CN111637910B - 时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感领域，公开了一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置及方法。装置包括激光器，所述激光器发出的激光经马赫曾德尔调制器调制为周期小于激光器外腔时延的混沌激光后，经所述分束器分为两束光，一束作为探测光，依次经单边带调制器、掺铒光纤放大器后从传感光纤的一端进入；另一束作为泵浦光，依次经半导体光放大器、脉冲光放大器、光环形器后从传感光纤的另一端进入；从传感光纤另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器滤除斯托克斯光后被所述光电探测器探测，探测信号由数据采集单元采集，然后发送至计算机进行数据处理。本发明可有效抑制光纤沿线噪声，实现长距离和高空间分辨率兼顾的高速实时分布式应变监测。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置及方法。
背景技术
随着现代信息技术的蓬勃发展，基于数据、图像和各种传感信号等信息的需求量逐步增加。传感技术被视为现代信息技术中的第三大高新技术，而光纤传感技术作为传感网络的重要一环得到了长足的发展。分布式光纤传感技术由于可实现恶劣环境下温度、应变等多参量的长距离、高精度、强抗干扰测量而成为研究热点，在大型结构健康监测、交通运输、安全系统和光纤通信等领域应用广泛。实现温度或应变等参量的高速实时测量成为分布式光纤传感的一个重要挑战。
目前，研究人员通过在布里渊光相干域分析（BOCDA）系统中结合时域数据处理来同时测量沿传感光纤上多个相关峰位置处的布里渊增益谱，实现分布式应变测量。例如：基于正弦调制结合时域数据处理的布里渊光相干域分析技术（Ryu G, et al. ,J.LightwaveTechnol. 2017, 35(24): 5311-5316,），基于Golomb码相位调制结合时域数据处理的布里渊光相干域分析技术（EloozD,et al.,Opt.Express 2014,22(6):6453-6463,）以及基于双脉冲对的布里渊光相干域分析技术（ShlomiO,etal.,Opt.Express 2016,24(23): 26867-26876,），该类技术都是将泵浦光调制成脉冲，而探测光是连续光。当泵浦脉冲沿着传感光纤传播时，泵浦光和探测光在不同位置的相关峰处顺序地相互作用，因此可以通过分析探测光的时序来获得不同相关峰处的布里渊增益，实现同时访问多个相关峰，有效地减少了相关峰扫描次数和数据采集时间。然而，无论是频率调制还是相位调制的BOCDA系统，实验装置中都需要光延迟线来选择相关峰的阶数以实现沿光纤的分布式测量，系统复杂度较高，而且存在温度变化时由光延迟线引起的传感位置偏移；此外，通过扫描探测光频率来解调布里渊增益谱，过程比较耗时，难以实现高速实时的应变测量。
传统的布里渊光时域/相干域传感技术通过扫描探测光频率来解调布里渊增益谱，提取布里渊频移，实现分布式应变测量。为实现高速测量，使用斜率辅助的布里渊光时域分析技术，布里渊频移的变化会实时转化为探测光功率的变化，不需要对整个布里渊增益谱进行频率扫描，但是动态范围取决于增益谱线性区范围导致测量范围有限。为获得更宽的布里渊增益谱和更快的扫描速度，提出了双斜率辅助的布里渊光时域分析技术（MotilA , et al.,IEEEPhotonicsTechnol.Lett 2014, 26(8):797-800,），大大增加了系统的复杂度和成本，且布里渊光时域系统利用光脉冲进行应变的定位，单次测量便可实现整个光纤沿线信息的提取，然而空间分辨率受声子寿命（10ns）影响难以突破1米。相比之下布里渊光相干域分析技术利用连续光进行应变测量，空间分辨率可达厘米量级。例如：基于双斜率辅助的布里渊光相干域分析技术（B. Wang, et al., J. Lightwave Technol. 2019, 37(18): 4573-4583,）。然而，这些技术都是受激布里渊相互作用在多个声子寿命中达到稳态后对输出信号波进行测量，测量的是平均功率，且需要提前得到参考布里渊增益谱。
