长的时间，在BOTDR扫频方案中也是限制动态测量的主要因素。光学啁啾链技术是一种快速重复扫频方案，将需要的啁啾链波形预编写入啁啾链模块的内存中，电学啁啾链模块输出的电学信号驱调制器产生光学啁啾链。啁啾链型探测光中的每个啁啾段都能覆盖光纤的布里渊频移，这样只需要打入单发脉冲泵浦光即可测量出光纤分布式的布里渊增益谱，实现兆赫兹量级的超快测量(DengwangZhou,Yongkang Dong,Benzhang Wang,Chao Pang,Dexin Ba,Hongying Zhang,Zhiwei Lu,Hui Li and Xiaoyi Bao.Single-shot BOTDA based on an optical chirp chain probewave for distributed ultra-fast measurement.Light:Science&Applicationsaccepted article preview 11May 2018；doi:10.1038/s41377-018-0030-0)。将光学啁啾链技术应用于BOTDR技术将会有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有布里渊光时域反射计的测量时间长的问题，从而提供基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计。
本发明所述的第一种基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，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、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
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，另一路光用于产生下频移参考光；
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滤出下边带作为参考光；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
优选的是，第1滤波器3采用光纤布拉格光栅或注入锁定激光器实现。
本发明所述的第二种基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，包括激光器、单边带调制器、微波源、第3电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第4电光调制器、啁啾链模块、第2滤波器、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生固定上频移脉冲的泵浦光，另一路光用于产生下频移的参考光；
所述一路光经单边带调制器调制为固定上频移的信号光，再经第3电光调制器调制为脉冲光，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；单边带调制器的固定频移微波信号由微波源提供，第3电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述另一路光经第4电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，第4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2滤波器滤出下边带作为参考光；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
优选的是，第2滤波器采用光纤布拉格光栅或注入锁定激光器实现。
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。
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。
本发明的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊反射计，采用光学啁啾链调制技术(啁啾段内频率快速扫描，多个啁啾段首尾相接形成啁啾链)产生参考光，参考光与泵浦脉冲的自发布里渊散射信号混频、滤波、检波和采集，在每一啁啾段内硬件部分直接快速完成布里渊增益谱解调。其测量时间只受限于光纤长度和平均次数，测量时间只相当于现有频率扫描方案的一个频率的测量时间，系统动态采样率相比于现有扫频方案提高两个数量级。能够实现超快单端分布式布里渊温度和应变测量。
本发明的有益效果：
1、本发明能够实现分布式应变和温度的超快测量。只需要单发泵浦脉冲光即可测量出待测光纤的分布式布里渊增益谱，其采样频率只和待测光纤长度、信号平均次数有关。
2、在基于光学啁啾的布里渊光时域分析仪系统中，由于瞬态受激布里渊散射的作用，导致布里渊增益谱变形，而布里渊光时域反射计系统中，其自发布里渊散射信号由泵浦脉冲光产生，光学啁啾调制的参考光只是解调信号，不会引起布里渊增益谱的变形。
3、啁啾段的时间长度对应空间分辨率，啁啾链的频率范围决定温度和应变的测量范围，可以通过预编写各个啁啾段的长度和频率范围，满足实际工程的需求。同时增加扫频范围，并不会增加系统测量时间。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计的原理图；
图2是具体实施方式二所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计的结构示意图；
图3是具体实施方式三所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计的结构示意图；
图4是具体实施方式四所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，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、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；激光器为输出波长为1550nm的分布式反馈光纤激光器。
激光器输出的激光经50:50耦合器分为2路，一路光用于产生10ns脉冲的泵浦光，另一路光用于产生下频移参考光；
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，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EDFA放大后得到峰值功率为1W的高频脉冲泵浦光，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；待测光纤为普通单模光纤；
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滤出下边带作为参考光；泵浦光与参考光的频率差覆盖布里渊频移与设定频差之和；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号，直接得到解调后的自发布里渊散射谱。
结合图1对本发明的原理进行说明，后向散射的自发布里渊信号与光学啁啾链调制的参考光信号拍频，采用滤波和检波的方案进行频谱分析。固定滤波器频率和带宽。在与低频参考光拍频时，二者频率差较大，自发后向散射的低频成分落在滤波器带宽内，检波器强度解调后得到相应强度；在与高频参考光拍频时，二者频率差较小，自发后向散射的高频成分落在滤波器带宽内，检波器强度解调后得到相应强度。每一啁啾周期内都将对应光纤位置的自发布里渊增益谱，每一啁啾周期内的时间信息对应着频率信息。布里渊频移的改变量△νBFS为：
