CN114812631A - 一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，该系统中包括有激光光源、第一耦合器、第二耦合器、电光调制器、声光调制器、任意波形发生器、第一光纤放大器、第二光纤放大器、传感光纤、光电探测单元和解调单元，在所述解调单元中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式，先进行第一次测量自校准，再进行第二次及之后测量自校准。本发明通过利用该系统的自校准方法，降低了BOTDA系统的读数误差和长期工作后的读数漂移，提高了测量精度，避免了额外误差，同时在不新增硬件下进行自校准，降低了生产成本，提高了产品竞争力。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法。
背景技术
布里渊光时域分析分布式光纤传感系统(下称BOTDA)是一种广为应用的分布式光纤传感系统。系统分别在光纤两端注入脉冲泵浦光和连续探测光。当探测光相对于泵浦光的频偏处于特定区间并且功率足够大时，光纤中存在的受激布里渊散射效应会将泵浦光能量转移至探测光上，从而放大探测光。探测光增益随频偏变化，其中产生最大增益的频偏点(下称最大增益频偏)受光纤的温度和应变影响。BOTDA检测距离长、灵敏度高，可以实现全分布应变和温度测量，在隧道、海底电缆、大型建筑等的安全监控、状态告警等领域有着广泛的应用。
专利号CN101839698A公开了参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪及其校准方法，在现有自外差相干检测的布里渊光时域反射仪基础上，从外差光接收机获取本地参考光的电信号，经模数转换后送入计算机，作为参考光的光功率校准反馈量，由计算机发出指令调整微波源的输出功率，改变本地参考光的光功率，使之与预定参考光功率的差异小于设定值，功率校准后进行布里渊光时域信号探测，该发明需要添加额外的硬件设备进行光时域反射仪的校准。
为了追踪频偏变化，在BOTDA系统开始测量前，需要读取一次脉冲泵浦光发射后不同延时下的最大增益频偏作为基准频偏量，再通过光纤中光速将脉冲泵浦光进入待测光纤后的延时映射到空间位置上，如此，就可获得不同位置的基准频偏；通常在测量时，直接将同一延时下的实测最大增益频偏与基准频偏做差，获得频偏变化；但是，光纤中光速等量受到温度等环境因素的影响有所波动，同一延时下的测量和基准频偏在不同时刻测得，可能对应不同位置的光纤，因为光纤自身材料的轻微不一致性，各个位置的基准频偏数值不同，如此，作差计算频偏变化时，就会引入额外误差，影响测量精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法。本发明的校准方法通过充分利用BOTDA自身对温度的读数，修正传播延时和传感光纤空间位置的对应关系，确保在计算最大增益频偏变化量时，相减的两个数值对应同一段传感光纤，免除额外误差。
为了达到上述发明的目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源、第一耦合器、第二耦合器、电光调制器、声光调制器、任意波形发生器、第一光纤放大器、第二光纤放大器、传感光纤、光电探测单元和解调单元，所述激光光源发出的激光被第一耦合器分束成为探测光和泵浦光，探测光经电光调制器移频至9-13GHz，经第一光纤放大器放大移频后的探测光输入至传感光纤的第二端口，泵浦光经声光调制器生成脉冲泵浦光后再经第二光纤放大器，放大后的脉冲泵浦光输入至传感光纤的第一端口，连续探测光在传感光纤中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口射出，第二耦合器将传感光纤的第一端口出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元，光电探测单元输出电压信号数值至解调单元，由解调单元计算出传感光纤各处的温度和应变信息，在所述解调单元中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式：
第一次测量自校准方法包括：
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤120、获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；
步骤130、使用f1(t0)-y0(t0)计算最大增益频偏变化Δf1(t0)；
步骤140、第一次温度测量结果表述为第一次测量时温度相较于基准测量时温度的变化量ΔT1，计算方法是，根据布里渊散射的特性，由ΔT1＝Δf1/A求得当前传感光纤各位置的第一次温度测量结果ΔT1。其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数，如康宁公司生产的G652D标准单模光纤里，A＝1.05MHz/℃，测量完成后，将参数ΔT1(t)和Δf1(t)提供给第二次测量使用；
第二次及之后测量自校准方法包括：