此外，现有技术中，例如一种混沌布里渊光时域/相干域融合分析装置及方法（中国发明专利，ZL201710848003.4），基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法（中国发明专利，ZL201810408414.6），采用传统混沌激光作为光源（具有弱周期），传感光纤中仅存在唯一相关峰，只能实现光纤中的单点定位及测量，若要实现分布式测量则需要通过光延迟线控制单个相关峰扫描整个光纤，此过程相当耗时，难以实现高速的分布式应变测量。此外，时序信号的弱周期会在中心相关峰附近引入时延旁瓣峰，导致光纤中延迟时间相应位置激发产生周期性的本征布里渊增益（非峰值放大），这种非峰值放大产生了额外的噪声机制，降低了布里渊光相干域分析系统的传感性能，限制了传感距离的提高。
因此，有必要提出一种新的布里渊分布式应变测量技术，实现长监测距离与高空间分辨率兼顾的高速实时测量，解决布里渊光相干域分析系统中需要使用光延迟线的问题，同时免除费时的扫频过程。
发明内容
为解决现有光纤传感技术无法实现多点同时监测与快速信息解调兼顾的问题，本发明提供了一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，包括激光器、马赫曾德尔调制器、分束器、单边带调制器、掺铒光纤放大器、半导体光放大器、脉冲光放大器、可调谐光滤波器、光电探测器、数据采集单元、计算机。
所述激光器发出的激光经马赫曾德尔调制器调制为周期T小于混沌外腔时延τ d 的混沌激光后，经所述分束器分为两束光，一束作为探测光，依次经单边带调制器、掺铒光纤放大器后从传感光纤的一端进入；另一束作为泵浦光，依次经半导体光放大器、脉冲光放大器、光环形器后从传感光纤的另一端进入；从传感光纤另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器滤除斯托克斯光后被所述光电探测器探测，探测信号由数据采集单元采集，然后发送至计算机进行数据处理；
所述单边带调制器用于对探测光进行调制，产生频率下移量等于传感光纤中布里渊频移量的探测光；所述半导体光放大器将泵浦光调制成脉宽等于混沌激光周期T的脉冲光信号，所述半导体光放大器还用于调节脉冲光信号的脉冲延迟时间。
所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，还包括高速可编程信号发生器，所述高速可编程信号发生器用于采集T时间内的混沌时序以实现混沌复制，用产生的周期性电混沌信号驱动马赫曾德尔调制器将激光器的输出激光调制为周期为T小于激光器外腔时延τ d 的混沌激光。
所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，还包括脉冲信号发生器和高频微波信号源，所述脉冲信号发生器用于驱动所述半导体光放大器，所述高频微波信号源用于驱动所述单边带调制器。
所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，还包括光扰偏器、光隔离器和光环行器，所述光扰偏器和光隔离器设置在掺铒光纤放大器和传感光纤的一端之间；所述光环行器的第一端口与脉冲光放大器的输出端连接，第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口输出信号经所述可调谐光滤波器入射至光电探测器。
所述分束器为1×2光纤耦合器，所述马赫曾德尔调制器的输出端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端通过单模光纤跳线与单边带调制器的输入端连接；单边带调制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光隔离器的输入端连接；光隔离器的输出端与传感光纤一端连接；
1×2光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器的输入端连接；半导体光放大器的输出端通过单模光纤跳线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单模光纤跳线与光环行器的第一端口端连接；光环行器的第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器的输入端连接；可调谐光滤波器的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器的输入端连接。
所述脉冲信号发生器的型号为Agilent-81150A，所述半导体光放大器为OAM-SOA-PL型高消光比半导体光放大器，传感光纤采用G652单模光纤或G655单模光纤，所述激光器为线宽小于1MHz的窄线宽激光器。
