CN111307188B - 一种基于噪声调制的免扫频botda装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分布式光纤传感监测技术领域，公开了一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器；窄线宽激光器发出的激光经分光器分为两束，一束依次经电光调制器、第一环形器、掺铒光纤放大器、光扰偏器后进入传感光纤，另一束依次经脉冲光放大器、光带通滤波器、第二环形器后从另一端进入传感光纤，传感光纤的输出信号经第二环形器、线阵CCD式棱镜光谱仪后被计算机接收；噪声源和微波信号源输出的信号经合路器后与电光调制器的射频输入端连接，光纤布拉格光栅滤波器与第一环形器的反射端连接。本发明可以快速解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小，进而实现动态应变的实时测量，解决了传统BOTDA系统中平均和扫频过程耗时的问题。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感监测技术领域，具体涉及一种基于噪声调制的免扫频快速BOTDA装置。
背景技术
随着分布式光纤传感器在各大领域中的广泛应用，人们对传感器的测量性能提出了更高要求，例如，对快速动态应变的实时解调和测量，对超长距离温度或应变信息的高精度、快速监测等。目前，基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器主要有布里渊光时域分析传感器（BOTDA）和布里渊光相干域分析技术传感器（BOCDA）。其中，BOTDA传感器由于其测量距离长的优势成为一大研究热点，且发展相对成熟，但其在超长距离测量中采集数据量大，解调算法繁杂，导致耗时长；同时在快速动态应变的测量中，无法实现实时的传感和监测。考虑到传统BOTDA系统中，使用扫频法获得分布式布里渊增益谱，由于受限于电学调制信号的频率切换时间和切换步进，极大的延迟了采集时间（Diaz, S, FoalengMafang, S,Lopez-Amo, M,et al. A High-Performance Optical Time-Domain BrillouinDistributed Fiber Sensor. IEEE Sensors Journal, 8(7):1268-1272.）。研究人员提出了多种避免对探测光扫频的方法，例如基于光学啁啾链技术的免扫频快速BOTDA技术，其中将多个光学啁啾脉冲段首尾串联作为探测光，与泵浦光发生受激布里渊散射效应，每个啁啾脉冲段内均可产生一个布里渊增益谱，从而可以快速获取光纤沿线的布里渊频移（Dengwang Z, Yongkang D, Benzhang W,et al. Single-shot BOTDA based on anoptical chirp chain probe wave for distributed ultrafast measurement. Light:Science & Applications, 2018, 7(4):296-306.）；基于数学光频梳技术的免扫频BOTDA，将多个功率相等的频梳分量加载到探测光上，与泵浦光通过受激布里渊散射效应产生的变化可由每个频梳分量直接反映，因此可实现光纤布里渊频移的快速获取（Jin C, Guo N,Feng Y, et al. Scanning-free BOTDA based on ultra-fine digital opticalfrequency comb. Optics Express, 2015, 23(4):5277-5284.）。综上，以上两种实现免扫频的技术均是将探测光谱在时间域上进行展宽，在传感光纤中与单发的泵浦光发生受激布里渊散射效应产生一系列布里渊增益谱，进而实现沿线布里渊频移的快速提取，但其中对探测光的调制技术较为复杂。
发明内容
为了解决传统的BOTDA技术受频率切换、扫频个数等因素的限制，导致测量延迟且耗时长，无法实现快速动态应变的测量的问题，本发明提出了一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器、分光器、电光调制器、光纤布拉格光栅滤波器、第一光环行器、掺铒光纤放大器、光扰偏器、传感光纤、第二光环行器、合路器、噪声源、微波信号源、脉冲调制器、脉冲光放大器、光带通滤波器、线阵CCD式棱镜光谱仪、计算机；
窄线宽激光器的输出端与分光器的输入端连接；分光器的第一输出端与电光调制器的输入端连接；噪声源和微波信号源的输出端分别与合路器的输入端连接；合路器的输出端与高速电光调制器的射频输入端连接；电光调制器的输出端与第一光环行器的输入端连接；光纤布拉格光栅的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器的反射端连接；第一光环行器的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器的输入端连接；掺铒光纤放大器的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器的输入端连接；光扰偏器的输出端通过单模光纤跳线与传感光纤的输入端连接；传感光纤的输出端与第二光环行器的反射端连接；
