CN110243493B - 基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置及方法 - 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时域反射仪装置及方法。本发明基于超连续谱的BOTDR相干检测方法，大大的提高系统的信噪比；本发明引入一种新型超连续谱光源，光谱带宽可调，相干性好，可实现超高空间分辨率及超长探测距离的探测，空间分辨率可达毫米级。基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置具有单端性，而且当光纤上发生断裂时也能将其检测出来。本发明装置包括超连续谱光源、三个可调谐光滤波器、光隔离器、三个1×2光纤耦合器、偏振控制器、高速电光调制器、脉冲发生器、脉冲光放大器、光环行器、传感光纤、掺铒光纤放大器、光扰偏器、2×1光纤耦合器、三个光电探测器数据采集卡、计算机。

Description

基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置及方法

技术领域

本发明应用于分布式光纤传感检测领域，具体为一种基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置及方法，可进行高空间分辨率和长距离连续测量。

背景技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，其传感机理是当传感光纤所处环境发生变化时，会引起光纤中的折射率、泊松比发生变化来影响光纤中布里渊后向散射光的强度、频移变化，根据这些参数的变化能解调出沿传感光纤上的温度变量或应变量，实现信号的传感检测；所以利用布里渊散射光的功率和温度敏感特性，能够实现长距离、高精度的应变和温度检测。根据散射机理的不同可以分为：基于受激布里渊散射的光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)技术，基于自发布里渊散射的光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,BOTDR)技术。

由于BOTDA分布式光纤传感器的传感光纤需要双端注入，一旦传感光纤出现断点等故障，整套传感系统将不能工作。基于自发布里渊散射效应的BOTDR传感技术，是通过检测散射光与入射光之间的频率差，结合OTDR技术对接收到的后向散射信号进行定位实现分布式传感，除了具有其他光纤传感器的优点外，还因结构简单、单端接入、可检测断点等优势，受到广大研究者的关注；基于BOTDR的分布式光纤传感技术，由于其背向自发布里渊散射信号的频移和强度与温度和应变呈线性关系，在故障检测技术、桥梁结构及陆地石油管道的温度和应变监测以及海底和航天等多种实际应用领域有广泛的应用空间。

布里渊频移的获取主要有两种方法:直接检测和相干检测。

直接检测方法：这种方法使用高精度的光纤光栅、F-P干涉仪或Mach-Zehnder干涉仪对从传感光纤散射回来的后向散射光直接进行滤波，得到自发布里渊散射光，从中得到温度和应变信息。但是直接检测法的插入损耗一般较大，而且系统不稳定，测量精度有限。

相干检测方法：该方法是激光器发出连续光，由耦合器分为两路，其中一路作为参考光，另一路作为探测光，该探测光经过脉冲调制器调制成探测光脉冲，并经环形器送入传感光纤。传感光纤产生布里渊后向散射光，该散射光与参考光在耦合器中进行相干拍频，得出若干种不同频率的拍频光，由于光电探测器的频率响应率有限，只能响应频率低的拍频光，所以该探测器输出频率为布里渊频移的电信号，根据该信号的频率量就可以解调出传感光纤沿线的应变/温度信息。相比较直接检测方法，相干检测系统复杂，但是相干检测能有效提高检测效率，信噪比高。

传统的BOTDR系统通常采用单脉冲直接探测的方法，其空间分辨率和传输距离一般由脉冲的宽度决定。系统通常取脉冲宽度为10ns，对应空间分辨率为1米；为了提升系统的动态范围，一般选取较宽的脉冲，因为这样脉冲的能量充足，传感距离会增加，但是此刻的空间分辨率会下降，对高精度探测会出现盲区。如果系统想要增加空间分辨率，就要选用较窄的脉冲，这样脉冲的能量会下降，传感距离受限。因此，传统的BOTDR系统在空间分辨率和传感距离这两者上是一对矛盾。

