CN114279476B - 基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感领域，公开了一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置及其测量方法，通过将位型混沌激光源输出的光经分光器分为探测光和泵浦光连接，探测光依次经边带调制模块、连续光放大器、第一光开关的进入传感光纤；泵浦光经高功率光放大器、光环形器后与传感光纤的另一端连接，光环形器的第三端口经第二光开关、可调谐光滤波器与第一光电探测器连接；第一光开关的第二输出端和第二光开关的第二输出端经合光器与第二探测器连接；第一光电探测器第二光电探测器的探测信号被信号处理器采集并处理。本发明可有效抑制光源强度信息引入的噪声，实现长距离和高空间分辨率兼顾的实时分布式温度、应变监测。

Description

基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置及其测量方法。

背景技术

传感技术与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，已成为当今世界令人瞩目、发展迅猛的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。分布式光纤传感技术具有体积小、质量轻、成本低、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、适应恶劣环境、多参量检测等优势，是国家建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的新型基础设施安全保障网络的重要倚仗，也是各国竞相发展的新一代传感技术。

其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可实现光纤沿线温度、应变、振动等参量检测而广泛应用于大型基础设施结构健康、军事边境安防、深海空天开发等监测领域，长距离精准定位和高精度实时测量的应用需求日趋迫切。目前，布里渊分布式光纤传感技术主要包括利用脉冲光激励并探测布里渊信号的光时域技术和利用特殊光源在光纤中产生的窄带相关峰激发布里渊散射的光相关域技术。其中，布里渊光相关域技术可以打破传统光时域系统中声子寿命对脉冲宽度(对应于空间分辨率)的限制，将空间分辨率突破至厘米、甚至毫米量级，成为长距离精准定位监测的优选方案。

传统布里渊光相关域技术可以按照光源类型分为三类：

一是正弦频率调制型，采用正弦信号对普通激光进行直流调制，光频随时间呈正弦分布，调制频率与调制幅度分别决定于正弦信号原始带宽与直流调制深度，单频激光经调制后具有强相关、宽光谱特性。基于光学相干函数原理，正弦调频激光在光纤特定位置处产生周期性相关峰，峰内激励产生布里渊声波场；相关峰宽度(ps量级)决定了系统空间分辨率，与光时域系统不同，窄带相关峰中的声波场可以被充分激励，空间分辨率不受声子寿命限制。此外，为了避免不同相关峰之间的增益串扰，系统传感距离被限制为相邻相关峰的间隔，一般仅有数十米。因此，正弦调频激光系统存在传感距离与空间分辨率难以兼顾的技术瓶颈。

二是相位编码型，单频激光被伪随机序列、Golay码、Golomb码等将光相位随机调制为0或π，光源的相位相关特性使得其在光纤中可通过干涉拍频效应产生周期性窄带相关峰。相位编码系统的空间分辨率决定于序列的码率，码率越高、空间分辨率越高；传感距离决定于序列的长度，码长越长、有效传感距离越远。然而，相位编码系统采用的伪随机信号仍会在光纤中激发出周期性相关峰，增益串扰问题将继续限制其传感距离，空间分辨率与传感距离的矛盾尚未得到根源性的解决。

三是宽带光源型，利用放大自发辐射或混沌激光等本征低相干、类噪声的宽带激光作为探测信号，既可避免直流调制、相位编码方案对射频信号和调制器件的带宽限制，更容易实现毫米级空间分辨率；同时，该类类噪声信号会在光纤中激发产生唯一的相关峰，即任意长光纤中仅存在唯一的布里渊声波场，可从原理上解决传统方案中传感距离与空间分辨率的矛盾问题。此外，放大自发辐射信号的输出时序功率波动小、功率谱密度低，导致系统信噪比差、传感距离仅有数十厘米。而混沌激光是一种介于脉冲光和连续光之间、时序大幅度无规则振荡的第三状态激光，传感系统信噪比更高、信号检测难度低，是兼顾高空间分辨率和长传感距离的优选方案；然而，混沌激光固有的时延特征会在光纤中产生一系列较弱的布里渊声波场，并随光纤长度不断累计，传感距离被限制在十千米左右。

综上所述，当前布里渊光相关域技术中，正弦调频系统和相位编码系统采用强周期信号，原理上传感距离被严重限制，同时射频信号和调制器件的带宽限制也阻碍了其空间分辨率的进一步提升；混沌激光可突破带宽限制将空间分辨率提升至毫米量级，但其弱周期噪声制约了传感距离的拓展。

