CN110243492B - 基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置及方法。所述装置包括准连续波拉曼光纤激光器、第一光隔离器、真波光纤、第一可调谐光滤波器、第二光隔离器、1×2光纤耦合器、第一偏振控制器、高速电光调制器、微波信号源、可变光延迟线、第一光放大器、光扰偏器、第三光隔离器、传感光纤、第二偏振控制器、第二光放大器、光环行器、第二可调谐光滤波器、光功率探测计。与BOCDA系统相比，本发明具有更高的空间分辨率、更长的分布传感距离；值得陈述的是其超连续谱不仅具有更宽的光谱，意味着空间分辨率可达到亚毫米量级，而且准连续波拉曼光纤激光器输出功率高，这为长距离传感提供了足够的能量。

Description

基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置及方法。

背景技术

目前，分布式光纤传感技术在地下隧道、航空航天、石油化工、电力工业、核工业、土木工程及军事等安全监测领域得到了广泛应用。由于分布式光纤传感技术是以光纤作为传感元件和传输元件，因此可以实现整个光纤长度上不同位置的温度和应变测量。相比其它传感技术，基于布里渊散射的分式光纤空间分辨率高、传感距离长、抗电磁干扰、误差小等优点，受到人们的青睐。

目前, 基于布里渊散射的传感技术的研究主要集中在四个方面：1)布里渊光时域反射器（Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR）；2)布里渊光时域分析器(Brillouin Optical Time-Domain Analysis, BOTDA)；3)布里渊光相关域反射器(Brillouin Optical Correlation-Domain Reflectometry, BOCDR)；4)布里渊光相关域分析器(Brillouin Optical Correlation-Domain Analysis, BOCDA)。

基于布里渊光时域反射器和布里渊光时域分析器的分布式光纤传感系统，是以脉冲光作为探测信号，通过测量布里渊频移，获得光纤沿线温度/应变的信息。但是，受限于声子寿命，BOTDR和BOTDA的空间分辨率最低只能达到1m。相比于BOTDR和BOTDA，基于布里渊光相关域反射器和布里渊光相关域分析器的分布式光纤传感系统采用低相干态的探测信号作为传感信号，具有更高的空间分辨率。BOCDR是基于光纤的自发布里渊散射效应，由于自发布里渊散射光的功率非常微弱，使其传感距离受限。而BOCDA是基于光纤的受激布里渊散射效应，其布里渊散射光更强，具有更长的传感距离。因此，BOCDA可以实现长距离、高空间分辨率的分布式光纤传感测量。

目前，BOCDA主要采用以下四类低相干态信号作为探测信号：1）频率受正弦调制的连续光；例如：例如，日本东京大学的Kazuo Hotate等人利用频率受正弦调制的连续光作为探测信号，实现传感距离为20 m、空间分辨率为10 cm的BOCDA系统（IEEE PhotonicsTechnology Letters, 2007, 19(23), 1928）。但仍存在传感距离与空间分辨率之间的矛盾问题。2）相位受伪随机码调制的连续光；例如：以色列巴伊兰大学的Avi Zadok等人利用伪随机码序列对光信号进行相位调制成功构建BOCDA系统，实现了传感距离为200m、空间分辨率为 1cm的测量结果（Laser & Photonics Reviews, 2012, 6(5): L1-L5.）。但探测信号产生的相关函数具有周期性，使其传感距离存在模糊距离的问题。3）ASE噪声；例如：以色列巴伊兰大学的Avi Zadok等人利用ASE噪声信号作为探测信号，获得了传感距离为5cm、空间分辨率为4mm的测量结果（Optics E×press, 2014, 22(10), 12070-12078）。但是，ASE噪声由于自身的功率密度低，存在输出功率低，传感距离短的问题；4）混沌激光；例如：我们提出了基于混沌激光作为探测信号的布里渊光相关域分析器传感系统(中国发明专利ZL201110217936.6，ZL201510531253.6和ZL201510531180.0)。然而，混沌激光通常是由光注入、光反馈扰动半导体激光器产生，这样，产生的混沌激光信号中会含有光注入、光反馈引入的周期信号，破坏了混沌激光信号的低相干态，致使该系统的空间分辨率受到恶化。而且，光注入、光反馈联合扰动半导体激光器构成的混沌激光源，产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时，成本较高。

基于此，有必要发明一种全新的分布式布里渊光相关域分析器装置，以解决现有基于BOCDA的分布式光纤技术存在传感距离受限、空间分辨率不够高等问题，实现超长距离、高空间分辨率、高精度测量的分布式光纤传感。

