CN212158638U - 一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统。该系统包括：窄线宽连续激光器、光耦合器、微波源模块、混频器、滤波器、电光强度调制器、掺铒光纤放大器、光纤布拉格光栅、光环形器、偏振分束器、光纤延迟线、偏振合束器、偏振控制器、可编程光处理器、光隔离器、光电探测器、数模转换模块、模数转换模块、待测光纤。本实用新型通过在待测光纤两端分别打入相向传输的泵浦光和探测光，产生受激布里渊散射，然后分析探测光的光谱变化得到待测光纤的信息。本实用新型克服BOTDA系统实时性差、实时性BOTDA系统空间分辨率低、温度应力灵敏度差的不足，由于测量时间压缩至毫秒量级，光纤的kHz以上量级的振动信息也可以被侦测到。

Description

一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统

技术领域

本实用新型属于布里渊光时域分析与实时分布式光纤传感领域，涉及一种实时分布式光纤传感系统，具体涉及一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统。

背景技术

受激布里渊散射是一种光纤光传输中出现的比较典型的非线性过程，当输入进光纤的泵浦光功率足够强时，强电磁场的作用会使光纤分子产生电致收缩效应，使介质的密度和介电常数产生周期性的变化，形成声波场。声波使得散射光和泵浦光之间产生一个布里渊频移，在受激布里渊散射中散射光一般表现为斯托克斯光，即泵浦光产生下变频。布里渊频移的频移量不仅由光纤介质本身的材料特性所决定，还与光纤所处的环境相关，如温度、应力、振动等等。

布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time-Domain Analysis, BOTDA）是一种基于受激布里渊散射机理的传感分析技术，它可以用于长距离光纤的温度、应力、振动的分布式传感监测，在对通信光缆、建筑、油管、电力线、铁道等距离较长的在服役当中长期受到外力和环境侵蚀的大型基础设施的健康监测上有广阔的应用前景。这种技术在光纤两端分别打入相向传输的泵浦光和探测光，当两束光相遇时会产生受激布里渊散射，发生能量转移，并在两束光的频率差等于布里渊频移时能量转移达到峰值。通过分析探测光的光谱变化，根据布里渊频移与温度、应力、振动等的线性关系，并从时间上计算探测光和泵浦光在光纤中发生散射的位置，可以得到整一条长距离光纤每一位置上的温度、应力、振动等信息。

目前，BOTDA常采用的方式是对探测光进行扫频，并根据泵浦光和探测光打入的时间，最后得到整合恢复出光纤上的温度、应力信息，但这种方法做一次完整的扫描需要耗费数十分钟，实时性非常差。而一些响应速度快、实时性较好的BOTDA系统，则有空间分辨率低、温度应力灵敏度差等缺点的存在。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服传统BOTDA系统实时性差、实时性BOTDA系统空间分辨率低、温度应力灵敏度差的不足，提出一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，包括：窄线宽连续激光器、光耦合器、微波源模块、混频器、滤波器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第一掺铒光纤放大器、光纤布拉格光栅、第一光环形器、第二掺铒光纤放大器、偏振分束器、光纤延迟线、偏振合束器、第一偏振控制器、第三掺铒光纤放大器、可编程光处理器、第二偏振控制器、光隔离器、第二光环形器、光电探测器、数模转换模块、模数转换模块、第三偏振控制器、第四掺饵光纤放大器、第三光环形器、待测光纤；

其中，窄线宽连续激光器的输出端连接光耦合器的输入端；光耦合器的两个输出端分别连接第一电光强度调制器和第二电光强度调制器的光输入端；

数模转换模块的两个信号输出端分别连接第一电光强度调制器的电接口和混频器的一个输入端；混频器的另一个输入端连接微波源模块的输出端，混频器的输出端连接滤波器的输入端；滤波器的输出端连接第二电光强度调制器的电接口；

