CN109781156B - 基于布里渊增益谱调制的botda系统及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于布里渊增益谱调制的BOTDA及其传感方法，涉及光纤传感技术领域，本发明在标准BOTDA的基础上，基于光纤固有布里渊增益谱，运用幅频调制脉冲调制模块把输入待测传感光纤的泵浦光调制成幅频调制脉冲光，从而使得信号接收模块得到的探测光在频率上得到大范围的线性区，进而使得如果外界的温度/应变发生变化，信号接收模块的时域信号会发生强度改变。本发明可根据实际需求通过改变脉冲光的频谱来改变系统灵敏度。本发明不需要脉冲/探测光进行扫频，另外不需要对后期布里渊曲线拟合，从而大大提高了传感系统的动态响应速度；另外相比于传统斜率辅助法，该系统的传感动态响应范围和传感灵敏度大幅提高。

Description

基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体的是涉及基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统及其传感方法。

背景技术

传感器作为一种集成自动测量、记录等功能的检测装置，在我们的生活及生产活动中得到了广泛的应用。相比于传统的电学传感器，基于光纤的传感器具有轻便、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高温、探测灵敏度高等独特的优势，而且信号光在光纤中传输损耗较小，这就决定了光纤分布式传感器具有超长距离传感的优势。

近年来，布里渊光时域分析仪作为一种典型的分布式光纤传感系统，在通信、传感等领域均有着重大的运用价值，它可以实现超长距离的应变/温度的分布式监控，其主要原理为利用光纤所处的外界的温度/应变的变化使得光纤布里渊频谱产生平移，从而可以通过分布式测量布里渊频移实现对外界环境的实时监控。

但是，传统的布里渊光时域分析仪需要对探测光或泵浦脉冲光进行扫频来获得布里渊增益谱，所以其测量时间通常需要几秒甚至数分钟，这很大程度上限制了该系统的动态测量采样率，从而限制了其对于外界扰动的频率响应的范围。

近些年来，快速布里渊光时域分析仪得到了国内外广泛的研究，现有的快速布里渊测量系统可以简单分为以下三种：

1、基于光学变频技术的快速布里渊光时域分析仪，其采用了高性能的电学数字式任意波形发生器，实现对光波的快速切换；基于这种原理的系统虽然相较于传统布里渊光时域分析仪能够提高对外界扰动的频率响应范围，但是仍需要扫频来得到布里渊增益谱的分布继而得到扰动信息，因此，其对于频率响应范围的提高有限；

2、基于斜率辅助技术的快速布里渊光时域分析仪，该系统将布里渊增益谱的一侧斜坡的3dB处近似为线性，根据预先测量得到的布里渊增益谱的斜坡的数据可以拟合得到线性段，然后将探测光频率设置在布里渊增益谱的斜坡中心的位置，若光纤某点应变发生改变，则这个点的整个布里渊增益谱会发生整体偏移，这样就可以用一个频率的功率改变量来预估布里渊频移量；基于这种原理的系统只用了一个频率，所以可以有效增大对于外界扰动的频率响应范围，但是因为斜坡的线性范围小，所以一般来说这种系统对于外界扰动幅度的动态范围相对较小；

3、基于光学啁啾技术的快速布里渊分析仪，这种系统使用线性啁啾技术来实现单发测量，虽然它能够解决第1种系统中扫频带来的对外界扰动的频率响应范围的限制和第2种系统中对外界扰动的幅度响应范围小的问题，实现快速测量，但是这种系统对信号处理方面有很大的要求。由于它得到的信号不规则，因此需要运用多次拟合等方法得到扰动信号，在一定程度上限制了系统对外界扰动的频率响应范围。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有的快速布里渊测量系统的传感动态范围和传感灵敏度有限，信号解调复杂，耗时较长的问题，本发明提供一种基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统及其传感方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统，包括幅频调制脉冲调制模块、光纤环形器、待测传感光纤、探测光调制模块和信号接收模块，所述幅频调制脉冲调制模块的输出端与光纤环形器1端口连接，光纤环形器2端口与待测传感光纤的一端连接，待测传感光纤的另一端与探测光调制模块连接，光纤环形器3端口与信号接收模块连接。