发明内容

本发明采用超连续谱信号作为探测信号，提出了一种全新的布里渊光相关域分析器，解决了现有基于BOCDA的分布式传感技术中存在传感距离受限、空间分辨率不高等问题。

本发明采用如下技术方案实现的：基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置包括准连续波拉曼光纤激光器、第一光隔离器、真波光纤、第一可调谐光滤波器、第二光隔离器、1×2光纤耦合器、第一偏振控制器、微波信号源、高速电光调制器、可变光延迟线、第一光放大器、光扰偏器、第三光隔离器、传感光纤、第二偏振控制器、第二光放大器、光环行器、第二可调谐光滤波器、光功率探测计；

其中，准连续波拉曼光纤激光器的出射端与第一光隔离器的入射端连接；第一光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与真波光纤的入射端连接；真波光纤的出射端通过单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器的入射端连接；第一可调谐光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与第二光隔离器的入射端连接；第二光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的入射端连接；

1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器的入射端连接；第一偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器的信号入射端连接；微波信号源的射频出射端通过高频同轴电缆与高速电光调制器的射频入射端连接；高速电光调制器的信号出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的入射端连接；可变光延迟线的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器的入射端连接；第一光放大器的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器的入射端连接；光扰偏器的出射端通过单模光纤跳线与第三光隔离器的入射端连接；第三光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与传感光纤一端连接；传感光纤的另一端与光环行器的反射端连接；

1×2光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器的入射端连接；第二偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器的入射端连接；第二光放大器的出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；光环行器的出射端与第二可调谐光滤波器的入射端连接；第二可调谐光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与光功率探测计连接。

基于超连续谱的布里渊光相关域分析器的分布式光纤传感方法（该方法在本发明所述的基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置中实现），该方法是采用下列步骤实现的：

准连续波拉曼光纤激光器激发出的激光信号顺次经过第一光隔离器和真波光纤，该真波光纤在1440nm处具有零色散波长，色散斜率为0.045ps/nm²/km；该激光信号在真波光纤的反常色散状态下，通过调制不稳定性，受激拉曼散射和四波混频的结合，可以实现调制不稳定性和超连续谱光源的产生。准连续波拉曼光纤激光器发出的激光信号经过第一光隔离器后进入第一可调谐光滤波器滤波选择中心波长为1550nm激光信号，第一可调谐光滤波器的激光信号经第二光隔离器后进入1×2光纤耦合器；1×2光纤耦合器分为两路：第一路激光信号作为探测光信号，第二路激光信号作为泵浦光信号；探测光信号首先经过第一偏振控制器改变光的偏振态；再经过高速电光调制器，并且被微波信号源输出的正弦信号调制，使得探测光的频率偏移中心频率，接近布里渊频移，经高速电光调制器移频后的光信号入射到可变光延迟线，并且通过可变光延迟线调节探测光的光程，再入射到第一光放大器；通过第一光放大器对探测光进行放大，补偿可变光延迟线引起的光信号损耗，然后入射到光扰偏器；经光扰偏器入射到第三光隔离器；经第三光隔离器后，探测光入射到传感光纤的一端，传感光纤的另一端与光环行器反射端连接；另一路泵浦光入射到第二偏振控制器，经第二偏振控制器入射到第二光放大器，经第二光放大器放大光信号后入射到光环行器的入射端；相向传输的泵浦光与探测光在传感光纤中的某一位置相遇，发生受激布里渊放大，产生干涉拍频信号，作用后的光信号经光环行器进入第二可调谐光滤波器滤出作用后的干涉拍频信号，最后将干涉拍频信号入射到光功率探测计；通过对微波信号源进行扫频设置及光功率探测计采集的不同扫频下的功率值，得到探测光与泵浦光在传感光纤某一位置的处的布里渊增益谱；由于布里渊频移量与温度或应变存在确定的线性关系，进而获得传感光纤两束光相遇处的温度或应变信息；通过可变光延迟线调节探测光的光程，使得探测整条光纤任意位置处的温度或应变信息。

本发明提供的基于超连续谱的基于分布式光相干域分析器传感装置及测量方法，与现有的分布式传感技术相比，可同时实现超长距离、高空间分辨率、高精度测量，其优点与积极效果体现如下：