步骤210：基准最大增益频偏在测量开始前依照步骤220所描述的方式获取，前次温度测量结果在前次测量的步骤250获取，其中“温度测量结果”显示当前测量时传感光纤各点温度和基准测量时的温度间的差值，第N次温度测量结果记为ΔTN(t)；
步骤220：在9-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器(7) 给电光调制器施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，在测量开始前，记录基准最大增益频偏f0(t0)，作为步骤210中的基准最大增益频偏，设传感光纤某段距离第一端口为d，延时t＝t0(d)，之后第N次测量结果为fN(t)，并设t＝tN(d)；
步骤230：利用如下公式计算延时，
n(l)为记录基准数据时传感光纤各点的有效折射率，c为真空光速，假设第(N-1)次温度测量准确，且相邻两次测量间温度无变化，设传感光纤有效折射率的热光系数为Δn；每次测量时，传感光纤各点有效折射率的没有波动，即
为基准测量时平均有效折射率，当前测量和基准测量的延时关系经推导如下：
测量的延时tN的数据点和基准数据的延时
的数据点对应同一段传感光纤，其中Δn是光纤材料属性，不随时间改变，
积分修正了tN和t0间的映射关系，即构成自校准，在自校
准软件模块运行中，设采样间隔为Δt，采用下述计算方法，
步骤240：将同一段传感光纤的实测最大增益频偏
和基准最大增益频偏y0(t0)相减，即得当前最大增益变化
若
发有时域采样点对应，选取此时刻前后最邻近的两个或多个数据点，利用最邻近两点最大增益频偏的线性插值法，获取该延时下的数据点；
步骤250：根据布里渊散射的特性，由ΔTN＝ΔfN/A求得当前传感光纤各位置的当前温度测量结果ΔTN，供下一次测量的自校准步骤210使用。其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数，如在康宁公司生产的G652D标准单模光纤里，A＝1.05MHz/℃，温度测量完成后，将参数ΔTN(t)和fN(t)提供给下一次测量的自校准步骤210使用。
上述步骤110获取基准最大增益频偏通过在9-13GHz间，以1MHz 的步长调节任意波形发生器给电光调制器施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，记录基准最大增益频偏为f0(t0)，获取基准最大增益频偏的方法与步骤220中获取基准最大增益频偏的方法相同。
上述步骤120获取第一次测量的最大增益频偏的操作在步骤110操作完成后立即进行，所述步骤120的方法和所述步骤110方法相同，在 9-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器给电光调制器施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)。
上述步骤130中f1(t0)为获取的第一次测量的最大增益频偏，f0(t0)为基准最大增益频偏。
上述解调单元从光电探测单元中接收的输出电压中分离出布里渊信号对应的电压，所述的解调单元中设有的自校准软件模块求出各延时下的最大增益频偏，进行延时自修正后，计算各段光纤最大增益频偏的变化，通过已知最大增益频偏与温度变化的比例系数A，最终得到传感光纤各处测量时的温度相对于测量开始前的温度的变化信息。
上述延时为光电探测单元接收探测光信号的时间与脉冲泵浦光入射传感光纤的第一端口的时间差；脉冲泵浦光从传感光纤的第一端口传播至传感光纤，探测光从传感光纤的第二端口传播进传感光纤，脉冲泵浦光和探测光在此段传感光纤内重合，受激布里渊散射会放大探测光光强，在传感光纤上被放大的探测光传播到传感光纤的第一端口并被光电探测器接收，根据光传播和脉冲泵浦光与探测光相互作用过程，通过接收延时来区分来自不同传感光纤位置的布里渊信号，求出各延时下的最大增益频偏。
另一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源、第一耦合器、第二耦合器、电光调制器、任意波形发生器、第一光纤放大器、第二光纤放大器、传感光纤、光电探测单元和解调单元，所述激光光源发出的激光被第一耦合器分束成为探测光和泵浦光，泵浦光经电光调制器移频-9至-13GHz并形成脉冲，经第二光纤放大器放大移频后的泵浦光经过第二耦合器输入至传感光纤的第一端口，探测光经第一光纤放大器放大后输入至传感光纤的第二端口，连续探测光在传感光纤中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口射出，第二耦合器将传感光纤的第一端口出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元，光电探测单元输出电压信号数值至解调单元，由解调单元计算出传感光纤各处的温度和应变信息，在所述解调单元中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式：
第一次测量自校准方法包括：