分光器的第二输出端与脉冲调制器的输入端连接；脉冲调制器的输出端与脉冲光放大器的输入端连接；脉冲光放大器的输出端通过与光带通滤波器的输入端连接；光带通滤波器的输出端与第二光环行器的输入端连接；第二光环行器的输出端与线阵CCD式棱镜光谱仪的输入端连接；线阵CCD式棱镜光谱仪的输出端与计算机连接；其中脉冲调制器的触发输出端与计算机连接。
所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，还包括偏振控制器和偏压控制器，所述偏振控制器设置在分光器的第一输出端与电光调制器之间，用于调节进入电光调制器中的的探测光的偏振状态，使得探测光经过电光调制器后的输出光功率达到最大；所述偏压控制器的输出端与所述电光调制器的偏压输入端连接。
所述分光器为1x2光纤耦合器，所述窄线宽激光器、1x2光纤耦合器、偏振控制器、电光调制器与第一光环行器之间依次通过单模光纤跳线连接，1x2光纤耦合器、脉冲调制器、脉冲光放大器、光带通滤波器、第二光环行器、线阵CCD式棱镜光谱仪之间依次通过单模光纤跳线连接。
所述噪声源输出的噪声信号的频率范围为10.6GHz~10.8GHz。
所述脉冲调制器为程控可控脉冲调制器；所述计算机用于通过程序控制实现线阵CCD式棱镜光谱仪的数据采集过程与脉冲调制器触发同步。
所述计算机用于根据线阵CCD式棱镜光谱仪采集到的受激布里渊增益谱，实时解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小。
本发明提供的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置具有如下优点：
1.本发明利用合路器实现噪声信号对探测光的同步调制，将探测光谱在频域上进行展宽，在传感光纤中与单发的泵浦光发生受激布里渊效应时无需扫频就能产生一系列完整的布里渊增益谱，可以快速的提取出光纤沿线的布里渊频移，与传统BOTDA技术中使用扫频法测量分布式布里渊增益谱的方法相比，避免了电学调制信号的频率切换时间和切换步进限制，从而可以实现快速动态应变的测量，同时可以极大地提高长距离温度或应变的测量效率；
2.本发明通过合路器利用噪声信号对探测光进行同步调制，实现对光谱的展宽，与基于啁啾链的免扫频技术相比，避免了光学啁啾链调制中由于不同频率分量的振幅响应不均匀，会产生额外的噪声，进而提高测量精度；
3.本发明中利用特定频段噪声信号对探测光信号调制，产生的是连续的宽谱探测光，所以其空间分辨率不受频率梳间隔和FFT的时间窗的限制，与基于光频梳的免扫频技术相比，可极大的提高系统空间分辨率。
4.本发明相对于现有的免扫频技术，对探测光的调制机理上存在本质上的区别，现有技术中调制时是对探测光谱进行时间域上的展宽，而本发明是对探测光谱进行频域上的展宽。因此，现有的免扫频技术传感光纤某一位置的某一时刻泵浦光只与特定频率的探测光作用，而本发明中传感光纤某一位置的某一时刻泵浦光同时与特定频段的探测光作用，产生一系列完整的布里渊增益谱，从而极大缩减了整个待测光纤中的受激布里渊作用时间，实现更快的实时测量；同时由于调制技术简单，避免了现有免扫频技术中对探测光信号的复杂调制，简化了系统的复杂度。
5.本发明采用线阵CCD式棱镜光谱仪对放大的探测光信号进行探测，与普通扫描式（分时采集）光谱仪相比，由于内含棱镜色散系统，可将被测信号按波长顺序在空间上排列展开，再通过线阵CCD对该频段的信号进行同时采集，最后将整个光谱频段数据一次性地输入计算机，通过计算机对数据进行分析处理，极大提高了测量的速度和精度。
综上所述，本发明提出了一种基于噪声调制的免扫频快速BOTDA技术，在探测光进行正弦调制被移频的同时通过合路器实现特定频段噪声信号的同步调制，使得探测光谱在频域上被展宽，其与现有技术在调制原理上存在本质的区别。调制后的探测光在传感光纤中与单发的泵浦光发生受激布里渊效应产生一列布里渊增益谱，由于是在频域上的展宽，其受激布里渊散射过程更快。所以本发明一方面解决了传统BOTDA系统中扫频耗时的问题，可以实现快速布里渊频移提取，进而实现快速动态应变的测量；另一方面避免了对探测光信号的复杂调制技术，降低了系统的复杂度。本发明采用线阵CCD式棱镜光谱仪对放大的探测光信号进行探测，能够一次性获得较大带宽内的光谱信息，无需进行分时采集，节约了数据采集时间。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置的结构示意图。
图中，1：窄线宽激光器；2：1x2光纤耦合器；3：偏振控制器；5：电光调制器；6：光纤布拉格光栅滤波器；7：第一光环行器；8：掺铒光纤放大器；9：光扰偏器；10：传感光纤；11：第二光环行器；12：合路器13：噪声源；14：微波信号源；15：脉冲调制器；16：脉冲光放大器；17：光带通滤波器；18：线阵CCD式棱镜光谱仪；19：计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器1、1x2光纤耦合器2、光纤偏振控制器3、偏压控制器4、电光调制器5、光纤布拉格光栅滤波器6、第一光环行器7、掺铒光纤放大器8、光扰偏器9、传感光纤10、光环行器11、合路器12、噪声源13、微波信号源14、脉冲调制器15、脉冲光放大器16、光带通滤波器17、线阵CCD式棱镜光谱仪18、计算机19。
