CN216132473U - 一种基于四分频驱动和差分脉冲对的botda系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，包括窄线宽激光器、第一电光强度调制器、光耦合器、偏振控制器、第一掺饵光纤放大器、光隔离器、单模光纤、第一光滤波器、第二电光强度调制器、第二掺饵光纤放大器、环形器、第二光滤波器、光电探测器、可调射频信号发生器、脉冲发生与编码模块以及数据采集与处理模块；光耦合器上路与偏振控制器连接，光耦合器下路与第一光滤波器连接，第二掺饵光纤放大器与环形器1口连接，环形器2口与单模光纤末端连接，环形器3口与第二光滤波器连接。本实用新型只用原射频驱动信号的四分之一来实现两束光频差为布里渊频移，利用差分脉冲对实现了高分辨率和信噪比的测量结果。

Description

一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统。

背景技术

基于光纤受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time-Domain Analysis，BOTDA)，因其高强度、长距离、可感知温度及应变的优点，已广泛应用于电缆、隧道、桥梁、铁路石油天然气管道输送等温度(或应力变化)敏感的重大基础设施工程项目中。BOTDA作为分布式光纤传感技术的一种，主要是通过检测光纤中的布里渊散射光波的变化，来解调出外界的影响因素。其工作原理如下：让两束光在光纤中相向传播，一束是频率为v₁的脉冲泵浦光，另一束是频率为v₂的连续探测光。当两束光在光纤某处相遇且两者的频率差等于布里渊频移v_B(约11GHz)时，频率高的光信号的能量将向频率低的光信号转移，即所谓的受激布里渊放大。当光纤上的某一段发生应变时，该部位的布里渊频移将由v_B变成v_B+Δv，从而引起该区域布里渊信号的急剧变化。通过扫频使入射的泵浦光和探测光之间的频率差等于v_B，就能接收到该处的布里渊散射信号，进而测得布里渊频移(BFS)，根据布里渊频移(BFS)与温度和应变之间存在的线性关系，就可以实现温度和应变的分布式传感。

如图1所示，传统的BOTDA系统为了得到两路频率差为v_B的连续探测光和脉冲泵浦光，需要将激光器发出的频率为v₀的连续光经过耦合器一分为二，一路光经过电光调制器的射频信号v_RF调制后，得到v₀+v_RF的连续探测光信号，另一路光经过电光调制器后，得到v₀的脉冲泵浦光，通过扫描v_RF的频率，使两束光的差值v_RF接近光纤的布里渊频移v_B(约11GHz)，以发生受激布里渊效应。

普通单模光纤中的布里渊频移约为11GHz，那么电光调制器需要同样为11GHz的射频电信号来驱动，常用的信号发生器输出频率为几百MHz，而专用射频信号发生器，如可实现10GHz以上输出频率的任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)价格昂贵，使系统成本急剧增加。此外，BOTDA光纤传感系统的空间分辨率会受到脉冲泵浦光的脉冲宽度制约，理论上其脉宽越窄，越能实现较高的空间分辨率；但是当脉宽小于光纤中的声子寿命(约为10ns)时，由于没有足够的反应时间难以建立稳定的声波场，会使得系统的测量精度随之降低，因此一般BOTDA系统的空间分辨率因声子寿命被限制在m量级(10ns脉宽对于1m的空间分辨率)。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术的不足，结合电光调制器的移频特性与差分脉冲编码技术，提出了一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统。

本实用新型通过以下技术手段实现上述目的：

一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，包括窄线宽激光器、第一电光强度调制器、光耦合器、偏振控制器、第一掺饵光纤放大器、光隔离器、单模光纤、第一光滤波器、第二电光强度调制器、第二掺饵光纤放大器、环形器、第二光滤波器、光电探测器、可调射频信号发生器、脉冲发生与编码模块以及数据采集与处理模块；

窄线宽激光器与第一电光强度调制器连接，第一电光强度调制器的电极与可调射频信号发生器连接，其输出连接到光耦合器，光耦合器上路与偏振控制器连接，偏振控制器与第一掺饵光纤放大器连接，第一掺饵光纤放大器与光隔离器连接，光隔离器与单模光纤始端连接，光耦合器下路与第一光滤波器连接，第一光滤波器与第二电光强度调制器连接，第二电光强度调制器的电极与脉冲发生与编码模块连接，其输出端与第二掺饵光纤放大器连接，第二掺饵光纤放大器与环形器1口连接，环形器2口与单模光纤末端连接，环形器3口与第二光滤波器连接，第二光滤波器与光电探测器连接，光电探测器与数据采集与处理模块的信号端连接，数据采集与处理模块的触发端与脉冲发生与编码模块连接。

进一步地，所述数据采集与处理模块包括顺序连接的示波器和脉冲解码模块，示波器信号端与光电探测器连接，触发端与脉冲发生与编码模块连接。

进一步地，所述单模光纤为普通单模光纤，在波长为1550nm时的折射率为1.4682。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

