CN111721438A - 一种噪声调制线阵ccd采集的免扫频botda装置 - Google Patents

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和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器，窄线宽激光器发出的激光经分束器后分为两束，一束作为探测光依次经第一电光调制器、第二电光调制器、掺铒光纤放大器后入射至传感光纤的一端；另一束作为泵浦光依次经脉冲光调制器、脉冲光放大器和光滤波器后入射至传感光纤的另一端；从传感光纤另一端出射的布里渊增益谱信号依次经带通滤波器、色散单元后被线阵CCD接收并采集；第一电光调制器用于对探测光进行载波抑制和调制；第二电光调制器用于对探测光的低频边带进行展宽，使展宽后的探测光的低频边带与泵浦脉冲光在传感光纤中发生受激布里渊散射。本发明节约了数据采集时间，可以提高采集效率。

Description

一种噪声调制线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置

技术领域

本发明属于分布式光纤传感监测技术领域，具体涉及一种噪声调制线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置。

背景技术

基于布里渊散射的光纤传感方案主要包括：布里渊光时域分析（BOTDA）技术、布里渊光时域反射（BOTDR）技术、布里渊光相干域分析（BOCDA）技术、布里渊光相干域反射（BOCDR）技术、布里渊光频域分析（BOFDA）技术和布里渊光频域反射（BOFDR）技术。采用反射技术的光纤传感方案，其布里渊信号较弱，信噪比（SNR）差；采用光相关域技术的光纤传感方案，通常需要扫描相关峰（传感点）的位置才能获得分布式的应变或温度测量，这样会极大地限制动态应变的采样率；采用光频域技术的光纤传感方案，光波调制及解调算法较复杂。在多种传感方案中，BOTDA技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点，受到广泛关注。

但是传统的BOTDA技术为了获得布里渊增益谱频移（BFS），必须对探测光进行扫频来获得相应的布里渊增益谱（BGS），然后根据BGS的增益最大点来确定光纤的BFS。由于扫频十分耗时（通常是几到十几分钟），因此传统的BOTDA技术只能用于准静态测量。如果BOTDA技术可实现快速测量，这对许多监测速度需要在秒量级或更短的应用场景来说将会有重大意义，比如地震活动探测或大型结构的实时健康监测等。为了缩短BOTDA的测量时间，一个最主要的方法就是避免对探测光扫频，实现光纤BFS的快速获取。近年来，有许多针对传统BOTDA技术中扫频问题的改进方案提了出来，如基于光学频率捷变技术（FAT）的快速BOTDA系统，采用高性能的电学数字式AWG，实现了光波频率的快速切换，由于AWG输出电学信号的频率转换时间小于纳秒量级，因此对应的光波频率切换时间也小于纳秒量级，故光波频率切换时间可以忽略（Peled Y, Motil A, Tur M. Fast Brillouin optical time domainanalysis for dynamic sensing. Optics Express, 2019, 20(19):195194-195119）；基于数字光频梳（DOFC）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 basedon ultra-fine digital optical frequency comb. Optics Express, 2019, 23(4):521919-52194.）；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 an optical chirp chain probewave for distributed ultrafast measurement. Light: Science & Applications,20119, 19(4):21919-3019.）。但是，在FAT方案中只有扫频光波段和对应的泵浦脉冲光相互作用后才能获得分布式BGS，无法实现由单发泵浦脉冲光获得分布式的BGS；在利用DOFC的免扫频BOTDA中空间分辨率受频率梳间隔和FFT的时间窗的限制；基于光学啁啾链的免扫频BOTDA是对探测光谱进行时间域上的展宽，调制光学啁啾链时由于不同频率分量的振幅响应不均匀，会产生额外的噪声，进而影响测量精度。此外，上述方案接收端均需将光信号转化为电信号再经过采集卡或实时示波器采集数据，不仅影响传感系统的监测速率，而且会额外引入噪声，降低测量精度。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器，所述窄线宽激光器发出的激光经分束器后分为两束，一束作为探测光依次经第一电光调制器、第二电光调制器、掺铒光纤放大器后入射至传感光纤的一端；另一束作为泵浦光依次经脉冲光调制器、脉冲光放大器和光滤波器后入射至所述传感光纤的另一端；从传感光纤另一端出射的布里渊增益谱信号依次经带通滤波器、色散单元后被线阵CCD接收并采集；