一、基于超连续谱的布里渊光相关域分析器，与基于受正弦信号频率调制或者受伪随机序列相位调制的连续光的布里渊光相关域分析器相比，由于在传感光纤中仅有一个相关峰存在，避免了相关函数周期性导致传感距离存在模糊距离的问题。而且，本发明是采用超连续谱光源（supercontinuum sources），超连续谱可通过使用超短脉冲激光耦合进高非线性光纤而实现，因为光纤的非线性效应、四波混频及光孤子效应，使得脉冲光的脉冲光谱展宽，从而获得超宽光谱的输出。再利用光谱切片滤波技术可在百纳米级的连续光谱区内提取任意带宽的激光信号，将其应用于布里渊光相关域分析器中，这不仅确保空间分辨率可以达到mm甚至μm量级，而且空间分辨率可方便调谐。

二、与基于ASE的布里渊光相关域分析器（中国发明专利ZL201510531368.5）相比，ASE噪声由于自身的功率密度低，存在输出功率低，传感距离短的问题，而基于超连续谱的布里渊光相关域分析器，输出超连续谱光信号的激光功率更大，探测距离会更加长，可以实现三百公里的传感测量。

三、对于基于混沌激光的布里渊光相关域分析器(中国发明专利ZL201110217936.6，ZL201510531253.6和ZL201510531180.0) ，混沌激光通常是由光注入、光反馈扰动半导体激光器产生，这样，产生的混沌激光信号中会含有光注入、光反馈引入的周期信号，破坏了混沌激光信号的低相干态，致使该系统的空间分辨率受到恶化。而且，光注入、光反馈联合扰动半导体激光器构成的混沌激光源，产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时，成本较高。而基于超连续谱的布里渊光相关域分析器，其空间分辨率是由光谱滤波切片后的光源带宽决定，这不仅避免了混沌激光信号因弱周期存在而导致空间分辨率恶化的问题，而且对高空间分辨率获取的调节也非常方便。

附图说明

图1是本发明所述的基于超连续谱的布里渊光相关域分析器传感装置的结构示意图。

图中：1-准连续波拉曼光纤激光器、2-第一光隔离器、3-真波光纤、4-第一可调谐光滤波器、5-第二光隔离器、6-1×2光纤耦合器、7-第一偏振控制器、8-微波信号源、9-高速电光调制器、10-可变光延迟线、11-第一光放大器、12-光扰偏器、13-第三光隔离器、14-传感光纤、15-第二偏振控制器、16-第二光放大器、17-光环行器、18-第二可调谐光滤波器、19-光功率探测计。

具体实施方式

基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置，包括顺次连接的准连续波拉曼光纤激光器1、第一光隔离器2、真波光纤3、第一可调谐光滤波器4、第二光隔离器5、1×2光纤耦合器6、第一偏振控制器7、微波信号源8、高速电光调制器9、可变光延迟线10、第一光放大器11、光扰偏器12、第三光隔离器13、传感光纤14、第二偏振控制器15、第二光放大器16、光环行器17、第二可调谐光滤波器18、光功率探测计19；

其中，准连续波拉曼光纤激光器1的出射端与第一光隔离器2的入射端连接；第一光隔离器2的出射端通过单模光纤跳线与真波光纤3的入射端连接；真波光纤3的出射端通过单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器4的入射端连接；第一可调谐光滤波器4的出射端通过单模光纤跳线与第二光隔离器5的入射端连接；第二光隔离器5的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器6的入射端连接；

1×2光纤耦合器6的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器7的入射端连接；第一偏振控制器7的出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器9的信号入射端连接；微波信号源8的射频出射端通过高频同轴电缆与高速电光调制器9的射频入射端连接；高速电光调制器9的信号出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线10的入射端连接；可变光延迟线10的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器11的入射端连接；第一光放大器11的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器12的入射端连接；光扰偏器12的出射端通过单模光纤跳线与第三光隔离器13的入射端连接；第三光隔离器13的出射端通过单模光纤跳线与传感光纤14一端连接；传感光纤14的另一端与光环行器17的反射端连接；

1×2光纤耦合器6的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器15的入射端连接；第二偏振控制器15的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器16的入射端连接；第二光放大器16的出射端通过单模光纤跳线与光环行器17的入射端连接；光环行器17的出射端与第二可调谐光滤波器18的入射端连接；第二可调谐光滤波器18的出射端通过单模光纤跳线与光功率探测计19连接。