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤120、获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；
步骤130、使用f1(t0)-f0(t0)计算最大增益频偏变化Δf1(t0)；
步骤140、第一次温度测量结果表述为第一次测量时温度相较于基准测量时温度的变化量ΔT1，计算方法是，根据布里渊散射的特性，由ΔT1＝Δf1/A求得当前传感光纤各位置的第一次温度测量结果ΔT1，供第二次测量的自校准步骤使用，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数，以康宁公司生产的G652D标准单模光纤为例，A＝1.05MHz/℃，在测量完成后，将参数ΔT1(t)和Δf1(t)提供给第二次测量使用。
第二次及之后测量自校准方法包括：
步骤210：基准最大增益频偏在测量开始前依照步骤220所描述的方式获取，前次温度测量结果在前次测量的步骤250获取，其中“温度测量结果”显示当前测量时传感光纤(8)各点温度和基准测量时的温度间的差值，第N次温度测量结果记为ΔTN(t)；
步骤220：在-9至-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器给电光调制器施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，在测量开始前，记录基准最大增益频偏f0(t0)，作为步骤210中的基准最大增益频偏，设传感光纤某段距离第一端口为d，延时t＝t0(d)，之后第N次测量结果为fN(t)，并设t＝tN(d)；
步骤230：利用如下公式计算延时，
n(l)为记录基准数据时传感光纤各点的有效折射率，c为真空光速，假设第(N-1)次温度测量准确，且相邻两次测量间温度无变化，设传感光纤有效折射率的热光系数为Δn；每次测量时，传感光纤各点有效折射率的没有波动，即
为基准测量时平均有效折射率，当前测量和基准测量的延时关系经推导如下：
测量的延时tN的数据点和基准数据的延时
的数据点对应同一段传感光纤，其中Δn是光纤材料属性，不随时间改变，
积分修正了tN和t0间的映射关系，即构成自校准，在自校准软件模块运行中，设采样间隔为Δt，采用下述计算方法，
步骤240：将同一段传感光纤的实测最大增益频偏
和基准最大增益频偏f0(t0)相减，即得当前最大增益变化：
若
没有时域采样点对应，选取此时刻前后最邻近的两个或多个数据点，利用最邻近两点最大增益频偏的线性插值法，获取该延时下的数据点；
步骤250：根据布里渊散射的特性，由ΔTN＝ΔfN/A求得当前传感光纤各位置的当前温度测量结果ΔTN，供下一次测量的自校准步骤210使用。其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数，如康宁公司生产的G652D标准单模光纤里，A＝1.05MHz/℃，温度测量完成后，将参数ΔTN(t)和fN(t)提供给下一次测量的自校准步骤210使用。
本发明的校准方法经过实践取得了如下积极有益的效果：
1.本发明通过利用该系统的自校准方法，修正了测量数据和基准数据间延时不一致的问题，降低了BOTDA系统的读数误差和长期工作后的读数漂移，提高了测量精度，避免了额外误差。
2.本发明通过利用自校准方法中的BOTDA自身对温度的读数，修正传播延时和传感光纤空间位置的对应关系，在不新增硬件，也不提高既有硬件的指标要求下完成自校准工作降低了生产成本，提高了产品竞争力。
附图说明
图1是本发明一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法中的实施例1的BOTDA硬件系统结构示意图。
图2是本发明一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法中的进行第一次测量及数据处理的流程图。
图3是本发明一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法中的进行第二次测量及后续测量及数据处理流程图。
图4是本发明一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法中的实施例2的BOTDA硬件系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
如图1所示，一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源1、第一耦合器2、第二耦合器9、电光调制器3、声光调制器5、任意波形发生器7、第一光纤放大器4、第二光纤放大器6、传感光纤8、光电探测单元10 和解调单元11，所述激光光源1发出的激光被第一耦合器2分束成为探测光和泵浦光，探测光经电光调制器3移频至9-13GHz，经第一光纤放大器4放大移频后的探测光输入至传感光纤8的第二端口12，泵浦光经声光调制器5生成脉冲泵浦光后再经第二光纤放大器6，放大后的脉冲泵浦光输入至传感光纤8的第一端口13，连续探测光在传感光纤8中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口13出射至光电探测单元 10，输出的电压信号数值解调单元11，由解调单元11计算出传感光纤8 各处的温度和应变信息。