所述脉冲光调制器用于将泵浦光调制成脉冲光信号，所述脉冲光放大器用于将脉冲光信号进行放大，光滤波器用于滤除脉冲光放大器放大引入的噪声；所述第一电光调制器用于对探测光进行载波抑制和调制；所述第二电光调制器用于对探测光的低频边带进行展宽，使展宽后的探测光的低频边带与泵浦脉冲光在传感光纤中发生受激布里渊散射；光带通滤波器用于滤出传感光纤另一端输出的斯托克斯光，使其进入色散单元；色散单元用于将不同频率的斯托克斯光分离后使其入射到线阵CCD的不同位置。

所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，还包括微波信号源和噪声发生器，所述微波信号源用于驱动所述第一电光调制器，其驱动频率为10.7GHz~10.9GHz，所述噪声发生器用于驱动所述第二电光调制器，其驱动频率为200MHz。

所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器和光绕偏器，所述第一偏振控制器设置在分束器与第一电光调制器之间，用于调节探测光的偏振态，使第一电光调制器的输出光功率最大；所述第二偏振控制器设置在第一电光调制器与第二电光调制器之间，用于调节探测光的偏振态，使第二电光调制器的输出光功率最大，所述光绕偏器设置在掺铒光纤放大器与传感光纤之间，用于降低布里渊增益的偏振敏感现象。

所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，还包括光环行器，所述光环行器的第一端口与光滤波器的输出端连接，第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口与光带通滤波器的输入端连接。

所述分束器为1×2光纤耦合器，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器为光纤偏振控制器，所述分束器、第一偏振控制器、第一电光调制器、第二偏振控制器、第二电光调制器、掺铒光纤放大器、光绕偏器之间依次通过单模光纤跳线连接；所述分束器、脉冲光调制器、脉冲光放大器、光滤波器与光环行器之间依次通过单模光纤跳线连接。

所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，还包括计算单元，所述计算单元与线阵CCD的输出端连接，用于根据线阵CCD分时采集得到的传感光纤不同位置处的布里渊增益谱，解调得到传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小。

所述色散单元包括第一色散棱镜、色散光楔组合和第一色散棱镜。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.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，本发明通过噪声信号实现对探测光的调制，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，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温度或应变的测量，同时可以极大地提高长距离温度或应变的测量效率；

2.与传统BOTDA技术中采集端探测电信号的方法相比，本发明采用线阵CCD实时对散射光信号进行探测，能够一次性获得较大的带宽内的光谱信息，无需进行分时采集，节约了数据采集时间。

3.与基于光学频率捷变技术的快速BOTDA系统相比，本发明可实现由单发泵浦脉冲光获得一系列完整的布里渊增益谱，极大地缩短了测量时间，从而可实现快速动态温度或应变的测量。

4.与基于啁啾链的免扫频技术相比，本发明是对探测光谱进行频域上的展宽，而基于啁啾链的免扫频技术是对探测光谱进行时间域上的展宽。具体地，基于啁啾链的免扫频技术中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；另外，本发明利用噪声信号对探测光进行调制，实现对光谱的展宽，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，进而影响测量精度的问题。

5.与基于光频梳的免扫频技术相比，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，可极大的提高系统空间分辨率。

综上所述，本发明提出了一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，探测光进行载波抑制之后再实现特定频段噪声信号的调制，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系列完整的布里渊增益谱，由于是探测在频域上的展宽，其受激布里渊散射过程无需扫频。另外，由于本发明采用线阵CCD实时对散射光信号进行探测，能够一次性获得较大的带宽内的光谱信息，无需进行分时采集，节约了数据采集时间。故而，本发明解决了传统BOTDA系统中扫频耗时和采集端探测电信号的问题，可以实现快速布里渊频移提取，进而实现快速高精度动态温度或应变的测量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中色散单元与线阵CCD的工作原理图；

图3为本发明实施例中的光耦原理图。

图中，1：窄线宽激光器；2：分束器；3：偏振控制器；4：微波信号源；5：第一电光调制器；6：第二偏振控制器；7：噪声发生器；8：第二电光调制器；9：掺铒光纤放大器；10：光扰偏器；11：传感光纤；12：光环行器；13：脉冲光调制器；14：脉冲光放大器；15：光滤波器；16：光带通滤波器；17：色散单元；18：线阵CCD；19：计算单元。

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基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器1、分束器2、偏振控制器3、微波信号源4、第一电光调制器5、光纤偏振控制器6、噪声发生器7、第二电光调制器8、掺铒光纤放大器9、光扰偏器10、传感光纤11、脉冲光调制器13、脉冲光放大器14、光滤波器15、光带通滤波器16、色散单元17、线阵CCD18和计算单元19。