科研人员为了改善BOTDR系统，调和空间分辨率和传感距离之间的矛盾，做出了大量的研究。一种基于SOA(Semiconductor Optical Amplifier)调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统(申请号为201621158868.5)中，探测连续光经量子点SOA，被调制生成探测脉冲光，量子点SOA输出的光信号即为探测脉冲光，在此过程中，通过调节FPGA脉冲发生装置输出的高低电平信号的脉宽和重复频率,即可调节量子点SOA输出的探测脉冲光的脉宽和重复频率，但是SOA量子点调制脉冲光受到调制速率的影响，所以空间分辨率也会受到限制。而且其输出功率增益有限，所探测距离受限。

2011年梁浩等人利用Gloay编码技术在BOTDR系统中20km光纤末端获得2m的空间分辨率。(梁浩,路元刚,李存磊,et al.基于相关序列脉冲的布里渊光时域反射测量系统解码方法研究[J].光学学报,2011,31(10).)；2014年，郝蕴琦等人使用相干检测方法，利用Simplex脉冲编码技术使BOTDR系统的信噪比增强了3.5dB(Hao Y Q,Ye Q,Pan Z Q,etal.Digital coherent detection research on Brillouin optical time domainreflectometry with simplex pulse codes[J].Chinese Physics B,2014,23(11):253-256.)。

基于Gloay和Simplex编码技术的BOTDR系统，在一定程度上可以解决空间分辨率和动态范围之间的矛盾，但Gloay和Simplex技术没有较好的峰平比(在正交频分复用技术中，一个符号内，连续信号瞬间功率峰值与信号功率平均值之比)，在实际工业应用中Gloay和Simplex技术在得到一组数据的时间和存储空间开销存在较大缺陷。而且自发布里渊受激阈值提高有限，动态范围提高受限。

发明内容

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置及方法。在布里渊光时域反射系统中，其背向自发布里渊散射信号十分微弱，受噪声影响较大，检测相对困难，本发明基于BOTDR系统信号的相干检测方法，大大的提高系统的信噪比；而且引入一种新型光源，超连续谱，光谱带宽可调，相干性好，可实现超高空间分辨率及超长探测距离的探测，空间分辨率可达毫米级，将超连续谱应用到分布式光纤传感系统中前景可观。基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置具有单端性，适用于大范围测量场合，而且当光纤上发生断裂时也能将其检测出来。

基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置，包括：超连续谱光源、第一可调谐光滤波器、光隔离器、1×2第一光纤耦合器、偏振控制器、高速电光调制器、脉冲发生器、脉冲光放大器、光环行器、传感光纤、掺铒光纤放大器、1×2第二光纤耦合器、第二可调谐光滤波器、第三可调谐光滤波器、光扰偏器、1×2第三光纤耦合器、2×1第四光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡、计算机；

其中，超连续谱光源的出射端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光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与1×2第一光纤耦合器的入射端连接；

1×2第一光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与偏振控制器入射端连接；偏振控制器出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器的入射端连接；高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与脉冲光放大器的入射端连接；脉冲发生器的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器的射频输入端连接；脉冲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；光环行器的反射端与传感光纤连接；光环行器的出射端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器的入射端连接；掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器的入射端连接；

1×2第二光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线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入射端通过单模光纤跳线与2×1第四光纤耦合器第二个入射端连接；2×1第四光纤耦合器出射端通过单模光纤跳线与第一光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡第二信号输入端连接；

1×2第二光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与第三可调谐光滤波器入射端连接；第三可调谐光滤波器通过单模光纤跳线第三光电探测器入射端连接；第三光电探测器通过单模光纤跳线与数据采集卡第三信号输入端连接；

1×2第一光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器的入射端相连接，光扰偏器的出射端与1×2第三光纤耦合器的入射端相连接，1×2第三光纤耦合器的第一出射端与2×1第四光纤耦合器第一个入射端连接，1×2第三光纤耦合器的第二出射端与与第二光电探测器入射端连接；第二光电探测器出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡第一信号输入端连接；数据采集卡信号输出端通过单模光纤跳线与计算机的信号输入端连接。

基于超连续谱的布里渊光时域反射仪方法，该方法在基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置中实现，该方法是采用如下步骤实现：