本发明属于一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，在所述解调单元11中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式：
如图2所示，第一次测量自校准方法包括：
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤120、获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；
步骤130、使用f1(t0)-f0(t0)计算最大增益频偏变化Δf1(t0)；
步骤140、第一次温度测量结果表述为第一次测量时温度相较于基准测量时温度的变化量ΔT1，计算方法是，根据布里渊散射的特性，由ΔT1＝Δf1/A求得当前传感光纤8各位置的第一次温度测量结果ΔT1，供第二次测量的自校准步骤使用，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数。如康宁公司生产的G652D标准单模光纤里，A＝1.05MHz/℃。测量完成后，将参数ΔT1(t)和Δf1(t)提供给第二次测量使用。
如图3所示，第二次及之后测量自校准方法包括：
步骤210：基准最大增益频偏在测量开始前依照步骤220所描述的方式获取，前次温度测量结果在前次测量的步骤250获取，其中“温度测量结果”显示当前测量时传感光纤8各点温度和基准测量时的温度间的差值，第N次温度测量结果记为ΔTN(t)；
步骤220：在9-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器(7) 给电光调制器3施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤8各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，在测量开始前，记录基准最大增益频偏f0(t0)，作为步骤210中的基准最大增益频偏，设传感光纤8某段距离第一端口13为d，延时t＝t0(d)，之后第N次测量结果为fN(t)，并设t＝tN(d)；
步骤230：利用如下公式计算延时，
n(l)为记录基准数据时传感光纤8各点的有效折射率，c为真空光速，假设第(N-1)次温度测量准确，且相邻两次测量间温度无变化，设传感光纤8有效折射率的热光系数为Δn；每次测量时，传感光纤8各点有效折射率的没有波动，即
为基准测量时平均有效折射率，当前测量和基准测量的延时关系经推导如下：
测量的延时tN的数据点和基准数据的延时
的数据点对应同一段传感光纤8，其中Δn是光纤材料属性，不随时间改变，
积分修正了tN和t0间的映射关系，即构成自校准，在自校准软件模块运行中，设采样间隔为Δt，采用下述计算方法，
步骤240：将同一段传感光纤8的实测最大增益频偏
和基准最大增益频偏f0(t0)相减，即得当前最大增益变化
若
没有时域采样点对应，选取此时刻前后最邻近的两个或多个数据点，利用最邻近两点最大增益频偏的线性插值法，获取该延时下的数据点；
步骤250：根据布里渊散射的特性，由ΔTN＝ΔfN/A求得当前传感光纤8各位置的当前温度测量结果ΔTN，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数。如康宁公司生产的G652D标准单模光纤里，A＝1.05MHz/℃。温度测量完成后，将参数ΔTN(t)和fN(t)提供给下一次测量的自校准步骤210使用。
上述步骤110获取基准最大增益频偏通过在9-13GHz间，以1MHz 的步长调节任意波形发生器7给电光调制器3施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤8各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，记录基准最大增益频偏为f0(t0)，获取基准最大增益频偏的方法与步骤220中获取基准最大增益频偏的方法相同。
上述步骤120获取第一次测量的最大增益频偏的操作在步骤110操作完成后立即进行，所述步骤120的方法和所述步骤110方法相同，在 9-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器给电光调制器3施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤8各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；在获取基准最大增益频偏f0(t0)后立即进行第一次测量的最大增益频偏f1(t0)的获取，使第一次测量的实验环境与基准最大增益频偏测量时的环境相同，不需要进行延时校准。
上述步骤130中f1(t0)为获取的第一次测量的最大增益频偏，f0(t0)为基准最大增益频偏。