第一电光强度调制器、第一掺饵光纤放大器、光隔离器和第三光环形器顺次连接；第三光环形器的第一端口连接光隔离器的输出端，第三光环形器的第二端口连接待测光纤的一端；

第二电光强度调制器的光输出端、第二掺铒光纤放大器、第一光环形器、第三掺铒光纤放大器、偏振分束器、偏振合束器、可编程光处理器、第四掺铒光纤放大器和第二光环形器顺次连接；第一光环形器的第一端口连接第二掺铒光纤放大器的输出端，第一光环形器的第二端口连接光纤布拉格光栅一端，第一光环形器的第三端口连接第三掺铒光纤放大器的输入端；在第三掺铒光纤放大器和偏振分束器的连接处设置第一偏振控制器；偏振分束器的一个输出端通过光纤延迟线连接偏振合束器的一个输入端，偏振分束器的另一个输出端与偏振合束器的另一个输入端连接；光纤延迟线上设置第二偏振控制器；偏振合束器输出端和可编程光处理器输入端的连接处设置第三偏振控制器；第二光环形器的第一端口连接第四掺铒光纤放大器的输出端，第二光环形器的第二端口连接待测光纤的另一端，第二光环形器的第三端口连接光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接模数转换模块的输入端。

进一步地，窄线宽连续激光器通过光耦合器将光信号发送到第一电光强度调制器和第二电光强度调制器。

进一步地，所述数模转换模块发送一个连续的数字电频梳信号，经过第一电光强度调制器和第一掺铒光纤放大器得到连续数字光频梳信号并将其作为探测光；所述探测光具有0-50GHz的带宽，直接承载整个布里渊增益谱，更快速地得到布里渊频移的位置，而无需通过传统的费时的扫频探测方式。连续探测光由许多连续独立的帧构成。

进一步地，所述数模转换模块发送随机的低频FSK脉冲阵列信号，频率范围为200MHz-2GHz，经过混频器与微波源模块产生的恒定频率的正弦信号混频，并经过滤波器滤波，得到一系列10-12GHz的电脉冲信号，用它们输入第二电光强度调制器调制窄线宽连续激光器输入的光信号得到一串不同频率的光脉冲阵列。

进一步地，第二电光强度调制器输出的光脉冲阵列经过第二掺铒光纤放大器放大后，由光纤布拉格光栅滤除载波，再由第三掺铒光纤放大器放大，由第一偏振控制器、偏振分束器、光纤延迟线、第二偏振控制器和偏振合束器将每一个脉冲分成在时域上紧挨在一起且功率相等的两个正交偏振的脉冲，用以消除布里渊散射的偏振敏感因素；然后合束后的脉冲经过第三偏振控制器进入可编程光处理器进一步过滤载波和高阶边带，最后由第四掺铒光纤放大器放大后得到最终的脉冲泵浦光。

进一步地，探测光和泵浦光从待测光纤的两个方向分别打入到待测光纤当中，脉冲泵浦光产生受激布里渊散射，将光功率转移到低频的探测光上，得到一系列的布里渊增益峰，通过光电探测器将输出探测光信号转为输出电信号，由模数转换模块接收。

进一步地，对输出电信号的一帧信号作快速傅里叶变换可以得到该帧输出电信号的增益谱，对每一帧都分别作快速傅里叶变换，即可得到增益矩阵S3(n,f)，其中n为帧数，f为频率；增益矩阵S3(n,f)可以视为系统的输出响应；同时，根据泵浦光脉冲阵列的排布时间、频率和功率可以构建一个输入矩阵S2(n,f)，其中n为帧数，f为频率，表示在第n帧的时刻对系统输入一个频率为f、功率为S2(n,f)的脉冲；输入矩阵S2(n,f)可以视为系统的输入响应。

进一步地，对输入矩阵S2和输出矩阵S3作二维快速傅里叶变换，可以分别得到他们的二维频谱S2’和S3’，由卷积定理，S3’与S2’逐元素相除可以得到脉冲响应的频谱S1’，最后再做二维快速反傅里叶变换（IFFT）可以得到脉冲响应S1，即为光纤的分布式布里渊增益响应；由于输入矩阵S2脉冲的增多，使信噪比得到显著的提升；最后对每一帧信号进行洛伦兹线型拟合，可得到增益峰值得准确位置。