所述窄线宽激光器1发出的激光经分束器2后分为两束，一束作为探测光依次经第一偏振控制器3、第一电光调制器5、第二偏振控制器6、第二电光调制器8、掺铒光纤放大器9、光绕偏器10后入射至传感光纤11的一端；另一束作为泵浦光依次经脉冲光调制器13、脉冲光放大器14和光滤波器15后入射至所述传感光纤11的另一端；从传感光纤11另一端出射的布里渊增益谱信号依次经带通滤波器16、色散单元17后被线阵CCD18接收并采集，然后输出给计算单元19进行计算。

本实施例中，所述脉冲光调制器13用于将泵浦光调制成脉冲光信号，所述脉冲光放大器14用于将脉冲光信号进行放大，光滤波器15用于滤除脉冲光放大器14放大引入的噪声；所述第一电光调制器5用于对探测光进行载波抑制和调制；所述第二电光调制器8用于对探测光的低频边带进行展宽，使展宽后的探测光的低频边带与泵浦脉冲光在传感光纤11中发生受激布里渊散射；光带通滤波器16用于滤出传感光纤11另一端输出的斯托克斯光，使其进入色散单元17；色散单元17用于将不同频率的斯托克斯光分离后使其入射到线阵CCD18的不同位置，线阵CCD18将分时采集存储传感光纤11不同位置处的布里渊增益谱。

具体地，如图2所示，本实施例中，所述色散单元包括第一色散棱镜171、第二色散棱镜173和色散光楔组合172。色散棱镜171的作用是作为准直系统，色散光楔172的作用是将不同频率的光分离，第二色散棱镜173的作用是聚焦成像。

具体地，本实施例中，所述第一偏振控制器3用于调节分束器2输出探测光的偏振态，使第一电光调制器5的输出光功率最大；所述第二偏振控制器6用于调节第一电光调制器5输出的探测光的偏振态，使第二电光调制器8的输出光功率最大；所述光绕偏器10设置在掺铒光纤放大器9与传感光纤11之间，用于降低布里渊增益的偏振敏感现象。

具体地，本实施例中，所述微波信号源4用于驱动所述第一电光调制器5，其驱动频率约等于布里渊频移（约为10.8GHz），具体可以为10.7GHz~10.9GHz，所述噪声发生器8用于驱动所述第二电光调制器8，其输出的噪声信号（带宽约200 MHz）对探测光信号的低频边带进行频域上的展宽，从而产生一个宽谱的探测光。此外，本实施例中，还包括用于驱动所述脉冲光调制器13的脉冲信号源。

如图3所示，为本发明实施例的频谱原理图，其中，频率为

的探测光经第一电光调制器8进行载波抑制后，产生两个频移约等于布里渊频移的低频边带和高频边带，通过第二电光调制器8后，第二电光调制器8对其中的低频边带进行展宽，得到频谱范围为

-f1-f2~

-f1+f2的低频边带，其中f1表示第一电光调制器的驱动频率，f2表示驱动第二电光调制器的噪声信号的频率。则探测光中的低频边带中的的某个频率分量与泵浦脉冲光在传感光纤中发生布里渊散射，可以得到布里渊增益谱。

具体地，本实施例提供的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，还包括光环行器11，所述光环行器11的第一端口与光滤波器15的输出端连接，第二端口与传感光纤11的另一端连接，第三端口与光带通滤波器16的输入端连接。通过光环行器11的设置，可以实现泵浦光反向输入传感光纤的同时，将传感光纤中的布里增益谱输出，提高系统的调试效率。

本实施例中，在传感光纤11中，泵浦脉冲光与频移约等于布里渊频移、带宽为200MHz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，该包含有完整布里渊增益谱信息的布里渊散射信号通过色散单元17后，将完成的布里渊增益谱在空间上色散，线阵CCD18可同一时间采集传感光纤特定位置产生的完整的布里渊增益谱信息，而无需进行探测光扫频，传感光纤不同位置处的布里渊增益谱由线阵CCD分时采集获得，从而可以快速地解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小，进而实现动态温度或应变的实时测量，解决了传统BOTDA系统中平均和扫频过程耗时的问题。

具体地，本实施例中，所述计算单元19与线阵CCD18的输出端连接，用于根据线阵CCD18分时采集得到的传感光纤13不同位置处的布里渊增益谱，解调得到传感光纤11沿线温度或应变信息的位置和大小。

进一步地，本实施例中，所述分束器2为1×2光纤耦合器，所述第一偏振控制器3和第二偏振控制器6为光纤偏振控制器，所述分束器2、第一偏振控制器3、第一电光调制器5、第二偏振控制器6、第二电光调制器8、掺铒光纤放大器9、光绕偏器10之间依次通过单模光纤跳线连接；所述分束器2、脉冲光调制器13、脉冲光放大器14、光滤波器15与光环行器11之间依次通过单模光纤跳线连接。单模光纤跳线的连接方式可以使系统的光路更加稳定，测量结果更加精确。