上述解调单元从光电探测单元中接收的输出电压中分离出布里渊信号对应的电压，所述的解调单元中设有的自校准软件模块求出各延时下的最大增益频偏，进行延时自修正后，计算各段光纤最大增益频偏的变化，通过已知最大增益频偏与温度变化的比例系数A，最终得到传感光纤8各处测量时的温度相对于测量开始前的温度的变化信息。
上述延时为光电探测单元10接收探测光信号的时间与脉冲泵浦光入射传感光纤8第一端口13的时间差；脉冲泵浦光从传感光纤8第一端口13传播至传感光纤8，探测光从传感光纤8第二端口12传播进传感光纤8，脉冲泵浦光和探测光在此段传感光纤8内重合，受激布里渊散射会放大探测光光强，在传感光纤8上被放大的探测光传播到传感光纤 8的第一端口13并被光电探测器10接收，根据光传播和脉冲泵浦光与探测光相互作用过程，通过接收延时来区分来自不同传感光纤8位置的布里渊信号，求出各延时下的最大增益频偏。
实施例2
如图4所示，本实施例是另一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，其特点是，对泵浦光而不是探测光移频。该分布式光纤传感系统中包括有激光光源1、第一耦合器2、第二耦合器 9、电光调制器3、任意波形发生器7、第一光纤放大器4、第二光纤放大器6、光电探测单元10和解调单元11；所述激光光源1发出的激光被第一耦合器2分束成为探测光和泵浦光，泵浦光经电光调制器3移频-9 至-13GHz，经第二光纤放大器4放大移频后的泵浦光经过第二耦合器9 输入至传感光纤8的第一端口13。探测光经第一光纤放大器4放大后输入至传感光纤8的第二端口12，连续探测光在传感光纤8中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口13射出，第二耦合器9将传感光纤8的第一端口13出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元10，光电探测单元10输出电压信号数值至解调单元11，由解调单元11计算出传感光纤8各处的温度和应变信息。作为创新点所在，本实施例在所述解调单元11中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法。在所述解调单元11中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式，该自校准方法通实施例1中的自校准方法相同。
具体而言，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式：
如图2所示，第一次测量自校准方法包括：
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤110、获取基准最大增益频偏y0(t0)；
步骤120、获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；
步骤130、使用f1(t0)-y0(t0)计算最大增益频偏变化Δf1(t0)；
步骤140、第一次温度测量结果表述为第一次测量时温度相较于基准测量时温度的变化量ΔT1，计算方法是，根据布里渊散射的特性，由ΔT1＝Δf1/A求得当前传感光纤8各位置的第一次温度测量结果ΔT1，供第二次测量的自校准步骤使用，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数。如康宁公司生产的G652D标准单模光纤里，A＝1.05MHz/℃。测量完成后，将参数ΔT1(t)和Δf1(t)提供给第二次测量使用。
如图3所示，第二次及之后测量自校准方法包括：
步骤210：基准最大增益频偏在测量开始前依照步骤220所描述的方式获取，前次温度测量结果在前次测量的步骤250获取，其中“温度测量结果”显示当前测量时传感光纤8各点温度和基准测量时的温度间的差值，第N次温度测量结果记为ΔTN(t)；
步骤220：在-9到-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器(7)给电光调制器3施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤8各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，在测量开始前，记录基准最大增益频偏f0(t0)，作为步骤210中的基准最大增益频偏，设传感光纤8某段距离第一端口13为d，延时t＝t0(d)，之后第N次测量结果为fN(t)，并设t＝tN(d)；
步骤230：利用如下公式计算延时，
n(l)为记录基准数据时传感光纤8各点的有效折射率，c为真空光速，假设第(N-1)次温度测量准确，且相邻两次测量间温度无变化，设传感光纤8有效折射率的热光系数为Δn；每次测量时，传感光纤8各点有效折射率的没有波动，即
为基准测量时平均有效折射率，当前测量和基准测量的延时关系经推导如下：
测量的延时tN的数据点和基准数据的延时
的数据点对应同一段传感光纤8，其中Δn是光纤材料属性，不随时间改变，