本实用新型与传统BOTDA相比，测量速度大大提升，对于10km光纤的分布式测量仅需0.5ms，空间分辨率可达1米，频率分辨率2MHz，相应的温度分辨率1℃，温度响应范围-40℃~200℃，应变分辨率10με，应变响应范围-15000με~15000με。同时，由于测量时间压缩至毫秒量级，光纤的kHz以上量级的振动信息也可以被侦测到。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图。

图1中，窄线宽连续激光器1，光耦合器2，第一电光强度调制器3，数模转换模块4，混频器5，微波源模块6，第二掺铒光纤放大器7，第一光环形器8，光纤布拉格光栅9，第三掺铒光纤放大器10，第一偏振控制器11，偏振分束器12，光纤延迟线13，第二偏振控制器14，偏振合束器15，第三偏振控制器16，可编程光处理器17，第四掺铒光纤放大器18，第二光环形器19，第一掺铒光纤放大器20，光隔离器21，第三光环形器22，待测光纤23，光电探测器24，模数转换模块25，第二电光强度调制器26，滤波器27。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本实用新型的具体实施进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，包括：窄线宽连续激光器1、光耦合器2、微波源模块6、混频器5、滤波器27、第一电光强度调制器3、第二电光强度调制器26、第一掺铒光纤放大器20、光纤布拉格光栅9、第一光环形器8、第二掺铒光纤放大器7、偏振分束器12、光纤延迟线13、偏振合束器15、第一偏振控制器11、第三掺铒光纤放大器10、可编程光处理器17、第二偏振控制器14、光隔离器21、第二光环形器19、光电探测器24、数模转换模块4、模数转换模块25、第三偏振控制器16、第四掺饵光纤放大器18、第三光环形器22、待测光纤23；

在本实施例中，第一电光强度调制器3、第二电光强度调制器26均为fujitsuFTM7937EZ光纤强度调制器，可编程光处理器17型号为FinisarWaveShaper 16000A。

其中，窄线宽连续激光器1的输出端连接光耦合器2的输入端；光耦合器2的两个输出端分别连接第一电光强度调制器3和第二电光强度调制器26的光输入端；

数模转换模块4的两个信号输出端分别连接第一电光强度调制器3的电接口和混频器5的一个输入端；混频器5的另一个输入端连接微波源模块6的输出端，混频器5的输出端连接滤波器27的输入端；滤波器27的输出端连接第二电光强度调制器26的电接口；

第一电光强度调制器3、第一掺饵光纤放大器20、光隔离器21和第三光环形器22顺次连接；第三光环形器22的第一端口连接光隔离器21的输出端，第三光环形器22的第二端口连接待测光纤23的一端；

第二电光强度调制器26的光输出端、第二掺铒光纤放大器7、第一光环形器8、第三掺铒光纤放大器10、偏振分束器12、偏振合束器15、可编程光处理器17、第四掺铒光纤放大器18和第二光环形器19顺次连接；第一光环形器8的第一端口连接第二掺铒光纤放大器7的输出端，第一光环形器8的第二端口连接光纤布拉格光栅9一端，第一光环形器8的第三端口连接第三掺铒光纤放大器10的输入端；在第三掺铒光纤放大器10和偏振分束器12的连接处设置第一偏振控制器11；偏振分束器12的一个输出端通过光纤延迟线13连接偏振合束器15的一个输入端，偏振分束器12的另一个输出端与偏振合束器15的另一个输入端连接；光纤延迟线13上设置第二偏振控制器14；偏振合束器15输出端和可编程光处理器17输入端的连接处设置第三偏振控制器16；第二光环形器19的第一端口连接第四掺铒光纤放大器18的输出端，第二光环形器19的第二端口连接待测光纤23的另一端，第二光环形器19的第三端口连接光电探测器24的输入端；光电探测器24的输出端连接模数转换模块25的输入端。

进一步地，窄线宽连续激光器1通过光耦合器2将光信号发送到第一电光强度调制器3和第二电光强度调制器26。

进一步地，所述数模转换模块4发送一个连续的数字电频梳信号，经过第一电光强度调制器3和第一掺铒光纤放大器20得到连续数字光频梳信号并将其作为探测光；所述探测光具有0-50GHz的带宽，直接承载整个布里渊增益谱，更快速地得到布里渊频移的位置，而无需通过传统的费时的扫频探测方式。连续探测光由许多连续独立的帧构成。