本发明还提供了一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测方法，采用所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过数据采集单元采集输出信号的时序，然后改变泵浦脉冲光与探测光之间的频率差，再次采集输出信号的时序；
S2、通过计算机对采集的时序进行处理，计算每个时序信号的瞬时增益系数I(t ´)，然后将两次的瞬时增益系数分别与参考函数进行互相关运算；将两次互相关运算得到的最大互相关值对应的ΔΩ值提取出来；通过两次的ΔΩ值与对应的Ω值，进行计算消除符号歧义后得到布里渊频移量ΩB；其中，Ω表示泵浦脉冲光和探测光的频率差，ΔΩ表示光纤布里渊频移和受激声波频率之间的差；
S3、利用步骤S2得到的布里渊频移量与应变之间的线性关系，获得传感光纤中的应变信息；
S4、通过半导体光放大器改变脉冲光信号的脉冲延迟时间，对泵浦光和探测光的光程差进行调节，使产生的多重相关峰在传感光纤范围内扫描ΔL/Δl次，使脉冲光依次激发各个相关峰处的受激布里渊散射，重复步骤S1~S3，实现传感光纤沿线的探测和定位，ΔL表示相邻相关峰的间隔，所述Δl表示相关峰的半高全宽。
所述参考函数的计算公式为：
其中，g(t´,ΔΩ)表示参考函数，t´≡(t–L)/ν g ，ГB布里渊增益线宽，t表示时间，L表示传感光纤长度，ν g 表示光纤中光的群速度；
所述步骤S2中，消除符号歧义的具体方法为：将两次最大互相关值对应的ΔΩ值分别取正负，得到4个布里渊频移量ΩB的值，然后，将其中ΔΩ值对应的最接近的两个布里渊频移量值作为最终得到的布里渊频移量。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置及方法，通过将窄线宽激光调制成周期性的混沌激光，可在光纤中激发出多个相关峰，相关峰的扫描次数决定于相关峰的间隔，而不是光纤长度L，扫描次数不会因传感光纤长度的增加而增加，可实现长距离高速实时应变监测。另外，相关峰宽度（即空间分辨率）不随位置偏移而恶化。
2、本发明提供的时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置及方法，利用脉冲泵浦光对多个相关峰进行时间上的分离。通过脉冲飞行时间确定传感位置，最终实现多点的同时监测。调节脉冲延迟时间τ，扫描相关峰在相邻相关峰间隔ΔL中的位置，即可实现高速精确的分布式测量；本发明通过使用脉宽τ pulse 等于混沌激光信号的周期T，同时小于混沌外腔时延τ d 的脉冲信号激发受激布里渊散射，则可以避免相邻相关峰之间布里渊增益信息的串扰（增益串扰发生在τ pulse >T），同时泵浦光和探测光之间相关性的强度最强（与τ pulse <T相比），因此，本发明将非峰值放大限制在调制脉冲的空间范围，可有效抑制光纤沿线非零噪声基底对系统信噪比的恶化，实现长距离传感。
3、本发明中，受激布里渊散射被限制在极窄的相关峰内，系统空间分辨率由相关峰的半高全宽确定，可达毫米量级。此外，在受激布里渊相互作用的瞬态建立过程中，对输出信号进行瞬态分析来提取布里渊频移，利用的是输出信号的瞬时功率。测量时只需要在泵浦波和探测波之间的任意两个频率偏移处采集一对输出信号时序，不需要扫频，也不需要提前得到参考布里渊增益谱，而且布里渊频移的测量范围不受限，可实现高速实时的应变测量。与单次测量的稳态分析相比，瞬态分析中布里渊频移测量的精确度更高。
附图说明
图1表示本发明实施例提供的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置的结构示意图；
图中：1-窄线宽DFB激光器、2-马赫曾德尔调制器、3-高速可编程信号发生器、4-1×2光纤耦合器、5-单边带调制器、6-高频微波信号源、7-掺铒光纤放大器、8-光扰偏器、9-光隔离器、10-半导体光放大器、11-脉冲信号发生器、12-脉冲光放大器、13-光环行器、14-传感光纤、15-可调谐光滤波器、16-光电探测器、17-数据采集模块、18-计算机。
图2表示传感光纤中激发的多重相关峰示意图；
图3表示传感光纤中输出探测光的时序图。