超连续谱光源发出的超连续谱光源信号首先经过第一可调谐光滤波器产生中心波长为1550nm的激光信号作为泵浦光源；激光信号经过光隔离器隔离输入1×2第一光纤耦合器分为两路：第一路90％信号首先经过偏振控制器，使激光信号达到最优偏振态；再经过高速电光调制器，并被脉冲发生器输出的脉冲信号调制，然后经脉冲光放大器放大后通过光环行器环行后进入传感光纤；第二路10％信号先经光扰偏器消除偏振态的影响，再经1×2第三光纤耦合器被分为两束；

1×2第一光纤耦合器的第二路信号被作为参考光被1×2第三光纤耦合器分束后，一路参考光与传感光纤中的布里渊后向散射光在2×1第四光纤耦合器中进行外差相干，正如步骤1所述，另一路作为参考光经第二光电探测器转换为电信号，再经数据采集卡采集后，输入到计算机中，作为与传感光纤中后向瑞利散射光做互相关实现布里渊温度与应变的定位；

该系统采用超连续谱光源作为泵浦光源，被脉冲调制的泵浦光信号在经传感光纤产生自发布里渊散射信号(SPBS)，脉冲发生器将泵浦光调制成光脉冲，光脉冲进入光纤产生自发布里渊散射信号，自发布里渊散射信号的传输方向是背向的，且光源频率与自发布里渊散射信号频率相差约为V_B。参考光V₀与脉冲光的自发布里渊散射信号在2×1第四光纤耦合器处相干；此时，自发布里渊散射信号经过第一光电探测器，第一光电探测器输出的电信号的频率就是自发布里渊散射的频移；然后自发布里渊散射信号通过数据采集卡进行数据采集和在计算机进行数据的处理并解调出沿线光纤上的温度或者应变信息；

泵浦光在传感光纤在产生自发布里渊散射信号的同时，也会产生后向瑞利散射光信号。当后向瑞利散射的泵浦光和自发布里渊散射信号从环行器的出射端输出后，再经掺铒光纤放大器、第三可调谐光滤波器放大、滤波后，经第三可调谐光滤波器滤出的后向瑞利散射泵浦光由第三光电探测器转换为电信号输入到数据采集卡中，1×2第三光纤耦合器第二路参考光由第二光电探测器转换为电信号输入到数据采集卡中。将采集到的数据输入到计算机中，将泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号进行互相关运算，即可确定出光纤温度或应变的位置信号。

与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置及方法的具有如下优点：

1.本发明创新性的利用超连续谱作为光源，应用于分布式光纤传感领域；超连续谱(Supercontinuum，SC)产生是指超短脉冲在介质(如光纤)中传输时由于介质的非线性效应而导致脉冲的光谱被极大加宽的现象。相比于脉冲激光或连续激光，超连续谱光谱宽度和中心频率可调，相干长度短，应用于布里渊光时域反射仪装置中，可实现与脉冲宽度无关的空间分辨率和超远距离测量。

2.一种基于SOA调制光脉冲的BOTDR分布式传感系统(申请号为201621158868.5)中，虽然该系统可以调节量子点SOA输出的探测脉冲光的脉宽和重复频率，在一定程度上提高了系统的空间分辨率，但是SOA量子点调制脉冲光受到调制速率的影响，所以空间分辨率也会受到限制。而且其输出功率增益有限，所探测距离受限。而本发明所使用的超连续谱的动态范围很大以及空间分辨率可调，理论上没有限制，所以轻易可达到毫米量级。

3.基于Gloay和Simplex编码技术的BOTDR系统，因没有较好的峰平比，在实际工业应用中Gloay和Simplex技术在得到一组数据的时间和存储空间开销存在较大缺陷。而且这两种技术自发布里渊受激阈值提高有限，动态范围提高受限。而本发明装置利用超连续谱相干法实现实时定位，相比较传统定位精度高，可以节省大量时间，解调运算更加准确。

附图说明

图1是本发明所述的基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置的结构示意图。

1-超连续谱光源、2-第一可调谐光滤波器、3-光隔离器、4-1×2第一光纤耦合器、5-偏振控制器、6-高速电光调制器、7-脉冲发生器、8-脉冲光放大器、9-光环行器、10-传感光纤、11-掺铒光纤放大器、12-1×2第二光纤耦合器、13-第二可调谐光滤波器、14-第三可调谐光滤波器、15-光扰偏器、16-1×2第三光纤耦合器、17-2×1第四光纤耦合器、18-第一光电探测器、19-第二光电探测器、20-第三光电探测器、21-数据采集卡、22-计算机。