因此，需要发明一种基于新型低相干光源的布里渊光相关域技术，实现长距离与高空间分辨率兼顾的分布式传感。

发明内容

为解决现有布里渊光相关域分析技术长传感距离和高空间分辨率难以兼顾的问题，本发明提供了一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置及其测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，包括：相位型混沌激光源、分光器、边带调制模块、连续光放大器、第一光开关、传感光纤、高功率光放大器、第二光开关、可调谐光滤波器、第一光电探测器、信号处理器、合光器、第二光电探测器；

所述相位型混沌激光源用于输出相位混沌激光，所述相位型混沌激光源的输出端与所述分光器的输入端连接，所述分光器的第一输出端用于输出探测光，其依次经边带调制模块、连续光放大器与第一光开关的输入端连接，第一光开关的第一输出端与传感光纤的一端连接；所述分光器的第二输出端用于输出泵浦光，其经高功率光放大器、光环形器后与传感光纤的另一端连接，光环形器的第三端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的第一输出端经可调谐光滤波器与第一光电探测器连接；

所述边带调制模块用于对探测光进行频率调制产生频率下移的探测光；

所述第一光开关的第二输出端和第二光开关的第二输出端与合光器的输入端连接，合光器的输出信号被所述第二探测器连接；

所述第一光电探测器第二光电探测器的探测信号被所述信号处理器采集并处理。

所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，还包括可编程光延迟发生器，所述可编程光延迟发生器用于对探测光进行延迟，以实现唯一的相关峰在传感光纤沿线的定位与扫描。

所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，还包括光扰偏器，所述光扰偏器设置在连续光放大器和传感光纤的一端之间。

所述分光器和合光器为1×2光纤耦合器。

所述分光器、边带调制模块、连续光放大器、第一光开关之间通过单模光纤跳线连接；所述分光器、光环形器、第二光开关之间通过单模光纤跳线连接。

所述边带调制模块打开时，切换所述第一光开关为第一输出端导通，切换所述第二光开关为第一输出端导通，此时，采用布里渊光相关域分析测量方法实现分布式测量，所述边带调制模块对探测光进行移频，偏移量约为光纤布里渊频移；

所述边带调制模块关闭时，切换所述第一光开关为第二输出端导通，切换所述第二光开关第二输出端导通，此时，采用布里渊光相关域反射测量方法实现分布式测量，探测光直接通过所述边带调制模块，不产生频率偏移。

本发明还提供了一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置的传感方法，包括采用布里渊光相关域分析测量方法和布里渊光相关域反射测量方法，所述布里渊光相关域分析测量方法的具体步骤为：

S101、打开边带调制模块，切换第一光开关的第一输出端导通，切换第二光开关的第一输出端导通；

S102、控制边带调制模块将探测光的频率下移，使得探测光与泵浦光的频差为光纤中的布里渊频移量；

S103、通过第一光电传感器采集传感光纤中输出的斯托克斯光信号，并对采集到的信号进行解调，得到相应的温度、应变信息；

S104、调节探测光的光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置处发生受激布里渊放大作用，重复步骤S103，实现不同相关峰沿待测光纤的扫描，从而获取整个传感光纤沿线的温度、应变信息；

所述布里渊光相关域反射测量方法的具体步骤为：

S201、关闭边带调制模块，切换第一光开关和第二光开关的第二输出端导通；

S202、通过第二光电传感器采集参考光和信号光的拍频信号，并对采集到的信号进行解调，得到相应的温度、应变信息；

S203、调节探测光的光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置处发生受激布里渊放大作用，重复步骤S203，实现不同相关峰沿待测光纤的扫描，从而获取整个传感光纤沿线的温度、应变信息。

所述步骤S104和步骤S203中，通过设置在探测光光路上的可编程光延迟发生器实现探测光光程的调节。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分布式光纤传感装置及其测量方法，通过将频率失谐的相位型混沌泵浦光与探测光相向注入传感光纤，在光纤相遇位置处激发产生稳定的受激布里渊散射声波场，产生唯一的窄带相关峰。通过调节可编程光延迟发生器完成相关峰的扫描和定位，实现光纤的分布式测量。相关峰的半高全宽决定了系统的空间分辨率，光源相位的混沌特性决定了混沌激光的宽光谱特性，可得到极窄的相关峰，保证了系统的空间分辨率可达毫米、亚毫米量级；相位混沌激光的随机特性、自相关特性保证了任意长光纤内存在唯一窄带的相关峰，且相位型混沌激光不会引入强度噪声，大幅度提高了系统的信噪比，实现了长距离、高空间分辨率的分布式光纤传感。