进一步的，所述幅频调制脉冲调制模块产生的幅频调制脉冲光信号的种类为啁啾信号或频梳信号；且幅频调制脉冲调制模块包括任意波形发生器和电光调制器或可调分布反馈激光器和脉冲调制模块。

基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统的传感方法，包括如下步骤：

S1：幅频调制脉冲调制模块调制出幅频调制脉冲光信号，幅频调制脉冲光信号经由光纤环形器传入待测传感光纤中；

S2：探测光调制模块调制产生探测光信号从待测传感光纤另一端打入；

S3：幅频调制脉冲光信号与探测光信号在待测传感光纤中进行受激布里渊作用，经过受激布里渊作用的探测光信号再经由光纤环形器3端口传入信号接收模块；

S4：信号接收模块根据接收的探测光信号的强度改变量和该改变量随时间变化的曲线解调得到外界扰动的强度大小和频率待测传感光纤待测传感光纤信号接收模块。

进一步的，所述幅频调制脉冲调制模块包括任意波形发生器和电光调制器，产生幅频调制脉冲光信号的过程具体为：在数字域上设计幅频调制数字信号，使用任意波形发生器将幅频调制数字信号转换成电信号，然后通过电光调制器，产生幅频调制脉冲光信号。

进一步的，所述幅频调制脉冲调制模块包括可调分布反馈激光器和脉冲调制模块，产生幅频调制脉冲光信号的过程具体为：调节可调分布反馈激光器的驱动电流改变输出激光的输出波长和功率，调节驱动电流的波形使可调分布反馈激光器的输出光信号变为幅频调制光信号，然后再通过脉冲调制模块将幅频调制光信号调制成幅频调制脉冲光信号。

本发明的有益效果如下：

1、本发明避免了传统分布式布里渊光时域分析仪需要耗费大量的时间进行扫频的问题，大大提高了系统的动态响应速度。具体的，因为传统布里渊光时域分析仪需要从频率低到频率高逐次扫描以得到一个完整的布里渊增益谱，所以其响应速度很大程度上取决于扫频频点设置和微波源的变频速度。本系统运用一个幅频调制脉冲光信号就可以包含系统所需的全部频率，所以使用幅频调制技术来代替扫频，可以避免扫频频点设置和微波源扫频速度对响应速度的影响。

2、本发明相较于基于斜率辅助的快速布里渊光时域分析仪，具有对于外界扰动信号较大的幅度响应范围。斜率辅助技术的动态范围限制于布里渊增益谱3dB处的线性范围。但是，本系统的动态响应范围和布里渊增益谱3dB处的线性范围无关，且本系统理论上的动态响应范围可以远远大于布里渊增益谱的范围。

3、本发明相较于基于传统光学啁啾技术的快速布里渊光时域分析仪，从根本上解决了信号处理对系统带来的负担，极大降低了信号处理的难度。传统的基于光学啁啾技术的快速布里渊光时域分析仪得到的信号为不规则的信号，后续的信号处理需要经过多次互相关处理解调得到温度或者扰动的变化量。而本发明的信号接收模块，得到的布里渊增益谱是幅频调制脉冲光的频谱和洛伦兹增益谱的卷积，若改变幅频调制脉冲光信号的频谱的形状，使得得到的实际的布里渊增益谱利于测量，例如将实际的布里渊增益谱的某一段变成随频率线性，则只需直接根据探测光信号强度的改变量和改变量随时间的变化曲线直接得到外界扰动的强度大小和频率。

4、本发明的传感方法中，幅频调制脉冲光信号在布里渊谱范围内的频率，在输入待测传感光纤后会与探测光信号发生受激布里渊散射，从而发生能量转移，信号接收模块得到的探测光频谱，在脉冲频谱范围内是特定的曲线，是易于测量的。当待测传感光纤的布里渊增益谱由于外界温度/应变改变而发生平移，探测光频谱的易于测量区则会发生在时域上的左右移动，而通过探测该测量区的信号强度的改变量则可以迅速得到外界的应变/温度变化，而不需要进行拟合得到布里渊峰的频谱位置的变化来得到应变扰动信息。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统整体结构图。