其中，窄线宽激光器1的输出端通过单模光纤跳线与1x2光纤耦合器2的输入端连接；1x2光纤耦合器2的第一输出端通过单模光纤跳线与光纤偏振控制器3的输入端连接；光纤偏振控制器3的输出端通过单模光纤与电光调制器5的输入端连接：偏压控制器4的输出端与高速电光调制器5的偏压接入端连接；噪声源13和微波信号源14的输出端分别与合路器12的输入端连接；合路器12的输出端与高速电光调制器5的射频输入端连接；高速电光调制器5的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器7的输入端连接；光纤布拉格光栅6的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器7的反射端连接；第一光环行器的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器8的输入端连接；掺铒光纤放大器8的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器9的输入端连接；光扰偏器9的输出端通过单模光纤跳线与传感光纤10的输入端连接；传感光纤10的输出端与第二光环行器11的反射端连接。
此外，1x2光纤耦合器2的第二输出端通过单模光纤跳线与脉冲调制器15的输入端连接；脉冲调制器的输出端15通过单模光纤跳线与脉冲光放大器16的输入端连接；脉冲光放大器16的输出端通过单模光纤跳线与光带通滤波器17的输入端连接；光带通滤波器17的输出端通过单模光纤跳线与第二光环行器11的输入端连接；第二光环行器11的输出端通过单模光纤跳线与线阵CCD式棱镜光谱仪18的输入端连接；线阵CCD式棱镜光谱仪18的输出端与计算机19连接；其中脉冲调制器15的触发输出端与计算机19连接。
其中，本实施例中，偏振控制器3设置在1x2光纤耦合器2的第一输出端与电光调制器5之间，用于调节进入电光调制器5中的的探测光的偏振状态，使得探测光经过电光调制器5后的输出光功率达到最大；所述偏压控制器4的输出端与所述电光调制器5的偏压输入端连接，用于调节电光调制器5的最佳工作点，光扰偏器9的作用在于减小探测光信号对偏振状态的依赖，提高信号的信噪比。
进一步地，本实施例中，偏振控制器3为光纤偏振控制器，电光调制器5为高速电光调制器，其调制速率为10Gb/s，窄线宽激光器1选用的是线宽为4KHz的DFB激光器。
进一步地，本实施例中，所述脉冲调制器15为程序可控脉冲调制器；所述计算机19用于通过程序控制实现线阵CCD式棱镜光谱仪18的数据采集过程与脉冲调制器15触发同步。合路器12用于将噪声源和微波信号源发出的两路不同频段的信号组合后再输出至电光调制器对探测光进行调制。其中，微波信号源14输出的正弦信号（中心频率约为10.8 GHz）对探测光信号的进行载波抑制和移频，噪声源13输出的噪声信号（带宽约200 MHz）实现对探测光信号在频域上的展宽，从而产生一个宽谱的探测光。在传感光纤10中，脉冲泵浦光与起止频率为10.6GHz-10.8GHz 的连续探测光发生受激布里渊散射作用，产生一系列完整的受激布里渊增益谱，从而可以快速的解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小，进而实现动态应变的实时测量。因此，本发明解决了传统BOTDA系统中平均和扫频过程耗时的问题。
进一步地，本实施例中，计算机19还用于根据线阵CCD式棱镜光谱仪18采集到的受激布里渊增益谱，实时解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小，进而实现动态应变的实时测量。
本发明实施例提供的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置的工作原理如下：
首先，窄线宽激光器1输出的激光经过光耦合器2分成两路；上支路为探测光路，下支路为泵浦光路。其中探测光路中，探测光经过光纤偏振控制器3进入高速电光调制器5，其中偏振控制器3的作用在于，调节进入高速电光调制器5的探测光偏振状态，使得其经过高速电光调制器5后的输出光功率达到最大，减小损耗。同时高速电光调制器5的最佳工作点由偏压控制器4进行控制，并被微波信号源12和噪声源13同时进行调制，微波信号源12输出的正弦信号使得探测光信号受到边带调制并产生频移，且频移量约为布里渊频移，噪声源13输出的噪声信号对边带调制后的探测光信号在频域上进行展宽，其中噪声信号的频率范围为10.6GHz-10.8GHz，再经过光纤布拉格光栅滤波器6，将其展宽后探测光的低频边带滤出，滤出的宽频斯托克斯光经第一光环行器7输出端输出，然后经掺铒光纤放大器8进行放大，最后经光扰偏器9进入传感光纤10的一端，其中光扰偏器9的作用在于减小探测光信号对偏振状态的依赖，提高信号的信号比；
其次，泵浦光路中，泵浦光经脉冲调制器15，将泵浦光调制成脉冲光信号，然后经脉冲光放大器16将泵浦光脉冲信号进行放大，再经过光带通滤波器17滤除因脉冲光放大器16放大产生的噪声，最后经第二光环行器11进入传感光纤10的另一端；