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做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时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，包括激光器1、马赫曾德尔调制器2、分束器4、单边带调制器5、掺铒光纤放大器7、半导体光放大器10、脉冲光放大器12、可调谐光滤波器15、光电探测器16、数据采集单元17、计算机18；所述激光器1发出的激光经马赫曾德尔调制器2调制为周期T小于激光器外腔时延τ d 的混沌激光后，经所述分束器4分为两束光，一束作为探测光，依次经单边带调制器5进行频率调制产生频率下移的探测光，然后经掺铒光纤放大器7对调制后的光信号进行放大，以补偿由于调制造成的光功率损耗；然后探测光从传感光纤14的一端进入；另一束作为泵浦光，依次经半导体光放大器10、脉冲光放大器12、光环形器13后从传感光纤14的另一端进入；从传感光纤14另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器15滤除斯托克斯光后被所述光电探测器16探测，探测信号由数据采集单元17采集，然后发送至计算机18进行数据处理；所述单边带调制器5用于对探测光进行调制，产生频率下移量等于传感光纤中布里渊频移量的探测光；所述半导体光放大器10将泵浦光调制成脉宽等于混沌激光周期T的脉冲光信号，所述半导体光+放大器10还用于调节脉冲光信号的脉冲延迟时间。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，还包括高速可编程信号发生器3，所述高速可编程信号发生器3用于采集T时间内的混沌时序以实现混沌复制，用产生的周期性电混沌信号驱动马赫曾德尔调制器2将激光器1的输出激光调制为周期为T小于激光器外腔时延τ d 的混沌激光。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，还包括脉冲信号发生器11和高频微波信号源6，所述脉冲信号发生器11用于驱动所述半导体光放大器10，所述高频微波信号源6用于驱动所述单边带调制器5。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，还包括光扰偏器8、光隔离器9和光环行器13，所述光扰偏器8和光隔离器9设置在掺铒光纤放大器7和传感光纤14的一端之间；所述光环行器13的第一端口与脉冲光放大器12的输出端连接，第二端口与传感光纤14的另一端连接，第三端口输出信号经所述可调谐光滤波器15入射至光电探测器16。其中，光扰偏器8用于降低布里渊增益的偏振敏感现象，抑制由偏振引起的增益波动，光隔离器9用于隔离激光避免其返回掺铒光纤放大器7。
具体地，本实施例中，所述分束器4为1×2光纤耦合器，所述马赫曾德尔调制器2的输出端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端通过单模光纤跳线与单边带调制器5的输入端连接；单边带调制器5的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器7的输入端连接；掺铒光纤放大器7的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器8的输入端连接；光扰偏器8的输出端通过单模光纤跳线与光隔离器9的输入端连接；光隔离器9的输出端与传感光纤14一端连接；1×2光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器10的输入端连接；半导体光放大器10的输出端通过单模光纤跳线与脉冲光放大器12的输入端连接：脉冲光放大器12的输出端通过单模光纤跳线与光环行器13的第一端口端连接；光环行器13的第二端口与传感光纤14的另一端连接，第三端口通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器15的输入端连接；可调谐光滤波器15的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器16的输入端连接。通过光纤跳线连接，可以使装置的结构更加稳定和易于调试。
具体地，本实施例中，所述脉冲信号发生器11的型号为Agilent-81150A，所述半导体光放大器10为OAM-SOA-PL型高消光比半导体光放大器，传感光纤14采用G652单模光纤或G655单模光纤。数据采集模块17可以为示波器，其触发端子与脉冲信号发生器11的第二射频信号输出端连接，所述激光器1为线宽小于1MHz的窄线宽DFB激光器。
具体地，本实施例的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置的工作原理如下。