具体地，本实施例中，窄线宽激光器型号为RIO0074-4-00-3，窄线宽指的是激光器线宽小于1MHz，第一电光调制器5和第二电光调制器8的型号皆为iXblue/mxer-ln-10-pd-p-p-fa-fa-35db。

本发明提出了一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，该状态通过对探测光进行载波抑制之后再通过特定频段噪声信号的调制，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系列完整的布里渊增益谱，由于是探测在频域上的展宽，其受激布里渊散射过程无需扫频。另外，由于本发明采用线阵CCD实时对散射光信号进行探测，能够一次性获得较大的带宽内的光谱信息，无需进行分时采集，节约了数据采集时间。故而，本发明解决了传统BOTDA系统中扫频耗时和采集端探测电信号的问题，可以实现快速布里渊频移提取，进而实现快速高精度动态温度或应变的测量。

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 (7)

1.一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，包括窄线宽激光器（1），所述窄线宽激光器（1）发出的激光经分束器（2）后分为两束，一束作为探测光依次经第一电光调制器（5）、第二电光调制器（8）、掺铒光纤放大器（9）后入射至传感光纤（11）的一端；另一束作为泵浦光依次经脉冲光调制器（13）、脉冲光放大器（14）和光滤波器（15）后入射至所述传感光纤（11）的另一端；从传感光纤（11）另一端出射的布里渊增益谱信号依次经带通滤波器（16）、色散单元（17）后被线阵CCD（18）接收并采集；

所述脉冲光调制器（13）用于将泵浦光调制成脉冲光信号，所述脉冲光放大器（14）用于将脉冲光信号进行放大，光滤波器（15）用于滤除脉冲光放大器（14）放大引入的噪声；所述第一电光调制器（5）用于对探测光进行载波抑制和调制；所述第二电光调制器（8）用于对探测光的低频边带进行展宽，使展宽后的探测光的低频边带与泵浦脉冲光在传感光纤（11）中发生受激布里渊散射；光带通滤波器（16）用于滤出传感光纤（11）另一端输出的斯托克斯光，使其进入色散单元（17）；色散单元（17）用于将不同频率的斯托克斯光分离后使其入射到线阵CCD（18）的不同位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，还包括微波信号源（4）和噪声发生器（8），所述微波信号源（4）用于驱动所述第一电光调制器（5），其驱动频率为10.7GHz~10.9GHz，所述噪声发生器（8）用于驱动所述第二电光调制器（8），其驱动频率为200MHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，还包括第一偏振控制器（3）、第二偏振控制器（6）和光绕偏器（10），所述第一偏振控制器（3）设置在分束器（2）与第一电光调制器（5）之间，用于调节探测光的偏振态，使第一电光调制器（5）的输出光功率最大；所述第二偏振控制器（6）设置在第一电光调制器（5）与第二电光调制器（8）之间，用于调节探测光的偏振态，使第二电光调制器（8）的输出光功率最大，所述光绕偏器（10）设置在掺铒光纤放大器（9）与传感光纤（11）之间，用于降低布里渊增益的偏振敏感现象。

4.根据权利要求3所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，还包括光环行器（11），所述光环行器（11）的第一端口与光滤波器（15）的输出端连接，第二端口与传感光纤（11）的另一端连接，第三端口与光带通滤波器（16）的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，所述分束器（2）为1×2光纤耦合器，所述第一偏振控制器（3）和第二偏振控制器（6）为光纤偏振控制器，所述分束器（2）、第一偏振控制器（3）、第一电光调制器（5）、第二偏振控制器（6）、第二电光调制器（8）、掺铒光纤放大器（9）、光绕偏器（10）之间依次通过单模光纤跳线连接；所述分束器（2）、脉冲光调制器（13）、脉冲光放大器（14）、光滤波器（15）与光环行器（11）之间依次通过单模光纤跳线连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，还包括计算单元（19），所述计算单元（19）与线阵CCD（18）的输出端连接，用于根据线阵CCD（18）分时采集得到的传感光纤（13）不同位置处的布里渊增益谱，解调得到传感光纤（11）沿线温度或应变信息的位置和大小。

7.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制和线阵CCD采集的免扫频BOTDA装置，其特征在于，所述色散单元包括第一色散棱镜（171）、色散光楔组合（172）和第一色散棱镜（173）。

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