基于超连续谱的布里渊光相关域分析器方法，该方法在本发明所述的基于超连续谱的布里渊光相干域分析器装置中实现，该方法是采用下列步骤实现：

准连续波拉曼光纤激光器1发出的激光信号经过第一光隔离器2；第一光隔离器2再经过真波光纤3，该真波光纤在1440nm处具有零色散波长，色散斜率为0.045ps/nm²/km。该泵浦光在真波光纤的反常色散状态下，通过调制不稳定性，受激拉曼散射和四波混频的结合，可以实现调制不稳定性和超连续谱光源的产生。准连续波拉曼光纤激光器1发出的激光信号经过第一光隔离器后进入第一可调谐光滤波器4滤波，选择中心波长为1550nm激光信号，第一可调谐光滤波器4的激光信号经第二光隔离器5后进入1×2光纤耦合器6；1×2光纤耦合器6分为两路：第一路激光信号作为探测光信号，第二路激光信号作为泵浦光信号；探测光信号首先经过第一偏振控制器7改变光的偏振态；再经过高速电光调制器9，并且被微波信号源8输出的正弦信号调制，使得探测光的频率偏移中心频率，接近布里渊频移，经高速电光调制器9移频后的光信号入射到可变光延迟线10，并且通过可变光延迟线10调节探测光的光程，再入射到第一光放大器11；通过第一光放大器11对探测光进行放大，补偿可变光延迟线10引起的光信号损耗，然后入射到光扰偏器12；经光扰偏器12入射到第三光隔离器13；经第三光隔离器13后，探测光入射到传感光纤14的一端，传感光纤14的另一端与光环行器17反射端连接；另一路泵浦光入射到第二偏振控制器15，经第二偏振控制器15入射到第二光放大器16，经第二光放大器16放大光信号后入射到光环行器17的入射端；相向传输的泵浦光与探测光在传感光纤14中的某一位置相遇，发生受激布里渊放大，产生干涉拍频信号，作用后的光信号经光环行器17进入第二可调谐光滤波器18滤出作用后的干涉拍频信号，最后将干涉拍频信号入射到光功率探测计19；通过对微波信号源8进行扫频设置及光功率探测计19采集的不同扫频下的功率值，得到探测光与泵浦光在传感光纤14某一位置的处的布里渊增益谱；由于布里渊频移量与温度或应变存在确定的线性关系，进而获得传感光纤14两束光相遇处的温度或应变信息；通过可变光延迟线10调节探测光的光程，使得探测整条光纤任意位置处的温度或应变信息。

具体实施时，光源由1455nm准连续波拉曼光纤激光器1和16km真波光纤3组成超连续谱光源，当泵浦功率达到0.95W时，会产生扩展到1550nm区域的光谱分量。当泵功率增加到1.48W时，产生的频谱带宽最大，即，在10dB范围内141nm，光谱带宽可达29.328THz；因为光谱线宽可调谐，根据公式 Lc=c/（πnΔf），Lc为激光信号的相干长度，相干长度与光谱宽度有关，而且空间分辨率又等于激光信号的相干长度。其中c= 3×10⁸m/s为光速，n= 1.5为光纤折射率，Δf为光谱的谱宽。经过第一可调谐光滤波器4滤波输出中心波长为1550nm，带宽为63.7GHz的激光时，空间分辨率可达1mm。光纤耦合器6的耦合比为80:20 。第一偏振控制器7和第二偏振控制器15采用三环型机械式光纤偏振控制器；高速电光调制器9采用AZ-DK5-20-FFU-SFU-LV-SRF1W型强度调制器；微波信号源8采用E×G-N5173B型微波信号源；可变光延迟线10采用ODG-101 高精度可编程光延迟线；第一光放大器11采用普通掺铒光纤放大器；光扰偏器12采用PCD-104型扰偏器；传感光纤14采用G652单模光纤或G655单模光纤，其长度为300km ；第二光纤放大器16采用普通掺铒光纤放大器；第二可调谐光滤波器18采用XTM-50 带宽波长可调型滤波器；光功率探测计19采用PM100D型探测计。

以上所述仅是对本发明的较佳实施实例而己，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施实例所做的任何简单修改、等同变化，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置，其特征在于：包括准连续波拉曼光纤激光器（1）、第一光隔离器（2）、真波光纤（3）、第一可调谐光滤波器（4）、第二光隔离器（5）、1×2光纤耦合器（6）、第一偏振控制器（7）、微波信号源（8）、高速电光调制器（9）、可变光延迟线（10）、第一光放大器（11）、光扰偏器（12）、第三光隔离器（13）、传感光纤（14）、第二偏振控制器（15）、第二光放大器（16）、光环行器（17）、第二可调谐光滤波器（18）、光功率探测计（19）；