1、激光器1输出波长为1550nm，中心频率为ν 0 的窄线宽激光入射到马赫曾德尔调制器2中。使用高速可编程信号发生器3采集T（T<τ d ，τ d 为混沌外腔时延）时刻内的混沌时序以实现混沌复制，用产生的周期性电混沌信号驱动马赫曾德尔调制器2将传统窄线宽激光调制为周期为T的混沌激光。周期性混沌激光入射到1×2光纤耦合器，通过1×2光纤耦合器分为两路，一路作为探测光，另一路作为泵浦光。使用单边带调制器5对探测路光信号进行调制，产生频率下移的探测光，频率为ν 0 -ν B ，其中ν B 为布里渊频移量，对于普通单模光纤其值约为11GHz。单边带调制器5由一个高频微波信号源6进行驱动，该信号源可输出频率范围为9 kHz~13GHz，幅度范围为-20~19dBm的正弦信号。使用掺铒光纤放大器7对调制后的光信号进行放大，以补偿由于调制造成的光功率损耗。放大后的光信号经过光扰偏器8、光隔离器9入射到传感光纤14中，这里传感光纤14采用G652单模光纤或G655单模光纤。
2、本实施例使用由Agilent-81150A型脉冲信号发生器11驱动OAM-SOA-PL型高消光比半导体光放大器10对泵浦路光信号进行脉冲调制。调制的目的在于将连续激光调制成脉冲激光，进而实现多重相关峰的时间分离，保证应变信息的多点快速定位和实时监测，同时脉冲泵浦光的脉冲宽度τ pulse = T <τ d ，避免相邻相关峰之间信息的串扰，且能够有效防止中心相关峰之外的非峰值放大和光纤沿线噪声积累，提高系统的传感距离。调制后的泵浦脉冲光由脉冲光放大器12放大至适当水平后入射至传感光纤的以激发受激布里渊散射效应。然后，经光环行器13入射到传感光纤14中与探测光在传感光纤14中相遇并发生受激布里渊散射。
3、相向传输的混沌探测光与泵浦脉冲光在传感光纤中的某一位置处相遇，利用混沌信号的周期性可在光纤中激发出多重相关峰，如图2所示，相邻相关峰间隔为ΔL，相关峰半高全宽为Δl，其表达式分别为：
其中T为混沌信号周期，其大小由高速可编程信号发生器决定,满足T<τ d ，τ d 为混沌外腔时延；ν g 为光纤中光的群速度。式（1）表明通过调节混沌信号的周期T，便可控制相关峰间隔；对于光纤沿线的分布式测量，相关峰扫描次数为N，可由公式（2）表示：
其中Δl为相关峰的半高全宽，其值与混沌带宽成反比，等于自相关函数的半高全宽。可见，本申请中，相关峰的扫描次数决定于相关峰的间隔，而不是光纤长度L，扫描次数不会因传感光纤长度的增加而增加，可实现长距离高速实时应变监测。另外，相关峰宽度（即空间分辨率）不随位置偏移而恶化。
一个混沌泵浦脉冲从位置z = 0处入射到长为L的传感光纤中，探测光从位置z =L处以相反方向入射，认为传感光纤具有恒定的布里渊频移ΩB = 2πν B 。泵浦光和探测光的频率差表示为Ω = 2πν。布里渊增益线宽表示为ГB ≈ 2π∙30MHz。t表示时间，令t´≡(t–L)/ν g ，A s (z,t´)表示探测光的幅度，因此输出探测光的瞬时功率表示为：
|A s (z = 0,t´)|2 = |A s0 |2exp[g(t´,ΔΩ)|A p0 |2 L]；（3）
其中，A s0 和A p0 分别表示探测光和泵浦光的平均幅度。
输出探测光的参考函数g(t´,ΔΩ)由光纤布里渊频移和受激声波频率之间的差ΔΩ = ΩB–Ω决定，即：
式中，g s (ΔΩ)表示稳态增益系数。泵浦光和探测光频率之间的差设置为任意的Ω ≈ ΩB，并测量输出信号的瞬时增益系数：
当t´>>τ p （声子寿命）时，瞬时增益系数接近g s (ΔΩ)。测得的时序与由公式（4）计算的参考函数库g j (t´,Ω j – Ω)互相关，{Ω j }是布里渊频移的一组估计值。每个Ω j 对应最大的互相关值：
式中符号*表示互相关运算。布里渊频移ΩB被认为是C j (Ω j )最大时对应的Ω j 的值。因此，本申请的测量装置无需扫频，通过计算机对测得的输出信号时序进行互相关运算，就可以得到未知的布里渊频移。由于g(t´,ΔΩ)对所有t´来说是关于ΔΩ的偶函数，因此需要进行两次测量（选择不同的Ω）以消除符号歧义（关于坐标轴中心对称的正负ΔΩ对应相等的g(t´,ΔΩ)）。与单次测量的稳态分析相比，瞬态分析中布里渊频移测量的精确度更高。
基于上述原理，本发明还提供了一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测方法，采用图1所示的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过数据采集单元（17）采集输出信号的时序，然后改变泵浦脉冲光与探测光之间的频率差，再次采集输出信号的时序。