具体实施方式

基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置，包括：超连续谱光源1、第一可调谐光滤波器2、光隔离器3、1×2第一光纤耦合器4、偏振控制器5、高速电光调制器6、脉冲发生器7、脉冲光放大器8、光环行器9、传感光纤10、掺铒光纤放大器11、1×2第二光纤耦合器12、第二可调谐光滤波器13、第三可调谐光滤波器14、光扰偏器15、1×2第三光纤耦合器16、2×1第四光纤耦合器17、第一光电探测器18、第二光电探测器19、第三光电探测器20、数据采集卡21、计算机22；

其中，超连续谱光源1的出射端与第一可调谐光滤波器2的入射端连接；第一可调谐光滤波器2的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器3的入射端连接；光隔离器3的出射端通过单模光纤跳线与1×2第一光纤耦合器4的入射端连接；

1×2第一光纤耦合器4的第一个出射端通过单模光纤跳线与偏振控制器5入射端连接；偏振控制器5出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器6的入射端连接；高速电光调制器6的出射端通过单模光纤跳线与脉冲光放大器8的入射端连接；脉冲发生器7的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器6的射频输入端连接；脉冲光放大器8的出射端通过单模光纤跳线与光环行器9的入射端连接；光环行器9的反射端与传感光纤10连接；光环行器9的出射端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器11的入射端连接；掺铒光纤放大器11的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器12的入射端连接；

1×2第二光纤耦合器12的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二可调谐光滤波器13的入射端连接；第二可调谐光滤波器13的入射端通过单模光纤跳线与2×1第四光纤耦合器17第二个入射端连接；2×1第四光纤耦合器17出射端通过单模光纤跳线与第一光电探测器18的入射端连接；第一光电探测器18的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡21第二信号输入端连接；

1×2第二光纤耦合器12的第二个出射端通过单模光纤跳线与第三可调谐光滤波器14入射端连接；第三可调谐光滤波器14通过单模光纤跳线第三光电探测器20入射端连接；第三光电探测器20通过单模光纤跳线与数据采集卡21第三信号输入端连接；

1×2第一光纤耦合器4的第二个出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器15的入射端相连接，光扰偏器15的出射端与1×2第三光纤耦合器16的入射端相连接，1×2第三光纤耦合器16的第一出射端与2×1第四光纤耦合器17第一个入射端连接，1×2第三光纤耦合器16的第二出射端与第二光电探测器19入射端连接；第二光电探测器19出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡21第一信号输入端连接；数据采集卡21信号输出端通过单模光纤跳线与计算机22的信号输入端连接；

基于超连续谱的布里渊光时域反射仪方法，该方法在基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置中实现，该方法是采用如下步骤实现：

超连续谱光源1发出的超连续谱光源信号首先经过第一可调谐光滤波器2产生中心波长为1550nm的激光信号作为泵浦光源；激光信号经过光隔离器3隔离输入1×2第一光纤耦合器4分为两路：第一路90％信号首先经过偏振控制器5，使激光信号达到最优偏振态；再经过高速电光调制器6，并被脉冲发生器7输出的脉冲信号调制，然后经脉冲光放大器8放大后通过光环行器9环行后进入传感光纤10；第二路10％信号先经光扰偏器15消除偏振态的影响，再经1×2第三光纤耦合器16被分为两束；

1×2第一光纤耦合器4的第二路信号被作为参考光被1×2第三光纤耦合器16分束后，一路参考光与传感光纤10中的布里渊后向散射光在2×1第四光纤耦合器17中进行外差相干，正如步骤1所述，另一路作为参考光经第二光电探测器19转换为电信号，再经数据采集卡21采集后，输入到计算机22中，作为与传感光纤10中后向瑞利散射光做互相关实现布里渊温度与应变的定位，；

