CN109163829A - 基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，涉及基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤应变传感技术，为了解决基于瑞利散射的系统在解调过程中累计误差会不断增加，影响测量精度，基于布里渊散射的系统应变分辨率低的问题。一路光经电光调制器调制为脉冲的上下边带的光学捷变频信号光，经第1滤波器滤出上边带，再经掺饵光纤放大器放大后作为泵浦光，由待测光纤的一端输入；另一路光由待测光纤的另一端输入；待测光纤内发生受激布里渊散射和瑞利散射，通过第2滤波器将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，2个探测器分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，采集模块采集探测器的输出信号。本发明适用于分布式光纤应变传感。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤应变传感技术。
背景技术
我国大型基础设施体量排在世界前列，然而，大型基础设施在服役过程中长期受到外力和环境侵蚀，极有可能发生灾害，从而造成严重的安全事故和经济损失。为避免人员伤亡、减小经济损失，需要对大型基础设施进行监测。但是，大型基础设施如公路、隧道、大型桥梁、油气管线和电力线等，空间尺寸长，以电阻式应变片和光纤光栅为主的点式传感器只能测量有限的离散点，无法实现待测物的全空间测量。
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，散射型光纤传感器按原理可分为：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。当一束光入射到光纤中时，会同时存在上述三种散射信号，其中瑞利信号和布里渊信号都能够对应变信息进行解调。基于频率扫描方案的瑞利散射的光时域发射系统(OTDR)能够实现纳应变的高精度测量，系统响应率达到kHz量级(Liehr S,Münzenberger S,Krebber K.Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing[J].Opticsexpress,2018,26(8):10573-10588.)。然而瑞利信号解调过程中，利用两组相邻信号之间的相关运算确定频移量，随着测量次数的增加，其累计误差会不断增加，影响测量精度。布里渊应变测量采用扫描泵浦光与探测光之间的频率差的方案，典型系统为布里渊光时域分析系统(BOTDA)，拟合布里渊增益谱，根据光纤应变系数解调所受应变值(Horiguchi T,Shimizu K,Kurashima T,et al.Development of a distributed sensing techniqueusing Brillouin scattering[J].Journal of lightwave technology,1995,13(7):1296-1302.)。其测量为绝对值测量不存在累计误差，但是BOTDA系统测量精度约为10με，无法实现高应变分辨率解调。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有散射型光纤传感器中，基于瑞利散射的系统在解调过程中累计误差会不断增加，影响测量精度，基于布里渊散射的系统应变分辨率低的问题，从而提供基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器。
本发明所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，包括激光器、第1电光调制器、捷变频模块、第2电光调制器、脉冲模块、第1滤波器1、掺饵光纤放大器2、环形器3、第2滤波器4、隔离器5、2个探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生上频移脉冲的泵浦光，另一路光直接作为探测光；
所述一路光经第1电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，经第2电光调制器调制为脉冲光，经第1滤波器1滤出上边带，再经掺饵光纤放大器2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6的一端输入；第1电光调制器的微波捷变频信号由捷变频模块提供，第2电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述另一路光经隔离器5直接由待测光纤6的另一端输入；
待测光纤6内发生受激布里渊散射和瑞利散射，布里渊散射信号和瑞利散射信号均由待测光纤6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，通过第2滤波器4的透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，2个探测器分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，采集模块采集2个探测器的输出信号。
优选的是，还包括微波源、第3电光调制器和第3滤波器7；
所述另一路光经第3电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，经第3滤波器7滤出下边带，再进入隔离器5。
优选的是，捷变频模块输出的微波捷变频信号的频率从f1到fN，每一个频率的持续时间为T；脉冲模块输出的脉冲信号的周期为T，每一个脉冲对应微波捷变频信号的一个频率。
优选的是，捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
优选的是，滤波器采用光纤布拉格光栅实现。
优选的是，第2滤波器4透射布里渊散射信号，反射瑞利散射信号。
优选的是，第2滤波器4反射布里渊散射信号，透射瑞利散射信号。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够实现分布式高应变分辨率测量。基于瑞利散射的OTDR系统能解调光纤纳应变信息，具有超高的应变分辨率。
2、本发明在OTDR信号的基础上同时测量BOTDA信号，能够测量应变的真实值，应变测量范围可以从纳应变到光纤所承受的最大应变值，布里渊信号能够对OTDR系统的累积误差进行修正，实现高精度测量。
3、本发明利用光学捷变频技术能够实现动态分布式应变测量，系统采样率取决于光纤长度和扫频个数。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器的结构示意图；
图2是具体实施方式一中的微波捷变频信号和脉冲信号的时序关系图；
图3是具体实施方式一中的泵浦光、探测光和第2滤波器的频率关系图；
图4是具体实施方式二所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，包括激光器、第1电光调制器、捷变频模块、第2电光调制器、脉冲模块、第1滤波器1、掺饵光纤放大器2、环形器3、第2滤波器4、隔离器5、2个探测器和采集模块；
激光器输出激光的波长为1550nm，输出的激光分为2路，一路光用于产生上频移脉冲的泵浦光，另一路光直接作为探测光；