2、相较于基于强度型混沌激光的布里渊光相关域测量技术(中国发明专利ZL201310045097.3，基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法)，混沌布里渊增益谱直接由探测光功率解调而得，强度型混沌激光的功率时序呈现大幅度、无规则振荡，波动峰峰值约为普通单频激光的7倍左右，会在布里渊增益谱测量过程中引入大量的强度噪声，系统信噪比严重受限，导致测得的布里渊增益谱几乎被噪声淹没。本发明的基于相位型混沌激光的分布式光纤传感方法，使用-3dB光谱线宽约为10GHz的宽带相位型混沌激光作为光源，相位型混沌激光的功率时序与单频激光类似，振荡峰峰值很小，避免了传统系统中的功率波动，系统信噪比得到了很大的提高，进一步拓宽了有效传感距离。

3、相较于基于正弦调制的布里渊光相关域测量技术，本发明所述的基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分布式光纤传感装置及其测量方法，不受调制信号的带宽限制，省去了昂贵的微波信号源，结构简单，成本低廉；系统的空间分辨率由混沌激光的光源线宽决定，通过使用可编程光延迟发生器改变探测光与泵浦光的光程差以实现相关峰的位置扫描，不会改变光源的线宽，也不会因改变光源调制频率而导致输出光源振幅和频率的相位延迟，引起系统误差，降低测量精度。因此在分布式测量过程中系统无位置扫描误差，能够实现传感点的精准定位。

4、相较于基于相位编码激光的布里渊光相关域测量技术，相位型混沌激光是真随机相位，不存在周期性，确保了光纤中激发产生唯一的相关峰，避免了相邻相关峰的串扰，传感距离不受相关峰间隔的影响，可实现更长距离的分布式传感；不受相位编码对调制信号、调制器件的带宽限制，更容易实现毫米级、甚至亚毫米级的空间分辨率。

5、本发明通过同时控制边带调制模块、第一光开关和第二光开关的输出端口，可切换基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分析测量和布里渊光相关域反射测量。在同一个测量装置中集成两种测量手段，可按照实际测量的需要切换到所需的测量方法，满足了实际测量的需求，降低了测量的成本，提高了测量的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置的结构示意图；

图2为相位型与强度型混沌激光BOCDA声波场分布图；

图3为相位型混沌激光BOCDA声波场的时间-空间分布图；

图4为强度型混沌激光BOCDA(a)与相位型混沌激光BOCDA(b)声波场的空间-强度分布图；

图中：1-相位型混沌激光源、2-第一1×2光纤耦合器、3-边带调制模块、4-可编程光延迟发生器、5-低噪声连续光放大器、6-光扰偏器、7-第一光开关、8-传感光纤、9-光环行器、10-高功率光放大器、11-第二光开关、12-可调谐光滤波器、13-第一光电探测器、14-高速实时示波器、15-第二1×2光耦合器、16-第二光电探测器。

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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，包括：相位型混沌激光源1、分光器2、边带调制模块3、连续光放大器5、第一光开关7、传感光纤8、高功率光放大器10、第二光开关11、可调谐光滤波器12、第一光电探测器13、信号处理器14、合光器15、第二光电探测器16；所述相位型混沌激光源1用于输出相位混沌激光，所述相位型混沌激光源1的输出端与所述分光器2的输入端连接，所述分光器2的第一输出端用于输出探测光，其依次经边带调制模块3、连续光放大器5与第一光开关7的输入端连接，第一光开关7的第一输出端与传感光纤8的一端连接；所述分光器2的第二输出端用于输出泵浦光，其经高功率光放大器10、光环形器9后与传感光纤8的另一端连接，光环形器9的第三端口与第二光开关11的输入端连接，第二光开关11的第一输出端经可调谐光滤波器12与第一光电探测器13连接；所述边带调制模块3用于对探测光进行频率调制产生频率下移的探测光；所述第一光开关7的第二输出端和第二光开关11的第二输出端与合光器15的输入端连接，合光器15的输出信号被所述第二探测器16连接；所述第一光电探测器13第二探测器16的探测信号被所述信号处理器14采集并处理。