积分修正了tN和t0间的映射关系，即构成自校准，在自校准软件模块运行中，设采样间隔为Δt，采用下述计算方法，
步骤240：将同一段传感光纤8的实测最大增益频偏
和基准最大增益频偏f0(t0)相减，即得当前最大增益变化：
若
没有时域采样点对应，选取此时刻前后最邻近的两个或多个数据点，利用最邻近两点最大增益频偏的线性插值法，获取该延时下的数据点；
步骤250：根据布里渊散射的特性，由ΔTN＝ΔfN/A求得当前传感光纤8各位置的当前温度测量结果ΔTN，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数。如康宁公司生产的G652D标准单模光纤里， A＝1.05MHz/℃。温度测量完成后，将参数ΔTN(t)和fN(t)提供给下一次测量的自校准步骤210使用。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源(1)、第一耦合器(2)、第二耦合器(9)、电光调制器(3)、声光调制器(5)、任意波形发生器(7)、第一光纤放大器(4)、第二光纤放大器(6)、传感光纤(8)、光电探测单元(10)和解调单元(11)，所述激光光源(1)发出的激光被第一耦合器(2)分束成为探测光和泵浦光，探测光经电光调制器(3)移频至9-13GHz，经第一光纤放大器(4)放大移频后的探测光输入至传感光纤(8)的第二端口(12)，泵浦光经声光调制器(5)生成脉冲泵浦光后再经第二光纤放大器(6)，放大后的脉冲泵浦光输入至传感光纤(8)的第一端口(13)，连续探测光在传感光纤(8)中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口(13)射出，第二耦合器(9)将传感光纤(8)的第一端口(13)出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元(10)，光电探测单元(10)输出电压信号数值至解调单元(11)，由解调单元(11)计算出传感光纤(8)各处的温度和应变信息，其特征在于，在所述解调单元(11)中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式：
第一次测量自校准方法包括：
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤120、获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；
步骤130、使用f1(t0)-f0(t0)计算最大增益频偏变化Δf1(t0)；
步骤140、第一次温度测量结果表述为第一次测量时温度相较于基准测量时温度的变化量ΔT1，计算方法是，根据布里渊散射的特性，由ΔT1＝Δf1/A求得当前传感光纤(8)各位置的第一次温度测量结果ΔT1，供第二次测量的自校准步骤使用，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数；
第二次及之后测量自校准方法包括：
步骤210：基准最大增益频偏在测量开始前依照步骤220所描述的方式获取，前次温度测量结果在前次测量的步骤250获取，其中“温度测量结果”显示当前测量时传感光纤(8)各点温度和基准测量时的温度间的差值，第N次温度测量结果记为ΔTN(t)；
步骤220：在9-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器(7)给电光调制器(3)施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤(8)各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，在测量开始前，记录基准最大增益频偏f0(t0)，作为步骤210中的基准最大增益频偏，设传感光纤(8)某段距离第一端口(13)为d，延时t＝t0(d)，之后第N次测量结果为fN(t)，并设t＝tN(d)；
步骤230：利用如下公式计算延时，
n(l)为记录基准数据时传感光纤(8)各点的有效折射率，c为真空光速，假设第(N-1)次温度测量准确，且相邻两次测量间温度无变化，设传感光纤(8)有效折射率的热光系数为Δn；每次测量时，传感光纤(8)各点有效折射率的没有波动，即
为基准测量时平均有效折射率，当前测量和基准测量的延时关系经推导如下：
测量的延时tN的数据点和基准数据的延时
的数据点对应同一段传感光纤(8)，其中Δn是光纤材料属性，不随时间改变，
积分修正了tN和t0间的映射关系，即构成自校准，在自校准软件模块运行中，设采样间隔为Δt，采用下述计算方法，
步骤240：将同一段传感光纤(8)的实测最大增益频偏
和基准最大增益频偏f0(t0)相减，即得当前最大增益变化：
若
没有时域采样点对应，选取此时刻前后最邻近的两个或多个数据点，利用最邻近两点最大增益频偏的线性插值法，获取该延时下的数据点；