该系统采用超连续谱光源作为泵浦光源，被脉冲调制的泵浦光信号在经传感光纤10产生自发布里渊散射信号(SPBS)，脉冲发生器7将泵浦光调制成光脉冲，光脉冲进入光纤产生自发布里渊散射信号，自发布里渊散射信号的传输方向是背向的，且光源频率与自发布里渊散射信号频率相差约为V_B。参考光V₀与脉冲光的自发布里渊散射信号在2×1第四光纤耦合器17处相干；此时，自发布里渊散射信号经过第一光电探测器18，第一光电探测器18输出的电信号的频率就是自发布里渊散射的频移；然后自发布里渊散射信号通过数据采集卡21进行数据采集和在计算机22进行数据的处理并解调出沿线光纤上的温度或者应变信息。

泵浦光在传感光纤10在产生自发布里渊散射信号同时，也会产生后向瑞利散射光信号。当后向瑞利散射的泵浦光和自发布里渊散射信号从环行器9的出射端输出后，再经掺铒光纤放大器11、第三可调谐光滤波器14放大、滤波后，经第三可调谐光滤波器14滤出的后向瑞利散射泵浦光由第三光电探测器20转换为电信号输入到数据采集卡21中，1×2第三光纤耦合器16第二路参考光由第二光电探测器19转换为电信号输入到数据采集卡21中。将采集到的数据输入到计算机22中，将泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号进行互相关运算，即可确定出光纤温度或应变的位置信号。

具体实施时，超连续谱光源1以锁模脉冲激光器输出的锁模光脉冲作为激光脉冲，微波信号源输出的正弦波信号作为射频信号。锁模光脉冲和正弦波信号分别经电光调制器的入射端和射频端口输入电光调制器。通过控制EOM的偏置电压即可实现激光脉冲信号对正弦射频信号的高质量调制。将激光脉冲经功率放大后注入到高非线性光纤中传输，其时域和频域演化不仅受自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等诸多非线性效应的影响，还受到光纤色散性质的影响。非线性和色散之间的相互作用而引起的调制不稳定性效应会导致光脉冲光谱展宽产生超连续谱。经过第一可调谐光滤波器2选择合适的滤波中心与滤波带宽对产生的超连续谱进行滤波。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＝3x10m/s为光速，n＝1.5为光纤折射率。经过第一可调谐光滤波器2滤波输出带宽为31.8GHz的激光时，空间分辨率可达2mm。

1×2第一光纤耦合器4的耦合比为90:10，其分为两路，1×2第一光纤耦合器4一路出射端发出的一路作为泵浦光，1×2第一光纤耦合器4另一路出射端发出的激光信号作为参考光。泵浦光经过偏振控制器5使光达到最大偏振态，再经高速电光调制器6被脉冲发生器7调制成脉冲光，脉冲发生器7采用HP 8015A型脉冲信号发生器，入射到光环行器9左侧入射端并从光环行器9的右侧反射端注入传感光纤10中。所采用的传感光纤10为单模光纤G652或者单模光纤G655，光纤距离可达300km的长度；脉冲光经过脉冲发生器7放大功率，可极大地提高传输距离，并能激发出较强的后向布里渊散射光。从传感光纤10后向散射回来的布里渊光信号从光环行器9的出射端输出，再经掺铒光纤放大器11放大后入射到1×2第二光纤耦合器12入射端。

1×2第一光纤耦合器4另一路出射端发出的激光信号经光扰偏器15，在此，光扰偏器15的作用是抑制光偏振态对传感系统的影响。再经1×2第三光纤耦合器16分束后，一路参考光与传感光纤10中的布里渊后向散射光在2×1第四光纤耦合器17中进行外差相干，然后自发布里渊散射信号通过数据采集卡21进行数据采集和在计算机22进行数据的处理并解调出沿线光纤上的温度或者应变信息，由于一般光纤产生的布里渊频移量在11GHz左右，故光电探测器的带宽要求大于11GHz；第一可调谐光滤波器2、第二可调谐光滤波器13、第三可调谐光滤波器14均采用XTM-50型波长和带宽可调谐光滤波器；另一路作为参考光经第二光电探测器19转换为电信号，第一光电探测器18、第二光电探测器19、第三光电探测器20均采用50G-Finisar-XPDV212OR型号；再经数据采集卡21采集后，输入到计算机22中，作为与传感光纤10中后向瑞利散射光做互相关实现布里渊温度与应变的定位。