进一步地，所述数模转换模块4发送随机的低频FSK脉冲阵列信号，频率范围为200MHz-2GHz，经过混频器5与微波源模块6产生的恒定频率的正弦信号混频，并经过滤波器27滤波，得到一系列11-12GHz的电脉冲信号，用它们输入第二电光强度调制器26调制窄线宽连续激光器1输入的光信号得到一串不同频率的光脉冲阵列。

进一步地，第二电光强度调制器26输出的光脉冲阵列经过第二掺铒光纤放大器7放大后，由光纤布拉格光栅9滤除载波，再由第三掺铒光纤放大器10放大，由第一偏振控制器11、偏振分束器12、光纤延迟线13、第二偏振控制器14和偏振合束器15将每一个脉冲分成在时域上紧挨在一起且功率相等的两个正交偏振的脉冲，用以消除布里渊散射的偏振敏感因素；然后合束后的脉冲经过第三偏振控制器16进入可编程光处理器17进一步过滤载波和高阶边带，最后由第四掺铒光纤放大器18放大后得到最终的脉冲泵浦光。

进一步地，探测光和泵浦光从待测光纤23的两个方向分别打入到待测光纤23当中，脉冲泵浦光产生受激布里渊散射，将光功率转移到低频的探测光上，得到一系列的布里渊增益峰，通过光电探测器24将输出探测光信号转为输出电信号，由模数转换模块25接收。

进一步地，对输出电信号的一帧信号作快速傅里叶变换可以得到该帧输出电信号的增益谱，对每一帧都分别作FFT，即可得到增益矩阵S3(n,f)，其中n为帧数，f为频率；增益矩阵S3(n,f)可以视为系统的输出响应；同时，根据泵浦光脉冲阵列的排布时间、频率和功率可以构建一个输入矩阵S2(n,f)，其中n为帧数，f为频率，表示在第n帧的时刻对系统输入一个频率为f、功率为S2(n,f)的脉冲；输入矩阵S2(n,f)可以视为系统的输入响应。

进一步地，由于受激布里渊散射相对于帧数和频率是时不变的，且增益的大小和输入功率呈线性关系，因此可以将该系统视为一个线性时不变系统。对于一个线性时不变系统，由卷积定理，输出响应由输入响应和脉冲响应的卷积给出，因此可以反过来通过输出相应和输入响应求系统的脉冲响应S1，即光纤中每一帧的布里渊增益曲线。

进一步地，对输入矩阵S2和输出矩阵S3作二维快速傅里叶变换，可以分别得到他们的二维频谱S2’和S3’，由卷积定理，S3’与S2’逐元素相除可以得到脉冲响应的频谱S1’，最后再做二维快速反傅里叶变换可以得到脉冲响应S1，即为光纤的分布式布里渊增益响应；由于输入矩阵S2脉冲的增多，使信噪比得到显著的提升；最后对每一帧信号进行洛伦兹线型拟合，可得到增益峰值得准确位置。

对于10km的光纤，单次测量从数模转换模块信号发射到10km处输出探测光信号完全被采集仅需0.5ms；空间分辨率由探测光的帧长决定，可达到1米的空间分辨率；频率分辨率由多次测量的不确定度所确定，可达到2MHz的频率分辨率，相应的温度分辨率1℃，相应的应变分辨率10με；响应范围由探测光的带宽所决定，温度响应范围-40℃~200℃，应变响应范围-15000με~15000με。同时，由于测量时间压缩至毫秒量级，光纤的kHz以上量级的振动信息也可以被侦测到。

Claims (5)

1.一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，其特征在于，包括：窄线宽连续激光器（1）、光耦合器（2）、微波源模块（6）、混频器（5）、滤波器（27）、第一电光强度调制器（3）、第二电光强度调制器（26）、第一掺铒光纤放大器（20）、光纤布拉格光栅（9）、第一光环形器（8）、第二掺铒光纤放大器（7）、偏振分束器（12）、光纤延迟线（13）、偏振合束器（15）、第一偏振控制器（11）、第三掺铒光纤放大器（10）、可编程光处理器（17）、第二偏振控制器（14）、光隔离器（21）、第二光环形器（19）、光电探测器（24）、数模转换模块（4）、模数转换模块（25）、第三偏振控制器（16）、第四掺铒光纤放大器（18）、第三光环形器（22）、待测光纤（23）；