进一步地，本实施例的基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，还包括可编程光延迟发生器4，所述可编程光延迟发生器4用于对探测光进行延迟，以实现唯一的相关峰在传感光纤8沿线的定位与扫描，，其延迟步进和延迟精度远小于系统空间分辨率。如图1所示，可编程光延迟发生器4可以设置在边带调制模块3与连续光放大器5之间。

进一步地，本实施例中的基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置还包括光扰偏器6，所述光扰偏器6设置在连续光放大器5和传感光纤8的一端之间。探测光经连续光放大器后，再经光扰偏器去除偏振敏感后进入传感光纤8中，光扰偏器6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。

具体地，本实施例中，相位型混沌激光源1用于输出仅含相位信息的宽带混沌激光，抑制了强度信息引入的噪声。所述分光器2和合光器15为1×2光纤耦合器。其中，分光器2为10：90的1×2光纤耦合器，其将相位型混沌激光源1输出的光分为两路，一路作为探测光(90％)，另一路作为泵浦光(10％)。传感光纤8采用G652单模光纤或G655单模光纤。第一光开关7和第二光开关11为1×2光开关，其包括两个输出端，可以通过电控实现其中任意一个端口输出。

本实施例中，可将混沌激光作为主激光器，并结合从激光器进行注入锁定来获得仅包含相位信息的相位型混沌激光源；也可采用相位调制将普通激光转换为相位型混沌光源；也可直接在混沌反馈环中引入精细色散可控模型直接产生相位混沌。相位型混沌激光源的获取为本领域的现有技术，因此在此不做赘述。

进一步地，如图1所示，所述相位型混沌激光源1的输出端通过单模光纤跳线与分光器2的输入端连接；分光器2的第一个输出端通过单模光纤跳线与边带调制模块3的输入端连接；边带调制模块3的输出端通过单模光纤跳线与可编程光延迟发生器4的输入端连接；可编程光延迟发生器4的输出端通过单模光纤跳线与低噪声连续光放大器5的输入端连接；低噪声连续光放大器5的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器6的输入端连接；光扰偏器6的输出端通过单模光纤跳线与第一光开关7的输入端连接；第一光开关7的第一输出端口①与传感光纤8的一端连接，第一光开关7的第二输出端口②通过单模光纤跳线与合光器15的一个输入端连接；分光器2的第二个输出端通过单模光纤跳线与高功率光放大器10的输入端连接；高功率光放大器10的输出端通过单模光纤跳线与光环形器9的第一端口连接；光环行器9的第二端口与传感光纤8的另一端连接，第三端口通过单模光纤跳线与第二光开关11的输入端连接；第二光开关11的第一输出端口③通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器12的输入端连接；可调谐光滤波器12的输出端通过单模光纤跳线与第一光电探测器13的输入端连接；第一光电探测器13的输出端通过单模光纤跳线与高速实时示波器14的输入端连接；第二光开关11的第二输出端口④通过单模光纤跳线与第二1×2光纤耦合器15的另一个输入端连接；合光器15的输出端通过单模光纤跳线与第二光电探测器16的输入端连接；第二光电探测器16的输出端通过单模光纤跳线与高速实时示波器14的输入端连接。

具体地，本实施例中，所述边带调制模块3打开时，切换所述第一光开关7为第一输出端导通，切换所述第二光开关11为第一输出端导通，此时，采用布里渊光相关域分析测量方法实现分布式测量，所述边带调制模块3对探测光进行移频，偏移量约为光纤布里渊频移；所述边带调制模块3关闭时，切换所述第一光开关7为第二输出端导通，切换所述第二光开关11第二输出端导通，此时，采用布里渊光相关域反射测量方法实现分布式测量，探测光直接通过所述边带调制模块3，不产生频率偏移。

本发明实施例的工作原理如下：

1、相位型混沌激光源1输出中心波长为1550nm、中心频率为v₀、-3dB光谱线宽约10GHz的带宽增强混沌激光，其理论空间分辨率为毫米量级；时序信号随机振荡，峰峰值很小，输出光功率稳定。光源输出的光由10：90的第一1×2光纤耦合器分为两路，一路作为探测光(90％)，另一路作为泵浦光(10％)。