本实用新型基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统具有以下有益效果：射频驱动信号只需原来的四分之一就可以实现两束光频差为布里渊频移，避免使用更加昂贵的射频信号发生器，降低了成本和电路设计难度，同时系统扫频范围更窄，使其便于实现动态测量；采用的差分脉冲对信号替代原有单脉冲信号，克服了声子寿命的制约，使得空间分辨率显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统BOTDA系统框图；

图2是本实用新型基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统的结构图；

图3是本实用新型基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统的流程图；

图4是本实用新型理论分析中引入的第一类Bessel函数J_n(x)的图像；

图5是本实用新型理论分析中引入的二阶边波带最大而其他边波带抑制的输出光谱图；

图6是本实用新型实施例中输入差分脉冲对信号示意图；

图7是本实用新型实施例中输出布里渊散射信号示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，本实用新型提供一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，包括：窄线宽激光器、第一电光强度调制器、光耦合器、偏振控制器、第一掺饵光纤放大器、光隔离器、单模光纤、第一光滤波器、第二电光强度调制器、第二掺饵光纤放大器、环形器、第二光滤波器、光电探测器、可调射频信号发生器、脉冲发生与编码模块以及数据采集与处理模块。

窄线宽激光器与第一电光强度调制器连接，第一电光强度调制器的电极与可调射频信号发生器连接，其输出连接到光耦合器，光耦合器上路与偏振控制器连接，偏振控制器与第一掺饵光纤放大器连接，第一掺饵光纤放大器与光隔离器连接，光隔离器与单模光纤始端连接，光耦合器下路与第一光滤波器连接，第一光滤波器与第二电光强度调制器连接，第二电光强度调制器的电极与脉冲发生与编码模块连接，其输出端与第二掺饵光纤放大器连接，第二掺饵光纤放大器与环形器1口连接，环形器2口与单模光纤末端连接，环形器3口与第二光滤波器连接，第二光滤波器与光电探测器连接，光电探测器与数据采集与处理模块的信号端连接，数据采集与处理模块的触发端与脉冲发生与编码模块连接。

本实施例中，所述脉冲发生与编码模块可由FPGA(一种可编程器件)实现；所述数据采集与处理模块包括顺序连接的示波器和脉冲解码模块，示波器信号端与光电探测器连接，触发端与脉冲发生与编码模块连接，脉冲解码模块可由计算机利用MATLAB(一种仿真软件)实现。

参照图3，采用所述基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，只用原射频驱动信号的四分之一来实现两束光频差为布里渊频移，利用差分脉冲对信号对脉冲进行编码提高空间分辨率，包括如下步骤：

1)、产生±2阶双边带光信号：窄线宽激光器产生的连续光信号经过第一电光强度调制器，第一电光强度调制器的射频端加入的电信号约为布里渊频移的四分之一，改变电光调制器直流偏置电压与射频调制电压的幅值，使输出光信号的频谱成分中±2阶的边波带强度较大，而其他边波带成分可以忽略，第一电光强度调制器的输出光经光耦合器被分为上下两路连续光；

2)、产生连续探测光：光耦合器上路的连续光经过偏振控制器、第一掺饵光纤放大器和光隔离器后，作为连续探测光从光纤始端输入到待测的单模光纤中；

3)、产生差分脉冲对信号：光耦合器下路的连续光经过第一光滤波器滤波后，只保留-2阶边波带光信号(构成损耗型BOTDA系统)输入到第二电光强度调制器中，利用脉冲发生与编码模块生成如图6所示的两个具有微小脉宽差的脉冲对电信号(设脉宽分别为τ₁和τ₂)并加载到第二电光强度调制器的电极上，生成相应的脉冲对光信号，此差分脉冲对光信号经过第二掺饵光纤放大器放大后，从环形器1口进、环形器2口出，再从环形器2口输入到光纤末端进而输入到待测的单模光纤中；

4)、发生受激布里渊效应：上路的连续探测光和下路的脉冲泵浦光分别从光纤两端进入待测的单模光纤中，当加在第一电光强度调制器的可调射频信号发生器的输出频率改变时，使两束光的频差也发生变化，当两者频差刚好为布里渊频移v_B时，这两束光就发生了受激布里渊效应；

5)、产生背向散射光信号：发生受激布里渊效应后，进入到单模光纤中的脉冲泵浦光会产生背向的布里渊散射光信号，它会从环形器的2口经过3口传输到第二光滤波器中，利用第二光滤波器采集放大后的布里渊散射光信号，对其进行数据信号处理；

6)、数据采集与处理：经第二光滤波器采集到的光信号，经过光电探测器转变为电信号后，再由数据采集与处理模块进行处理：如图7所示，对电信号先进行解码得到差分布里渊散射信号(对应的脉宽为τ₁-τ₂)，利用计算机辅助算法提取出布里渊频移，再由布里渊频移来推算出光纤某处的温度和应变。