其中，准连续波拉曼光纤激光器（1）的出射端与第一光隔离器（2）的入射端连接；第一光隔离器（2）的出射端通过单模光纤跳线与真波光纤（3）的入射端连接；真波光纤（3）的出射端通过单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器（4）的入射端连接；第一可调谐光滤波器（4）的出射端通过单模光纤跳线与第二光隔离器（5）的入射端连接；第二光隔离器（5）的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器（6）的入射端连接；

1×2光纤耦合器（6）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器（7）的入射端连接；第一偏振控制器（7）的出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器（9）的信号入射端连接；微波信号源（8）的射频出射端通过高频同轴电缆与高速电光调制器（9）的射频入射端连接；高速电光调制器（9）的信号出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（10）的入射端连接；可变光延迟线（10）的出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器（11）的入射端连接；第一光放大器（11）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（12）的入射端连接；光扰偏器（12）的出射端通过单模光纤跳线与第三光隔离器（13）的入射端连接；第三光隔离器（13）的出射端通过单模光纤跳线与传感光纤（14）一端连接；传感光纤（14）的另一端与光环行器（17）的反射端连接；

1×2光纤耦合器（6）的第二个出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器（15）的入射端连接；第二偏振控制器（15）的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（16）的入射端连接；第二光放大器（16）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（17）的入射端连接；光环行器（17）的出射端与第二可调谐光滤波器（18）的入射端连接；第二可调谐光滤波器（18）的出射端通过单模光纤跳线与光功率探测计（19）连接。

2.基于超连续谱的布里渊光相关域分析器的方法，该方法在如权利要求1所述的基于超连续谱的布里渊光相关域分析器装置中实现，其特征在于：该方法是采用下列步骤实现的：

准连续波拉曼光纤激光器（1）发出的激光信号顺次经过第一光隔离器（2）和真波光纤（3），该真波光纤（3）在1440nm处具有零色散波长，色散斜率为0.045ps/nm²/km；该激光信号在真波光纤（3）的反常色散状态下，通过调制不稳定性，受激拉曼散射和四波混频的结合，可以实现调制不稳定性和超连续谱光源的产生；准连续波拉曼光纤激光器（1）发出的激光信号经过真波光纤（3）后进入第一可调谐光滤波器（4）滤波，选择中心波长为1550nm激光信号，第一可调谐光滤波器（4）的激光信号经第二光隔离器（5）后进入1×2光纤耦合器（6）；1×2光纤耦合器（6）分为两路：第一路激光信号作为探测光信号，第二路激光信号作为泵浦光信号；探测光信号首先经过第一偏振控制器（7）改变光的偏振态；再经过高速电光调制器（9），并且被微波信号源（8）输出的正弦信号调制，使得探测光的频率偏移中心频率，接近布里渊频移，经高速电光调制器（9）移频后的光信号入射到可变光延迟线（10），并且通过可变光延迟线（10）调节探测光的光程，再入射到第一光放大器（11）；通过第一光放大器（11）对探测光进行放大，补偿可变光延迟线（10）引起的光信号损耗，然后入射到光扰偏器（12）；经光扰偏器（12）入射到第三光隔离器（13）；经第三光隔离器（13）后，探测光入射到传感光纤（14）的一端，传感光纤（14）的另一端与光环行器（17）反射端连接；另一路泵浦光入射到第二偏振控制器（15），经第二偏振控制器（15）入射到第二光放大器（16），经第二光放大器（16）放大光信号后入射到光环行器（17）的入射端；相向传输的泵浦光与探测光在传感光纤（14）中的某一位置相遇，发生受激布里渊放大，产生干涉拍频信号，作用后的光信号经光环行器（17）进入第二可调谐光滤波器（18）滤出作用后的干涉拍频信号，最后将干涉拍频信号入射到光功率探测计（19）；通过对微波信号源（8）进行扫频设置及光功率探测计（19）采集的不同扫频下的功率值，得到探测光与泵浦光在传感光纤（14）某一位置的处的布里渊增益谱；由于布里渊频移量与温度或应变存在确定的线性关系，进而获得传感光纤（14）两束光相遇处的温度或应变信息；通过可变光延迟线（10）调节探测光的光程，能够探测整条光纤任意位置处的温度或应变信息。

3.如权利要求2所述的基于超连续谱的布里渊光相关域分析器的方法，其特征在于：传感光纤（14）采用G652单模光纤或G655单模光纤，其长度为300km。

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