S2、通过计算机（18）对采集的时序进行处理，计算每个时序信号的瞬时增益系数I(t´)，然后将两次的瞬时增益系数分别与参考函数进行互相关运算；将两次互相关运算得到的最大互相关值对应的ΔΩ值提取出来；通过两次的ΔΩ值与对应的Ω值，进行计算消除符号歧义后得到布里渊频移量ΩB；其中，Ω表示泵浦脉冲光和探测光的频率差，ΔΩ表示光纤布里渊频移和受激声波频率之间的差。
所述参考函数的计算公式为上述（4）式。且有：
ΔΩ = ΩB–Ω。（7）
因此，消除符号歧义的具体方法为：将两次最大互相关值对应的ΔΩ值分别取正负，通过（7）式可以得到4个布里渊频移量ΩB的值，然后，将其中ΔΩ值对应的最接近的两个布里渊频移量值作为最终得到的布里渊频移量。
S3、利用步骤S2得到的布里渊频移量与应变之间的线性关系，获得传感光纤中的应变信息。
S4、通过半导体光放大器（10）改变脉冲光信号的脉冲延迟时间，对泵浦光和探测光的光程差进行调节，使产生的多重相关峰在传感光纤范围内扫描ΔL/Δl次，使脉冲光依次激发各个相关峰处的受激布里渊散射，重复步骤S1~S3，实现传感光纤沿线的探测和定位，ΔL表示相邻相关峰的间隔，所述Δl表示相关峰的半高全宽。
本实施例中，用泵浦路上的脉冲信号发生器11调节脉冲延迟时间τ，对泵浦光和探测光的光程差进行调节，使产生的多重相关峰在传感光纤范围内扫描ΔL/Δl次，即可实现传感光纤沿线的快速探测和精准定位。另外，系统空间分辨率由Δl决定，混沌激光的宽带特性保证了毫米量级的超高空间分辨率，且多重相关峰的应用以及泵浦光的时间门控作用可有效抑制光纤沿线噪声，提高测量信噪比，最终使得传感距离增加，实现长距离和高空间分辨率兼顾的高速实时分布式应变监测。
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 (9)
1.一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，包括激光器（1）、马赫曾德尔调制器（2）、分束器（4）、单边带调制器（5）、掺铒光纤放大器（7）、半导体光放大器（10）、脉冲光放大器（12）、可调谐光滤波器（15）、光电探测器（16）、数据采集单元（17）、计算机（18），
所述激光器（1）发出的激光经马赫曾德尔调制器（2）调制为周期T小于混沌外腔时延τ d 的混沌激光后，经所述分束器（4）分为两束光，一束作为探测光，依次经单边带调制器（5）、掺铒光纤放大器（7）后从传感光纤（14）的一端进入；另一束作为泵浦光，依次经半导体光放大器（10）、脉冲光放大器（12）、光环行器 （13）后从传感光纤（14）的另一端进入；从传感光纤（14）另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器（15）滤除斯托克斯光后被所述光电探测器（16）探测，探测信号由数据采集单元（17）采集，然后发送至计算机（18）进行数据处理；
所述单边带调制器（5）用于对探测光进行调制，产生频率下移量等于传感光纤中布里渊频移量的探测光；所述半导体光放大器（10）将泵浦光调制成脉宽等于混沌激光周期T的脉冲光信号，所述半导体光放大器（10）还用于调节脉冲光信号的脉冲延迟时间。
2.根据权利要求1所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，还包括高速可编程信号发生器（3），所述高速可编程信号发生器（3）用于采集T时间内的混沌时序以实现混沌复制，用产生的周期性电混沌信号驱动马赫曾德尔调制器（2）将激光器（1）的输出激光调制为周期为T小于激光器外腔时延τ d 的混沌激光。
3.根据权利要求1所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，还包括脉冲信号发生器（11）和高频微波信号源（6），所述脉冲信号发生器（11）用于驱动所述半导体光放大器（10），所述高频微波信号源（6）用于驱动所述单边带调制器（5）。
4.根据权利要求1所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，还包括光扰偏器（8）、光隔离器（9）和光环行器（13），所述光扰偏器（8）和光隔离器（9）设置在掺铒光纤放大器（7）和传感光纤（14）的一端之间；所述光环行器（13）的第一端口与脉冲光放大器（12）的输出端连接，第二端口与传感光纤（14）的另一端连接，第三端口输出信号经所述可调谐光滤波器（15）入射至光电探测器（16）。