图2是本发明实施例2的系统框图。

图3是本发明BOTDA系统传感方法的频域原理图。

图4是本发明BOTDA系统传感方法的原理图。

图5是本发明实施例3的系统框图。

附图标记：1、幅频调制脉冲调制模块；1-1、可调分布反馈激光器；1-2、脉冲调制模块；1-3、任意波形发生器；1-4、电光调制器；2、光纤环形器；3、待测传感光纤；4、探测光调制模块；5、信号接收模块；6、激光器；7、光纤分束器；8、滤波放大模块；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于布里渊增益谱调制的分布式BOTDA系统，包括幅频调制脉冲调制模块1、光纤环形器2、待测传感光纤3、探测光调制模块4和信号接收模块5，所述幅频调制脉冲调制模块1的输出端与光纤环形器2的1端口连接，光纤环形器2的2端口与待测传感光纤3的一端连接，待测传感光纤3的另一端与探测光调制模块4连接，光纤环形器2的3端口与信号接收模块5连接。

本实施例还提供一种基于上述布里渊增益谱调制的BOTDA系统的传感方法，包括如下步骤：

S1：幅频调制脉冲调制模块1调制出幅频调制脉冲光信号，幅频调制脉冲光信号打入光纤环形器2的1端口，随后从光纤环形器2的2端口传入待测传感光纤3中；

S2：探测光调制模块4调制产生探测光信号从待测传感光纤3另一端打入；

S3：幅频调制脉冲光信号与探测光信号在待测传感光纤3中进行受激布里渊作用，经过受激布里渊作用的探测光信号输入至光纤环形器2的2端口，随后从光纤环形器2的3端口出传入信号接收模块5；

S4：信号接收模块5根据接收的探测光信号的强度改变量和该改变量随时间变化的曲线解调得到外界扰动的强度大小和频率；

所述S1中幅频调制脉冲光信号为啁啾信号或频梳信号，

本实施例的工作原理为：

如图3和图4所示，信号接收模块5得到的布里渊增益谱是幅频调制脉冲光的频谱和洛伦兹增益谱的卷积，若改变幅频调制脉冲光信号的频谱的形状，使得得到的实际的布里渊增益谱利于测量，如将实际的布里渊增益谱的某一段变成随频率线性，则只需直接根据探测光信号强度的改变量和改变量随时间的变化曲线直接得到外界扰动的强度大小和频率。

实施例2

如图2所示，本实施例在实施例1的基础之上进一步的优化，具体是：

所述幅频调制脉冲调制模块1包括任意波形发生器1-3和电光调制器1-4，本实施例中激光器6连接有光纤分束器2，光纤分束器2的输出分为两支路，其中一支路输出与电光调制器1-4连接，另一支路输出与探测光调制模块4连接，探测光调制模块4的输出端连接有滤波放大模块8，滤波放大模块8的输出端与待测传感光纤3连接，任意波形发生器1-3与电光调制器1-4连接，电光调制器1-4的输出端与光纤环形器2的1端口连接，光纤环形器2的2端口与待测传感光纤3连接，光纤环形器2的3端口与信号接收模块5连接；