步骤250：根据布里渊散射的特性，由ΔTN＝ΔfN/A求得当前传感光纤(8)各位置的当前温度测量结果ΔTN，供下一次测量的自校准步骤210使用。其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数，温度测量完成后，将参数ΔTN(t)和fN(t)提供给下一次测量的自校准步骤210使用。
2.根据权利要求1所述的一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，其特征在于，所述步骤110获取基准最大增益频偏的方法如下：在9-13GHz间以1MHz的步长调节任意波形发生器(7)，使其给电光调制器(3)施加调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤(8)各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，记录基准最大增益频偏为f0(t0)，该获取基准最大增益频偏的方法与步骤220中获取基准最大增益频偏的方法相同。
3.根据权利要求1所述的一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，其特征在于，所述步骤120获取第一次测量的最大增益频偏的操作方法是：在步骤110操作完成后立即进行步骤120，所述步骤120的操作方法和步骤110操作方法相同，在9-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器(7)给电光调制器(3)施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤(8)各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)。
4.根据权利要求1所述的一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，其特征在于，所述步骤130中，f1(t0)为获取的第一次测量的最大增益频偏，f0(t0)为基准最大增益频偏，f1(t0)-f0(t0)的差值为最大增益频偏变化。
5.根据权利要求1所述的一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，其特征在于，所述解调单元(11)从光电探测单元(10)中接收的输出电压中分离出布里渊信号对应的电压，所述的解调单元(10)中设有的自校准软件模块求出各延时下的最大增益频偏，进行延时自修正后，计算各段光纤最大增益频偏的变化，通过已知最大增益频偏与温度变化的比例系数A，最终得到传感光纤(8)各处测量时的温度相对于测量开始前的温度的变化信息。
6.一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统，其特征在于，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源(1)、第一耦合器(2)、第二耦合器(9)、电光调制器(3)、声光调制器(5)、任意波形发生器(7)、第一光纤放大器(4)、第二光纤放大器(6)、传感光纤(8)、光电探测单元(10)和解调单元(11)，所述激光光源(1)发出的激光被第一耦合器(2)分束成为探测光和泵浦光，探测光经电光调制器(3)移频至9-13GHz，经第一光纤放大器(4)放大移频后的探测光输入至传感光纤(8)的第二端口(12)，泵浦光经声光调制器(5)生成脉冲泵浦光后再经第二光纤放大器(6)，放大后的脉冲泵浦光输入至传感光纤(8)的第一端口(13)，连续探测光在传感光纤(8)中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口(13)射出，第二耦合器(9)将传感光纤(8)的第一端口(13)出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元(10)，光电探测单元(10)输出电压信号数值至解调单元(11)，由解调单元(11)计算出传感光纤(8)各处的温度和应变信息，在所述解调单元(11)中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式，先进行第一次测量自校准，再进行第二次及之后测量自校准。
7.一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统的自校准方法，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源(1)、第一耦合器(2)、第二耦合器(9)、电光调制器(3)、任意波形发生器(7)、第一光纤放大器(4)、第二光纤放大器(6)、传感光纤(8)、光电探测单元(10)和解调单元(11)，所述激光光源(1)发出的激光被第一耦合器(2)分束成为探测光和泵浦光，泵浦光经电光调制器(3)移频至-9至-13GHz，经第二光纤放大器(4)放大移频后的泵浦光经过第二耦合器(9)输入至传感光纤(8)的第一端口(13)，探测光经第二光纤放大器(6)放大后输入至传感光纤(8)的第二端口(12)，连续探测光在传感光纤(8)中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口(13)射出，第二耦合器(2)将传感光纤(8)的第一端口(13)出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元(10)，光电探测单元(10)输出电压信号数值至解调单元(11)，由解调单元(11)计算出传感光纤(8)各处的温度和应变信息，其特征在于，在所述解调单元(11)中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行如下自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式：