5.根据权利要求4所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，所述分束器（4）为1×2光纤耦合器，所述马赫曾德尔调制器（2）的输出端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端通过单模光纤跳线与单边带调制器（5）的输入端连接；单边带调制器（5）的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器（7）的输入端连接；掺铒光纤放大器（7）的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器（8）的输入端连接；光扰偏器（8）的输出端通过单模光纤跳线与光隔离器（9）的输入端连接；光隔离器（9）的输出端与传感光纤（14）一端连接；
1×2光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器（10）的输入端连接；半导体光放大器（10）的输出端通过单模光纤跳线与脉冲光放大器（12）的输入端连接：脉冲光放大器（12）的输出端通过单模光纤跳线与光环行器（13）的第一端口端连接；光环行器（13）的第二端口与传感光纤（14）的另一端连接，第三端口通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器（15）的输入端连接；可调谐光滤波器（15）的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器（16）的输入端连接。
6.根据权利要求4所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，所述半导体光放大器10为OAM-SOA-PL型高消光比半导体光放大器，传感光纤（14）采用G652单模光纤或G655单模光纤，所述激光器（1）为线宽小于1MHz的窄线宽激光器。
7.根据权利要求3所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置，其特征在于，所述脉冲信号发生器（11）的型号为Agilent-81150A。
8.一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测方法，采用权利要求1所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过数据采集单元（17）采集输出信号的时序，然后改变泵浦脉冲光与探测光之间的频率差，再次采集输出信号的时序；
S2、通过计算机（18）对采集的时序进行处理，计算每个时序信号的瞬时增益系数I(t ´)，然后将两次的瞬时增益系数分别与参考函数进行互相关运算；将两次互相关运算得到的最大互相关值对应的ΔΩ值提取出来；通过两次的ΔΩ值与对应的Ω值，进行计算消除符号歧义后得到布里渊频移量ΩB；其中，Ω表示泵浦脉冲光和探测光的频率差，ΔΩ表示光纤布里渊频移和受激声波频率之间的差；
S3、利用步骤S2得到的布里渊频移量与应变之间的线性关系，获得传感光纤中的应变信息；
S4、通过半导体光放大器（10）改变脉冲光信号的脉冲延迟时间，对泵浦光和探测光的光程差进行调节，使产生的多重相关峰在传感光纤范围内扫描ΔL/Δl次，使脉冲光依次激发各个相关峰处的受激布里渊散射，重复步骤S1~S3，实现传感光纤沿线的探测和定位，ΔL表示相邻相关峰的间隔，所述Δl表示相关峰的半高全宽；所述参考函数的计算公式为：
其中，g(t´,ΔΩ)表示参考函数，t´≡(t–L)/ν g ，ГB表示布里渊增益线宽，t表示时间，L表示传感光纤长度，ν g 表示光纤中光的群速度，g s (ΔΩ)表示稳态增益系数。
9.根据权利要求8所述的一种时域差分高速混沌布里渊光相干域监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，消除符号歧义的具体方法为：将两次最大互相关值对应的ΔΩ值分别取正负，得到4个布里渊频移量ΩB的值，然后，将其中ΔΩ值对应的最接近的两个布里渊频移量值作为最终得到的布里渊频移量。
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