2、打开边带调制模块3，切换第一光开关7输出端为①，切换第二光开关11输出端为③，此时，采用基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分析测量方法实现分布式测量。边带调制模块3对探测光信号(90％)进行调制，使探测光频率产生下移，偏移量为光纤中的布里渊频移v_B，对于普通单模光纤其值约为11GHz。调制后的信号进入可编程光延迟发生器4，通过调节可编程光延迟发生器4的距离改变传感光纤中相关峰的位置，进而实现整个光纤的分布式扫描。经可编程光延迟发生器4输出的光被低噪声连续光放大器5放大，以补偿由于调制以及光在光纤中长距离的传输造成的光功率损耗。放大后的光信号经光扰偏器6、第一光开关7的输出端口①进入传感光纤8，这里传感光纤8采用G652单模光纤或G655单模光纤。

3、泵浦光(10％)经高功率光放大器10放大到合适的光功率，以在传感光纤8中激发受激布里渊散射效应。然后经光环行器9进入传感光纤8中，与相向传输的探测光在传感光纤8中发生受激布里渊散射作用，使探测光得到进一步放大。

4、相向传输的泵浦光与探测光注入长度为L的光纤，假设光波传输过程中在z位置处相遇，此时两束光光程差Δx＝L-2z，相遇位置处不同时刻的混沌光振幅、相位分布可用光波传输方程表示：

其中，E_p(t,z)表示两束光在时刻t，位置z处相遇时泵浦光的光场函数，A(t,z)表示在时刻t，位置z处泵浦光的振幅，ω₀表示泵浦光的角频率，φ(t,z)表示在时刻t，位置z处泵浦光的相位。E_s(t,z)表示探测光的光场函数，A表示探测光的振幅，Vg表示光在光纤中的传输速度，Ω_B表示布里渊频移。

因此，混沌泵浦光与探测光在相遇位置处产生的拍频场E_b(t,z)为：

混沌BOCDA系统中，拍频谱S_b定义为拍频位置处光场的傅里叶谱，即拍频光的光谱，可表示为：

S_b(v,z)＝|FT{E_b(t,z)}|² ； (4)

式中，FT表示傅里叶变换。混沌探测光在光纤中传播时仅中心峰处存在受激布里渊散射声波场，探测光得到放大，故光纤末端探测到的探测光功率的变化即为相关峰处受激布里渊散射散射增益变化，其增益函数g(v)可表示为：

其中，S_b是泵浦光-探测光的拍频谱，g是光纤中的本征布里渊增益谱，符号

表示卷积运算。由公式(4)可知探测光在光纤中传播时经历的增益函数和泵浦光-探测光的拍频谱有关，而拍频谱和泵浦光的光功率有直接关系，所以混沌BOCDA系统的布里渊增益谱和光功率直接相关。

对不同状态的混沌激光作为光源所激发的BOCDA声波场进行仿真，结果如图2所示，右上角为选中区域的放大图。强度型混沌激光激发的受激布里渊散射声波场被进一步展宽，且伴随有强烈的噪声；相位型混沌激光可激发产生较窄且强烈的受激布里渊散射声波场。

进一步地，本实施例的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置中，频率失谐的混沌泵浦光与探测光相向注入传感光纤，在传感光纤相遇位置处产生唯一的窄带相关峰，可以激发稳定的受激布里渊散射声波场，如图3所示。

与强度型混沌激光相比，相位型混沌激光的强度振荡峰峰值很低，混沌激光的本征强度噪声大幅下降，系统信噪比被提升。如图4所示，以强度型混沌激光为信号源，其本征的时延旁瓣噪声峰值达0.2675，系统信噪比约5.73dB，且非零噪声基底波动明显；以相同带宽相位型混沌激光为信号源，其本征的时延旁瓣噪声峰值低至0.0953，系统信噪比可达10.21dB，提升了4.48dB，且非零噪声基底波动很微弱。故本发明所使用的相位型混沌激光可抑制强度噪声，提高系统信噪比，获得信号强度较大的布里渊增益谱，拓宽有效传感距离。

本实施例中，由于只在极度相关的位置可激发产生声波场，故受激布里渊散射作用仅发生在相关峰内，相关峰处的布里渊增益最大。光纤中仅存在一个相关峰，以避免相邻相关峰的增益串扰。通过调节可编程光延迟发生器4，即可改变传感光纤中相关峰的位置，进而得到传感光纤沿线的布里渊增益分布，实现传感光纤的温度或应变的分布式测量。