相干检测原理

基于BOTDR的分布式光纤传感系统，基于相干检测是将泵浦光分为两路，其中一路作为参考光，另一路作为传感脉冲光，参考光与后向散射光拍频相干得到布里渊频移谱，解调该谱的中心频率就可以得知温度变量及应变量。

在进行传感的某一刻，光纤上距离起点x处返回的布里渊后向散射光，与激光器在t时刻产生的另一路本振参考光进行拍频相干，经光电探测器输出交流电流为

式中β是光电探测器响应度，单位为A/W,p_S(t)、p_L(t)分别为传感光纤上距起始点x处返回布里渊散射光和参考光的功率，ω_S、ω_L分别为传感光纤上x处的布里渊后向散射光和参考频光的频率，单位为Hz，

分别为传感光纤上x处布里渊散射光的相位和本振光的相位，单位为rad其中输出电流信号中含有频率为(ω_S-ω_L)成分的电信号，该电信号即是需要解调出的布里渊频移量。

将式(1)展开得公式(2)

在实际应用中，由于噪声比较小，假设

可推出式(2)中的

可以将公式(2)进一步简化得到公式

从(3)式中可以得到噪声电流

根据式(3)、(4)可以计算出探测信号功率P和噪声功率

分别如下式(5)、(6)。

上两式(5)、(6)中的R为光电探测器的跨阻。从(5)式中得知光电探测器输出的探测功率不但与散射光功率有关，还与参考光的功率p_L(t)具有一定关系，若要增大探测器的输出功率可以通过增大参考光的功率，进而提高有效信号的功率。

在忽略其他因素影响的情况下，以相位噪声作主要噪声源，信噪比SNR的定义公式如(7)

将式(5)、(6)同时代入式(7)中得相干探测系统的信噪比如下式(8)。

考虑到激光源线宽具有洛仑兹曲线函数特性，相位噪声的方差

可以表示为式

公式(9)中的Δλ为激光器线宽，本振光信号与传感光纤上x处散射光信号间的延时差

n为光纤折射率，c为真空中光速率。

将(9)式分别代入(8)得到下式(10)。

由(10)式可知，传感系统的信噪比与泵浦光源的线宽有一定关系，在选择泵浦光源时，需要考虑到光源线宽的大小，适合的线宽能得到较好的信噪比，对精度的提高具有一定影响，而本发明具有光谱带宽可调，完全可找到好的信噪比。

Claims (2)

1.基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置，其特征在于：包括超连续谱光源（1）、第一可调谐光滤波器（2）、光隔离器（3）、1×2第一光纤耦合器（4）、偏振控制器（5）、高速电光调制器（6）、脉冲发生器（7）、脉冲光放大器（8）、光环行器（9）、传感光纤（10）、掺铒光纤放大器（11）、1×2第二光纤耦合器（12）、第二可调谐光滤波器（13）、第三可调谐光滤波器（14）、光扰偏器（15）、1×2第三光纤耦合器（16）、2×1第四光纤耦合器（17）、第一光电探测器（18）、第二光电探测器（19）、第三光电探测器（20）、数据采集卡（21）、计算机（22）；

其中，超连续谱光源（1）的出射端与第一可调谐光滤波器（2）的入射端连接；第一可调谐光滤波器（2）的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器（3）的入射端连接；光隔离器（3）的出射端通过单模光纤跳线与1×2第一光纤耦合器（4）的入射端连接；

1×2第一光纤耦合器（4）的第一个出射端通过单模光纤跳线与偏振控制器（5）入射端连接；偏振控制器（5）出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器（6）的入射端连接；高速电光调制器（6）的出射端通过单模光纤跳线与脉冲光放大器（8）的入射端连接；脉冲发生器（7）的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器（6）的射频输入端连接；脉冲光放大器（8）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（9）的入射端连接；光环行器（9）的反射端与传感光纤（10）连接；光环行器（9）的出射端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器（11）的入射端连接；掺铒光纤放大器（11）的出射端通过单模光纤跳线与1×2第二光纤耦合器（12）的入射端连接；