所述一路光经第1电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，经第2电光调制器将每一频率的信号脉冲调制，经第1滤波器1滤出上边带，再经掺饵光纤放大器2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6的一端输入；第1电光调制器的微波捷变频信号由捷变频模块提供，微波捷变频信号的频率范围为10.6GHz到11GHz，步长4MHz，每一频率持续时间T，持续时间决定了传感距离。第2电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；脉冲宽度20ns(系统空间分辨率2m)，共计101个脉冲，脉冲间隔T。
所述另一路光经隔离器5直接由待测光纤6的另一端输入；泵浦光与探测光之间的频率差覆盖光纤布里渊增益谱；
待测光纤6内发生受激布里渊散射和瑞利散射，布里渊散射信号和瑞利散射信号同向传输且均由待测光纤6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，通过第2滤波器4的透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，2个探测器分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，采集模块两通道采集2个探测器的输出信号并进行数据处理。滤波器采用光纤布拉格光栅实现。
利用布里渊和瑞利双机制同时进行应变解调，实现高应变分辨率、大应变范围、高精度和动态分布式光纤应变测量。泵浦光利用光学捷变频技术，实现泵浦光频率的快速扫描，从一端入射到待测光纤中，另一端输入探测光实现受激布里渊散射(SBS)作用，同时泵浦脉冲光的后向瑞利散射信号与探测光同向传输，利用光纤布拉格光栅(FBG)滤波器将二者信号分离后采集。瑞利散射信号具有高应变分辨率，而布里渊散射信号不存在累计误差，能够对瑞利散射信号进行修正，实现高精度测量，应变测量范围可以从纳应变测量到理论的最大值(将光纤拉断)。光学捷变频技术实现频率的快速扫描，赋予系统动态测量的能力，其测量时间只取决于光纤长度和扫频的个数。
结合图2对微波捷变频信号和脉冲信号的时序关系进行说明，捷变频模块输出微波捷变频信号，频率从f1到fN，N为正整数，每一频率持续时间为T。利用脉冲模块输出脉冲信号序列，每一脉冲落在对应频率内，脉冲之间间隔同样为T，完成基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器中泵浦光的调制。将捷变频模块与脉冲模块工作在连续输出模式，并进行信号同步，使得两次测量无缝连接。
结合图3对布里渊散射信号和瑞利散射信号的同时探测进行说明，泵浦光光学捷变频调制，但是光纤中某一时刻只存在一个频率的泵浦脉冲光，产生的瑞利散射信号与泵浦光同频，布里渊散射的探测光频率等于激光器输出光的频率。当第2滤波器4的反射谱与泵浦光频率范围重合，将瑞利散射信号反射，而布里渊散射的探测光频率不在反射区内，则透射布里渊散射信号。同理，通过改变第2滤波器的反射谱范围，也可实现反射布里渊散射信号，透射瑞利散射信号。利用两个探测器对瑞利散射信号和布里渊散射信号进行探测，实现基于瑞利和布里渊的双机制的高性能动态分布式光纤传感。ν0为激光器输出激光频率，νBFS为布里渊频移。
具体实施方式二：结合图4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布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器作进一步说明，本实施方式中，还包括微波源、第3电光调制器和第3滤波器7；
所述另一路光经第3电光调制器调制为10.6GHz固定频移的上下边带的信号光，经第3滤波器7滤出下边带，再进入隔离器5。
则所述一路光只需单边带调制产生100-500MHz的光学捷变频信号，实现将捷变频模块带宽降低到几百兆赫兹。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器作进一步说明，本实施方式中，捷变频模块和/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 (7)
1.基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，包括激光器、第1电光调制器、捷变频模块、第2电光调制器、脉冲模块、第1滤波器(1)、掺饵光纤放大器(2)、环形器(3)、第2滤波器(4)、隔离器(5)、2个探测器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生上频移脉冲的泵浦光，另一路光直接作为探测光；
所述一路光经第1电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，经第2电光调制器调制为脉冲光，经第1滤波器(1)滤出上边带，再经掺饵光纤放大器(2)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(6)的一端输入；第1电光调制器的微波捷变频信号由捷变频模块提供，第2电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述另一路光经隔离器(5)直接由待测光纤(6)的另一端输入；
待测光纤(6)内发生受激布里渊散射和瑞利散射，布里渊散射信号和瑞利散射信号均由待测光纤(6)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，通过第2滤波器(4)的透射和反射将布里渊散射信号和瑞利散射信号分开，2个探测器分别探测布里渊散射信号和瑞利散射信号，采集模块采集2个探测器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，还包括微波源、第3电光调制器和第3滤波器(7)；
所述另一路光经第3电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，经第3滤波器(7)滤出下边带，再进入隔离器(5)。
3.根据权利要求1或2所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，所述捷变频模块输出的微波捷变频信号的频率从f1到fN，每一个频率的持续时间为T；脉冲模块输出的脉冲信号的周期为T，每一个脉冲对应微波捷变频信号的一个频率。
4.根据权利要求1或2所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，所述捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
5.根据权利要求1或2所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，滤波器采用光纤布拉格光栅实现。
6.根据权利要求1或2所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，所述第2滤波器(4)透射布里渊散射信号，反射瑞利散射信号。
7.根据权利要求1或2所述的基于布里渊和瑞利双机制的高性能动态分布式光纤传感器，其特征在于，所述第2滤波器(4)反射布里渊散射信号，透射瑞利散射信号。
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