本实用新型利用电光强度调制器的移频特性，让其输出光中的+2阶和-2阶边波带信号的强度最大，而其他边波带如载波(0阶)、±1阶等信号强度得到抑制甚至消失，不至于产生信号干扰，因此要对电光强度调制器的输出光波表达式进行分析。

设作用在电光强度调制器两电极(分别是直流电极和射频电极)上的调制电压为：

V＝V_DC+V_RFcos(w_RFt) (1)

其中，V_DC为加在直流电极上的直流偏置电压，V_RF为加在射频电极上的射频调制电压，w_RF为射频信号角频率，则输出光波的表达式为：

其中，E₀为入射光幅值，w₀为入射光频率，

为调制深度，V_π为半波电压，

为直流偏置电压导致的相位。

将式(2)按第一类Bessel函数展开：

由(3)式可见，输出光的频谱中除了入射光的光频w₀外，还有w₀±w_RF，w₀±2w_RF，w₀±3w_RF等光频成分。简化起见，根据所对应的Bessel函数的阶数，分别称这些光频成分为0阶，1阶，2阶…边波带。由(3)式，0阶及1到3阶边波带的强度分别为：

0阶：

1阶：

2阶：

3阶：

由式(4)可知，光谱中各频谱光强的相对值取决于第一类Bessel函数各阶值J_n(C)的平方与直流偏置电压引起的相位

即各阶边波带的强度受到直流偏置电压V_DC和射频调制电压V_RF的共同影响。通过数学仿真软件MATLAB绘制出第一类Bessel函数J_n(x)在n＝0,1,2,3时的曲线，如图4所示。

图4表明，当调制深度C＝3.1时，2阶边波带的强度最大，但此时1阶和3阶边波带的光强无法忽略，因此需要再改变直流偏置电压V_DC的值，抑制1阶和3阶边波带的光强。经推导，C＝3.1，V_DC＝0V时，可以得到二阶边波带最大，而其他边波带得到充分抑制的输出光谱，如图5所示。

经分析，虽然载波(0阶边波带)未能充分抑制，但其强度与二阶边波带强度相比较小，且两束光频差较大(约5.5GHz)，也难以导致信号干扰。上述分析表明，可以通过计算精确设定射频调制电压与直流偏置电压的值，使得输出光谱中的二阶边波带强度最大。

本实用新型利用差分脉冲对信号替换单脉冲信号实现了cm量级的空间分辨率，其原理可以概括如下：

作为一个具体实施的例子，图6采用了50ns-45ns的脉冲对作为脉冲泵浦光信号，分别对应5m和4.5m的空间分辨率，在每个布里渊扫频频率上对这两个脉冲的布里渊散射信号进行差分运算，得到的差分布里渊散射信号的空间分辨率为0.5m，即实现了低于1m的空间分辨率，从而突破了声子寿命对空间分辨率的制约。

本实用新型基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统的优点是只用原射频驱动信号的四分之一来实现两束光频差为布里渊频移，无需使用超高频射频信号发生器，因其所需最大射频频率没有超过3GHz，无需使用专用射频板材，降低了成本和电路设计难度，系统扫频范围更窄使其便于实现长距离动态温度/应变的检测，可继续采用传统测量步骤和实验仪器避免额外成本的增加；利用脉冲编码技术，用两个具有微小脉宽差别的脉冲信号替代原单脉冲信号，只需对这两个脉冲的布里渊散射信号进行差分运算，就可以得到高空间分辨率和信噪比的测量结果。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、第一电光强度调制器、光耦合器、偏振控制器、第一掺饵光纤放大器、光隔离器、单模光纤、第一光滤波器、第二电光强度调制器、第二掺饵光纤放大器、环形器、第二光滤波器、光电探测器、可调射频信号发生器、脉冲发生与编码模块以及数据采集与处理模块；

窄线宽激光器与第一电光强度调制器连接，第一电光强度调制器的电极与可调射频信号发生器连接，其输出连接到光耦合器，光耦合器上路与偏振控制器连接，偏振控制器与第一掺饵光纤放大器连接，第一掺饵光纤放大器与光隔离器连接，光隔离器与单模光纤始端连接，光耦合器下路与第一光滤波器连接，第一光滤波器与第二电光强度调制器连接，第二电光强度调制器的电极与脉冲发生与编码模块连接，其输出端与第二掺饵光纤放大器连接，第二掺饵光纤放大器与环形器1口连接，环形器2口与单模光纤末端连接，环形器3口与第二光滤波器连接，第二光滤波器与光电探测器连接，光电探测器与数据采集与处理模块的信号端连接，数据采集与处理模块的触发端与脉冲发生与编码模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，其特征在于，所述数据采集与处理模块包括顺序连接的示波器和脉冲解码模块，示波器信号端与光电探测器连接，触发端与脉冲发生与编码模块连接。

3.根据权利要求1所述的基于四分频驱动和差分脉冲对的BOTDA系统，其特征在于，所述单模光纤为普通单模光纤，在波长为1550nm时的折射率为1.4682。

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