然后，在频域上进行展宽的探测光和脉冲泵浦光在传感光纤10中发生受激布里渊散射作用，被放大的探测光信号经第二光环行器11的输出端输出，然后进入线阵CCD式棱镜光谱仪18进行数据的采集，线阵CCD式棱镜光谱仪18采集到的数据传入计算机19进行处理，从而获得相应温度或应变的大小和位置信息。同时计算机19对数据的存储和采集通过程序控制实现与脉冲调制器15触发同步，其中脉冲调制器15是程序可控的。
本发明提出了一种基于噪声调制的免扫频快速BOTDA装置，在探测光进行正弦调制被移频的同时通过合路器实现特定频段噪声信号的同步调制，使得探测光谱在频域上被展宽，调制后的探测光在传感光纤中与单发的泵浦光发生受激布里渊效应产生一列布里渊增益谱，由于是在频域上的展宽，其受激布里渊散射过程更快。因此，本发明一方面解决了传统BOTDA系统中扫频耗时的问题，可以实现快速布里渊频移提取，进而实现快速动态应变的测量；另一方面避免了对探测光信号的复杂调制技术，降低了系统的复杂度。本发明采用线阵CCD式棱镜光谱仪对放大的探测光信号进行探测，能够一次性获得较大带宽内的光谱信息，无需进行分时采集，节约了数据采集时间。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，包括窄线宽激光器（1）、分光器、电光调制器（5）、光纤布拉格光栅滤波器（6）、第一光环行器（7）、掺铒光纤放大器（8）、光扰偏器（9）、传感光纤（10）、第二光环行器（11）、合路器（12）、噪声源（13）、微波信号源（14）、脉冲调制器（15）、脉冲光放大器（16）、光带通滤波器（17）、线阵CCD式棱镜光谱仪（18）、计算机（19）；
窄线宽激光器（1）的输出端与分光器的输入端连接；分光器的第一输出端与电光调制器（5）的输入端连接；噪声源（13）和微波信号源（14）的输出端分别与合路器（12）的输入端连接；合路器（12）的输出端与电光调制器（5）的射频输入端连接；电光调制器（5）的输出端与第一光环行器（7）的输入端连接；光纤布拉格光栅滤波器（6）的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器（7）的反射端连接；第一光环行器的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器（8）的输入端连接；掺铒光纤放大器（8）的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器（9）的输入端连接；光扰偏器（9）的输出端通过单模光纤跳线与传感光纤（10）的输入端连接；传感光纤（10）的输出端与第二光环行器（11）的反射端连接；
分光器的第二输出端与脉冲调制器（15）的输入端连接；脉冲调制器（15）的输出端与脉冲光放大器（16）的输入端连接；脉冲光放大器（16）的输出端通过与光带通滤波器（17）的输入端连接；光带通滤波器（17）的输出端与第二光环行器（11）的输入端连接；第二光环行器（11）的输出端与线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的输入端连接；线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的输出端与计算机（19）连接；其中脉冲调制器（15）的触发输出端与计算机（19）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，还包括偏振控制器（3）和偏压控制器（4），所述偏振控制器（3）设置在分光器的第一输出端与电光调制器（5）之间，用于调节进入电光调制器（5）中的探测光的偏振状态，使得探测光经过电光调制器（5）后的输出光功率达到最大；所述偏压控制器（4）的输出端与所述电光调制器（5）的偏压输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，所述分光器为1x2光纤耦合器（2），所述窄线宽激光器（1）、1x2光纤耦合器（2）、偏振控制器（3）、电光调制器（5）与第一光环行器（7）之间依次通过单模光纤跳线连接，1x2光纤耦合器（2）、脉冲调制器（15）、脉冲光放大器（16）、光带通滤波器（17）、第二光环行器（11）、线阵CCD式棱镜光谱仪（18）之间依次通过单模光纤跳线连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，所述噪声源（13）输出的噪声信号的频率范围为10.6GHz~10.8GHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，所述脉冲调制器（15）为程控可控脉冲调制器；所述计算机（19）用于通过程序控制实现线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的数据采集过程与脉冲调制器（15）触发同步。
6.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，所述计算机（19）用于根据线阵CCD式棱镜光谱仪（18）采集到的受激布里渊增益谱，实时解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小。
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