本实施例中，被放大的探测光经光环行器9、第二光开关11的③端口输出至可调谐光滤波器12，滤出所需要的斯托克斯光分量；滤出的斯托克斯光信号被第一光电探测器13转换为电信号，并由高频同轴电缆输入到高速实时示波器14中进行实时的信号功率采集。

本实施例中，关闭边带调制模块3，切换第一光开关7输出端为②，切换第二光开关11输出端为④，此时，采用基于相位型混沌激光的布里渊光相关域反射测量方法实现分布式测量。探测光信号(90％)直接通过边带调制模块3，不产生频率偏移，经第一光开关7输出至第二光耦合器15的输入端口一；泵浦光(10％)经放大后直接注入传感光纤8激发自发布里渊散射效应，后向布里渊散射光通过光环行器9、第二光开关11输出至第二光耦合器15的输入端口二；此时，探测光作为参考光、后向散射光作为信号光，两束光在第二光耦合器15中进行相干拍频；拍频信号被第二光电探测器16探测、数据采集与处理系统14采集，通过可编程光延迟发生器4扫描位置，数据采集与处理系统可得传感光纤沿线的布里渊增益谱，实现传感光纤的温度或应变的分布式测量。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分布式光纤传感测量方法，采用图1所示的一种基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分布式光纤传感装置实现，包括采用布里渊光相关域分析测量方法和布里渊光相关域反射测量方法，所述布里渊光相关域分析测量方法的具体步骤为：

S101、将同一激光器输出的相位型宽带混沌激光分为两束，分别作为探测光和泵浦光；打开边带调制模块，切换第一光开关的第一输出端导通，切换第二光开关的第一输出端导通；此时，采用基于相位型混沌激光的布里渊光相关域分析测量方法实现分布式测量。

S102、控制边带调制模块将探测光的频率下移，使得探测光与泵浦光的频差为光纤中的布里渊频移量。

S103、通过第一光电传感器13采集传感光纤中输出的斯托克斯光信号，并对采集到的信号进行解调，得到相应的温度、应变信息。

S104、通过可编程光延迟发生器调节探测光的光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置处发生受激布里渊放大作用，重复步骤S103，实现不同相关峰沿待测光纤的扫描，从而获取整个传感光纤沿线的温度、应变信息；

所述布里渊光相关域反射测量方法的具体步骤为：

S201、关闭边带调制模块，切换第一光开关7和第二光开关11的第二输出端导通；此时，采用基于相位型混沌激光的布里渊光相关域反射测量方法实现分布式测量；探测光直接通过边带调制模块，不产生频率偏移；泵浦光经放大后直接注入传感光纤激发自发布里渊散射效应，此时，探测光作为参考光、后向散射光作为信号光，两束光在第二光耦合器中进行相干拍频。

S202、通过第二光电传感器16采集参考光和信号光的拍频信号，并对采集到的信号进行解调，得到相应的温度、应变信息；

S203、通过可编程光延迟发生器调节探测光的光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤8不同位置处发生受激布里渊放大作用，重复步骤S203，实现不同相关峰沿待测光纤的扫描，从而获取整个传感光纤沿线的温度、应变信息。

布里渊光相关域反射测量方法和布里渊光相关域分析测量方法各有优缺点。布里渊光相关域反射为单端测量，即只需注入传感光纤的一端，分析其自发布里渊散射光。即使光纤某个位置出现断点，也不影响系统的使用。但该系统的传感距离有限，空间分辨率较低。布里渊光相关域分析测量从光纤双端注入，两路光在光纤中相干并激发受激布里渊散射声波场，产生唯一窄带相关峰，可实现毫米量级的空间分辨率，传感距离可达几十甚至上百公里。但若光纤某处出现断点，则导致系统瘫痪，无法正常工作。本实施例通过集合二种测量方法，可根据实际需求和不同应用场景切换不同的测量模式。如：可用布里渊光相关域反射测量装置定位到事件区附近，再用布里渊光相关域分析测量装置实现具体定位，可缩短测量时间，提高测量效率；且二者的光路中大部分仪器均相同，集合在一起可共用，提高仪器利用率，降低成本。

综上所述，本发明提供了一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置和方法，使用仅包含相位信息的宽带混沌激光激发窄带相关峰，抑制了强度信息引入的噪声，提高了测量信噪比，最终使得传感距离得到增加；通过调节可编程光延迟发生器实现唯一的相关峰在光纤沿线的定位与扫描，延迟步进和延迟精度远小于系统空间分辨率；同时，本发明的空间分辨率仅决定于相位型混沌激光的带宽，并不会随定位距离而改变，可实现全光纤等精度、无盲区的传感测量，最终实现长距离与高空间分辨率兼顾的分布式温度、应变传感。