1×2第二光纤耦合器（12）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第二可调谐光滤波器（13）的入射端连接；第二可调谐光滤波器（13）的入射端通过单模光纤跳线与2×1第四光纤耦合器（17）第二个入射端连接；2×1第四光纤耦合器（17）出射端通过单模光纤跳线与第一光电探测器（18）的入射端连接；第一光电探测器（18）的出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡（21）第二信号输入端连接；

1×2第二光纤耦合器（12）的第二个出射端通过单模光纤跳线与第三可调谐光滤波器（14）入射端连接；第三可调谐光滤波器（14）通过单模光纤跳线与第三光电探测器（20）入射端连接；第三光电探测器（20）通过单模光纤跳线与数据采集卡（21）第三信号输入端连接；

1×2第一光纤耦合器（4）的第二个出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（15）的入射端相连接，光扰偏器（15）的出射端与1×2第三光纤耦合器（16）的入射端相连接，1×2第三光纤耦合器（16）的第一出射端与2×1第四光纤耦合器（17）第一个入射端连接，1×2第三光纤耦合器（16）的第二出射端与第二光电探测器（19）入射端连接；第二光电探测器（19）出射端通过单模光纤跳线与数据采集卡（21）第一信号输入端连接；数据采集卡（21）信号输出端通过单模光纤跳线与计算机（22）的信号输入端连接。

2.基于超连续谱的布里渊光时域反射仪方法，该方法在如权利要求1所述的基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置中实现，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

超连续谱光源（1）发出的超连续谱光源信号首先经过第一可调谐光滤波器（2）产生中心波长为1550nm的激光信号作为泵浦光源；激光信号经过光隔离器（3）隔离输入1×2第一光纤耦合器（4）分为两路：第一路90%信号首先经过偏振控制器（5），使激光信号达到最优偏振态；再经过高速电光调制器（6），并被脉冲发生器（7）输出的脉冲信号调制，然后经脉冲光放大器（8）放大后通过光环行器（9）环行后进入传感光纤（10）；第二路10%信号先经光扰偏器（15）消除偏振态的影响，再经1×2第三光纤耦合器（16）被分为两束；

1×2第一光纤耦合器（4）的第二路信号被作为参考光被1×2第三光纤耦合器（16）分束后，一路参考光与传感光纤（10）中的布里渊后向散射光在2×1第四光纤耦合器（17）中进行外差相干，另一路作为参考光经第二光电探测器（19）转换为电信号，再经数据采集卡（21）采集后，输入到计算机（22）中，作为与传感光纤（10）中后向瑞利散射光做互相关实现布里渊温度与应变的定位；

该基于超连续谱的布里渊光时域反射仪装置采用超连续谱光源作为泵浦光源，被脉冲调制的泵浦光信号在经传感光纤（10）产生自发布里渊散射信号，脉冲发生器（7）将泵浦光调制成光脉冲，光脉冲进入光纤产生自发布里渊散射信号，自发布里渊散射信号的传输方向是背向的，且光源频率与自发布里渊散射信号频率相差近似为布里渊频移V_B；参考光信号与脉冲光的自发布里渊散射信号在2×1第四光纤耦合器（17）处相干；此时，自发布里渊散射信号经过第一光电探测器（18），第一光电探测器（18）输出的电信号的频率就是自发布里渊散射的频移；然后自发布里渊散射信号通过数据采集卡（21）进行数据采集和在计算机（22）进行数据的处理并解调出沿线光纤上的温度或者应变信息；

泵浦光在传感光纤（10）在产生自发布里渊散射信号的同时，也会产生后向瑞利散射光信号；当后向瑞利散射的泵浦光和自发布里渊散射信号从光环行器（9）的出射端输出后，再经掺铒光纤放大器（11）、第三可调谐光滤波器（14）放大、滤波后，经第三可调谐光滤波器（14）滤出的后向瑞利散射泵浦光由第三光电探测器（20）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中，1×2第三光纤耦合器（16）第二路参考光由第二光电探测器（19）转换为电信号输入到数据采集卡（21）中；将采集到的数据输入到计算机（22）中，将泵浦光后向瑞利散射信号与参考信号进行互相关运算，即可确定出光纤温度或应变的位置信号。

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