本实施例在数字域上设计幅频调制数字信号，使用预先写入了啁啾波形的任意波形发生器1-3将幅频调制数字信号转换成电信号，然后通过电光调制器1-4，产生幅频调制脉冲光信号传入待测传感光纤3中，使幅频调制脉冲光信号与探测光信号发生受激布里渊散射，从而发生能量转移。信号接收模块5得到的探测光频谱，在脉冲频谱与光纤布里渊谱交叠范围内是特定的曲线，是易于测量的。当待测传感光纤3的布里渊谱强度发生改变，则会使得探测光频谱的易于测量区发生左右移动，而通过探测该测量区的信号强度的改变量则可以迅速得到外界的应变/温度变化，而不需要进行拟合得到布里渊峰的变化来得到应变扰动信息。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例2的区别在于：所述幅频调制脉冲调制模块1包括可调分布反馈激光器1-1和脉冲调制模块1-2，产生幅频调制脉冲光信号具体为：调节可调分布反馈激光器1-1的驱动电流改变输出激光的输出波长和功率，调节驱动电流的波形使可调分布反馈激光器1-1的输出光信号变为幅频调制光信号，然后再通过脉冲调制模块1-2将幅频调制光信号调制成幅频调制脉冲光信号。

本实施例不需要脉冲/探测光进行扫频，另外不需要对后期布里渊曲线拟合，从而大大提高了传感系统的动态响应速度；另外相比于传统斜率辅助法，该系统的传感动态响应范围和传感灵敏度大幅提高。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统，包括幅频调制脉冲调制模块(1)、光纤环形器(2)、待测传感光纤(3)、探测光调制模块(4)和信号接收模块(5)，所述幅频调制脉冲调制模块(1)的输出端与光纤环形器(2)1端口连接，光纤环形器(2)2端口与待测传感光纤(3)的一端连接，待测传感光纤(3)的另一端与探测光调制模块(4)连接，光纤环形器(2)3端口与信号接收模块(5)连接，运用幅频调制脉冲调制模块(1)把输入待测传感光纤(3)的泵浦光调制成幅频调制脉冲光信号，从而使得信号接收模块(5)得到的探测光信号在频率上得到大范围的线性区。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统，其特征在于：所述幅频调制脉冲调制模块(1)产生的幅频调制脉冲光信号的种类为啁啾信号或频梳信号。

3.根据权利要求2所述的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统，其特征在于：所述幅频调制脉冲调制模块(1)包括可调分布反馈激光器(1-1)和脉冲调制模块(1-2)。

4.根据权利要求2所述的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统，其特征在于：所述幅频调制脉冲调制模块(1)包括任意波形发生器(1-3)和电光调制器(1-4)。

5.根据权利要求1的系统所得的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统的传感方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：幅频调制脉冲调制模块(1)调制出幅频调制脉冲光信号，幅频调制脉冲光信号经由光纤环形器(2)传入待测传感光纤(3)中；

S2：探测光调制模块(4)调制产生探测光信号从待测传感光纤(3)另一端打入；

S3：幅频调制脉冲光信号与探测光信号在待测传感光纤(3)中进行受激布里渊作用，经过受激布里渊作用的探测光信号再经由光纤环形器(2)3端口传入信号接收模块(5)；

S4：信号接收模块(5)根据接收的探测光信号的强度改变量和该改变量随时间变化的曲线解调得到外界扰动的强度大小和频率。

6.根据权利要求5所述的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统的传感方法，其特征在于，所述S1中所述的幅频调制脉冲光信号为啁啾信号或频梳信号。

7.根据权利要求5所述的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统的传感方法，其特征在于，所述幅频调制脉冲调制模块(1)包括任意波形发生器(1-3)和电光调制器(1-4)；产生幅频调制脉冲光信号的过程具体为：在数字域上设计幅频调制数字信号，使用任意波形发生器(1-3)将幅频调制数字信号转换成电信号，然后通过电光调制器(1-4)，产生幅频调制脉冲光信号。

8.根据权利要求5所述的基于布里渊增益谱调制的BOTDA系统的传感方法，其特征在于，所述幅频调制脉冲调制模块(1)包括可调分布反馈激光器(1-1)和脉冲调制模块(1-2)；产生幅频调制脉冲光信号的过程具体为：调节可调分布反馈激光器(1-1)的驱动电流改变输出激光的输出波长和功率，调节驱动电流的波形使可调分布反馈激光器(1-1)的输出光信号变为幅频调制光信号，然后再通过脉冲调制模块(1-2)将幅频调制光信号调制成幅频调制脉冲光信号。

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