第一次测量自校准方法包括：
步骤110、获取基准最大增益频偏f0(t0)；
步骤120、获取第一次测量的最大增益频偏f1(t0)；
步骤130、使用f1(t0)-f0(t0)计算最大增益频偏变化Δf1(t0)；
步骤140、第一次温度测量结果表述为第一次测量时温度相较于基准测量时温度的变化量ΔT1，计算方法是，根据布里渊散射的特性，、由ΔT1＝Δf1/A求得当前传感光纤(8)各位置的第一次温度测量结果ΔT1，供第二次测量的自校准步骤使用，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数；
第二次及之后测量自校准方法包括：
步骤210：基准最大增益频偏在测量开始前依照步骤220所描述的方式获取，前次温度测量结果在前次测量的步骤250获取，其中“温度测量结果”显示当前测量时传感光纤(8)各点温度和基准测量时的温度间的差值，第N次温度测量结果记为ΔTN(t)；
步骤220：在-9至-13GHz间，以1MHz的步长调节任意波形发生器(7)给电光调制器(3)施加的调制信号频率，即探测光相对于泵浦光的频偏，逐一收集各调制频率下的布里渊信号，得到传感光纤(8)各个位置的布里渊增益谱，取其中增益最大点记录为f(t)，即得到最大增益频偏，在测量开始前，记录基准最大增益频偏f0(t0)，作为步骤210中的基准最大增益频偏，设传感光纤(8)某段距离第一端口(13)为d，延时t＝t0(d)，之后第N次测量结果为fN(t)，并设t＝tN(d)；
步骤230：利用如下公式计算延时，
n(l)为记录基准数据时传感光纤(8)各点的有效折射率，c为真空光速，假设第(N-1)次温度测量准确，且相邻两次测量间温度无变化，设传感光纤(8)有效折射率的热光系数为Δn；每次测量时，传感光纤(8)各点有效折射率的没有波动，即
为基准测量时平均有效折射率，当前测量和基准测量的延时关系经推导如下：
测量的延时tN的数据点和基准数据的延时
的数据点对应同一段传感光纤(8)，其中Δn是光纤材料属性，不随时间改变，
积分修正了tN和t0间的映射关系，即构成自校准，在自校准软件模块运行中，设采样间隔为Δt，采用下述计算方法，
步骤240：将同一段传感光纤(8)的实测最大增益频偏
和基准最大增益频偏f0(t0)相减，即得当前最大增益变化：
若
没有时域采样点对应，选取此时刻前后最邻近的两个或多个数据点，利用最邻近两点最大增益频偏的线性插值法，获取该延时下的数据点；
步骤250：根据布里渊散射的特性，由ΔTN＝ΔfN/A求得当前传感光纤(8)各位置的当前温度测量结果ΔTN，供下一次测量的自校准步骤210使用，其中比例系数A由光纤材料决定，为测量前已知的不变常数，温度测量完成后，将参数ΔTN(t)和fN(t)提供给下一次测量的自校准步骤210使用。
8.一种频偏时域布里渊光时域分析分布式光纤传感系统，其特征在于，该分布式光纤传感系统中包括有激光光源(1)、第一耦合器(2)、第二耦合器(9)、电光调制器(3)、任意波形发生器(7)、第一光纤放大器(4)、第二光纤放大器(6)、传感光纤(8)、光电探测单元(10)和解调单元(11)，所述激光光源(1)发出的激光被第一耦合器(2)分束成为探测光和泵浦光，脉冲泵浦光经电光调制器(3)移频至-9至-13GHz，经第一光纤放大器(4)放大移频后的探测光经过第二耦合器(9)输入至传感光纤(8)的第一端口(13)，泵浦光经第二光纤放大器(6)放大后输入至传感光纤(8)的第二端口(12)，连续探测光在传感光纤(8)中传播，并携带与环境相关的布里渊信号从第一端口(13)射出，第二耦合器(9)将传感光纤(8)的第一端口(13)出射的探测光及布里渊信号分离开，并将布里渊信号输入至光电探测单元(10)，光电探测单元(10)输出电压信号数值至解调单元(11)，由解调单元(11)计算出传感光纤(8)各处的温度和应变信息，在所述解调单元(11)中设有自校准软件模块，该自校准软件模块执行自校准方法，该自校准方法分为第一次测量自校准和第二次及之后测量自校准两种处理方式，先进行第一次测量自校准，再进行第二次及之后测量自校准。
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| CN114812631B (zh) | 2024-07-23 |
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