其中，窄线宽连续激光器（1）的输出端连接光耦合器（2）的输入端；光耦合器（2）的两个输出端分别连接第一电光强度调制器（3）和第二电光强度调制器（26）的光输入端；

数模转换模块（4）的两个信号输出端分别连接第一电光强度调制器（3）的电接口和混频器（5）的一个输入端；混频器（5）的另一个输入端连接微波源模块（6）的输出端，混频器（5）的输出端连接滤波器（27）的输入端；滤波器（27）的输出端连接第二电光强度调制器（26）的电接口；

第一电光强度调制器（3）、第一掺铒光纤放大器（20）、光隔离器（21）和第三光环形器（22）顺次连接；第三光环形器（22）的第一端口连接光隔离器（21）的输出端，第三光环形器（22）的第二端口连接待测光纤（23）的一端；

第二电光强度调制器（26）的光输出端、第二掺铒光纤放大器（7）、第一光环形器（8）、第三掺铒光纤放大器（10）、偏振分束器（12）、偏振合束器（15）、可编程光处理器（17）、第四掺铒光纤放大器（18）和第二光环形器（19）顺次连接；第一光环形器（8）的第一端口连接第二掺铒光纤放大器（7）的输出端，第一光环形器（8）的第二端口连接光纤布拉格光栅（9）一端，第一光环形器（8）的第三端口连接第三掺铒光纤放大器（10）的输入端；在第三掺铒光纤放大器（10）和偏振分束器（12）的连接处设置第一偏振控制器（11）；偏振分束器（12）的一个输出端通过光纤延迟线（13）连接偏振合束器（15）的一个输入端，偏振分束器（12）的另一个输出端与偏振合束器（15）的另一个输入端连接；光纤延迟线（13）上设置第二偏振控制器（14）；偏振合束器（15）输出端和可编程光处理器（17）输入端的连接处设置第三偏振控制器（16）；第二光环形器（19）的第一端口连接第四掺铒光纤放大器（18）的输出端，第二光环形器（19）的第二端口连接待测光纤（23）的另一端，第二光环形器（19）的第三端口连接光电探测器（24）的输入端；光电探测器（24）的输出端连接模数转换模块（25）的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，其特征在于，窄线宽连续激光器（1）通过光耦合器（2）将光信号发送到第一电光强度调制器（3）和第二电光强度调制器（26）。

3.根据权利要求1所述的一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，其特征在于，所述数模转换模块（4）发送一个连续的数字电频梳信号，经过第一电光强度调制器（3）和第一掺铒光纤放大器（20）得到连续数字光频梳信号并将其作为探测光；所述探测光具有0-50GHz的带宽，直接承载整个布里渊增益谱；连续探测光由许多连续独立的帧构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，其特征在于，所述数模转换模块（4）发送随机的低频FSK脉冲阵列信号，频率范围为200MHz-2GHz，经过混频器（5）与微波源模块（6）产生的恒定频率的正弦信号混频，并经过滤波器（27）滤波，得到一系列10-12GHz的电脉冲信号，用它们输入第二电光强度调制器（26）调制窄线宽连续激光器（1）输入的光信号得到一串不同频率的光脉冲阵列。

5.根据权利要求1所述的一种基于多泵浦的实时光纤布里渊时域分析传感系统，其特征在于，第二电光强度调制器（26）输出的光脉冲阵列经过第二掺铒光纤放大器（7）放大后，由光纤布拉格光栅（9）滤除载波，再由第三掺铒光纤放大器（10）放大，由第一偏振控制器（11）、偏振分束器（12）、光纤延迟线（13）、第二偏振控制器（14）和偏振合束器（15）将每一个脉冲分成在时域上紧挨在一起且功率相等的两个正交偏振的脉冲，用以消除布里渊散射的偏振敏感因素；合束后的脉冲经过第三偏振控制器（16）进入可编程光处理器（17）进一步过滤载波和高阶边带，由第四掺铒光纤放大器（18）放大后得到最终的脉冲泵浦光。

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