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 (8)

1.一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，其特征在于，包括：相位型混沌激光源（1）、分光器（2）、边带调制模块（3）、连续光放大器（5）、第一光开关（7）、传感光纤（8）、高功率光放大器（10）、第二光开关（11）、可调谐光滤波器（12）、第一光电探测器（13）、信号处理器（14）、合光器（15）、第二光电探测器（16）；

所述相位型混沌激光源（1）用于输出相位混沌激光，所述相位型混沌激光源（1）的输出端与所述分光器（2）的输入端连接，所述分光器（2）的第一输出端用于输出探测光，其依次经边带调制模块（3）、连续光放大器（5）与第一光开关（7）的输入端连接，第一光开关（7）的第一输出端与传感光纤（8）的一端连接；所述分光器（2）的第二输出端用于输出泵浦光，其经高功率光放大器（10）、光环形器（9）后与传感光纤（8）的另一端连接，光环形器（9）的第三端口与第二光开关（11）的输入端连接，第二光开关（11）的第一输出端经可调谐光滤波器（12）与第一光电探测器（13）连接；

所述边带调制模块（3）用于对探测光进行频率调制产生频率下移的探测光；

所述第一光开关（7）的第二输出端和第二光开关（11）的第二输出端与合光器（15）的输入端连接，合光器（15）的输出信号被所述第二光电探测器（16）连接；

所述第一光电探测器（13）第二光电探测器（16）的探测信号被所述信号处理器（14）采集并处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，其特征在于，还包括可编程光延迟发生器（4），所述可编程光延迟发生器（4）用于对探测光进行延迟，以实现唯一的相关峰在传感光纤（8）沿线的定位与扫描。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，其特征在于，还包括光扰偏器（6），所述光扰偏器（6）设置在连续光放大器（5）和传感光纤（8）的一端之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述分光器（2）和合光器（15）为1×2光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述分光器（2）、边带调制模块（3）、连续光放大器（5）、第一光开关（7）之间通过单模光纤跳线连接；

所述分光器（2）、光环形器（9）、第二光开关（11）之间通过单模光纤跳线连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述边带调制模块（3）打开时，切换所述第一光开关（7）为第一输出端导通，切换所述第二光开关（11）为第一输出端导通，此时，采用布里渊光相关域分析测量方法实现分布式测量，所述边带调制模块（3）对探测光进行移频，偏移量约为光纤布里渊频移；

所述边带调制模块（3）关闭时，切换所述第一光开关（7）为第二输出端导通，切换所述第二光开关（11）第二输出端导通，此时，采用布里渊光相关域反射测量方法实现分布式测量，探测光直接通过所述边带调制模块（3），不产生频率偏移。

7.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置的传感方法，其特征在于，包括采用布里渊光相关域分析测量方法和布里渊光相关域反射测量方法，所述布里渊光相关域分析测量方法的具体步骤为：

S101、打开边带调制模块，切换第一光开关的第一输出端导通，切换第二光开关的第一输出端导通；

S102、控制边带调制模块将探测光的频率下移，使得探测光与泵浦光的频差为光纤中的布里渊频移量；

S103、通过第一光电传感器（13）采集传感光纤中输出的斯托克斯光信号，并对采集到的信号进行解调，得到相应的温度、应变信息；

S104、调节探测光的光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置处发生受激布里渊放大作用，重复步骤S103，实现不同相关峰沿待测光纤的扫描，从而获取整个传感光纤沿线的温度、应变信息；

所述布里渊光相关域反射测量方法的具体步骤为：

S201、关闭边带调制模块，切换第一光开关（7）和第二光开关（11）的第二输出端导通；

S202、通过第二光电传感器（16）采集参考光和信号光的拍频信号，并对采集到的信号进行解调，得到相应的温度、应变信息；

S203、调节探测光的光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤（8）不同位置处发生受激布里渊放大作用，重复步骤S203，实现不同相关峰沿待测光纤的扫描，从而获取整个传感光纤沿线的温度、应变信息。

8.根据权利要求1所述的一种基于相位型混沌激光的分布式光纤传感装置的传感方法，其特征在于，所述步骤S104和步骤S203中，通过设置在探测光光路上的可编程光延迟发生器（4）实现探测光光程的调节。

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