t1为初始状态布里渊峰值对应的时间，t2为测量时布里渊峰值对应的时间，fchirp为啁啾频率范围，tchirp为啁啾段时间长度。
具体实施方式二：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计作进一步说明，本实施方式中，本实施方式中，第1滤波器3采用光纤布拉格光栅FBG实现。
具体实施方式三：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一所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计作进一步说明，本实施方式中，第1滤波器3采用注入锁定激光器实现。
本实施方式中，采用注入锁定技术实现光学啁啾链的产生，保证光学啁啾链输出幅值更平整。光学啁啾信号光通过光环形器进入注入锁定激光器，注入锁定激光器具有滤波、放大和保证不同频率输出幅值相同的功能，注入锁定激光器滤出下边带作为参考光并通过光环形器输出。
具体实施方式四：结合图4具体说明本实施方式，基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，包括激光器、单边带调制器、微波源、第3电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第4电光调制器、啁啾链模块、第2滤波器、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；激光器为输出波长为1550nm的分布式反馈光纤激光器。
激光器输出的激光经90:10耦合器分为2路，90％的一路光用于产生固定上频移脉冲的泵浦光，10％的另一路光用于产生下频移的参考光；泵浦光与参考光的频率差覆盖布里渊频移与设定频差之和；
所述90％的一路光进入单边带调制器SSBM，载波和一阶下边频被抑制并输出8.3GHz固定上频移的信号光，再经第3电光调制器调制为10ns脉冲光，脉冲光经掺饵光纤放大器1放大后得到峰值功率为1W的高频脉冲泵浦光，，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；单边带调制器的固定频移微波信号由微波源提供，第3电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；待测光纤为普通单模光纤；
所述10％的另一路光经第4电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，第4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2滤波器滤出下边带作为参考光；第2滤波器采用可调谐滤波器实现。
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号，直接得到解调后的自发布里渊散射谱。
本实施方式采用双路频率调制技术，降低系统对于啁啾链模块带宽的要求。
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光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计作进一步说明，啁啾链模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
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 (6)
1.基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，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)、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
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，另一路光用于产生下频移参考光；
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)滤出下边带作为参考光；
待测光纤(4)内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤(4)的一端输入环形器(2)的2端口，再由环形器(2)的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，其特征在于，第1滤波器(3)采用光纤布拉格光栅或注入锁定激光器实现。
3.基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，其特征在于，包括激光器、单边带调制器、微波源、第3电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器(1)、环形器(2)、第4电光调制器、啁啾链模块、第2滤波器、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生固定上频移脉冲的泵浦光，另一路光用于产生下频移的参考光；
所述一路光经单边带调制器调制为固定上频移的信号光，再经第3电光调制器调制为脉冲光，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；单边带调制器的固定频移微波信号由微波源提供，第3电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述另一路光经第4电光调制器调制为上下边带的光学啁啾信号光，第4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2滤波器滤出下边带作为参考光；
待测光纤(4)内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤(4)的一端输入环形器(2)的2端口，再由环形器(2)的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
4.根据权利要求3所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，其特征在于，第2滤波器采用光纤布拉格光栅或注入锁定激光器实现。
5.根据权利要求1或3所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，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。
6.根据权利要求1或3所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射计，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。
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- 2018-09-05 CN CN201811032963.4A patent/CN108981768A/zh active Pending
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