基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感方法
【專利摘要】布里淵光時域分析儀(BOTDA)可實現溫度、應變的連續分布式傳感，已經發展成實用化的光纖傳感技術，目前廣泛應用于輸油管道、高壓電纜以及橋梁建筑的溫度和應變的監測。本實用新型建立一種全新分析傳感系統，該系統在利用泵浦上邊帶與探測光作用產生增益譜同時，利用下邊帶與探測光作用產生損耗譜，實現了兩者的光域相減，不僅可實現快速與高空間分辨傳感，且可使測量時間在摘要極大減少。
【專利說明】
基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感方法
技術領域
[0001]本發明涉及分布式光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于相移脈沖及頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感方法。
【背景技術】
[0002]布里淵光時域分析儀(BOTDA)可實現溫度、應變的連續分布式傳感，已經發展成實用化的光纖傳感技術，目前廣泛應用于輸油管道、高壓電纜以及橋梁建筑的溫度和應變的監測。
[0003]BOTDA的物理機制基于光纖的受激布里淵散射(SBS)。布里淵探測光和栗浦光從傳感光纖兩端輸入，其拍頻產生以聲速移動的光柵，在多普勒效應下，該光柵對布里淵栗浦產生頻移約10-12GHZ的散射光，最終探測光由于布里淵增益而被放大。布里淵增益大小取決于信號光和栗浦光之間的頻率差和光纖的固有布里淵頻移，當信號光和栗浦光之間的頻率差與布里淵頻移一致時，SBS增益最強。布里淵頻移與溫度及應變之間呈線性關系，通過測得布里淵增益譜沿光纖的分布，即可獲知溫度及應變沿光纖的分布。
[0004]常規BOTDA—般采用掃頻技術獲取布里淵增益譜，因此耗時較長，只能測量靜態的溫度、應變事件，而無法捕獲動態事件;此外，由于聲子壽命約為10ns，過窄的光脈沖會引起增益譜快速展寬及峰值增益降低，影響接收信噪比(SNR)及測量精度。一般地，常規BOTDA的空間分辨物理極限為約Imc3A.Voskoboinik等人提出頻率梳注入技術(A.Voskoboinik,
0.F.YiImaz,A.ff.ffillner,et al.Sweep-free distributed Brillouin time-domainanalyzer(SF-BOTDA).0pt.Express，2011,19(26):B842-B847)以實現多個頻率成分同時注入，提升BOTDA的測量速度。但是，該方法只能實現大于Im的空間分辨率。如何同時實現快速測量及高空間分辨小于Im傳感則尚未見相關報道，解決該問題具有重要的實用價值。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的問題是:如何提供一種基于相移脈沖及頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感方法，其旨在提升傳感速度的同時，顯著改進系統的空間分辨率。
[0006]為達上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]—種基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感系統，
[0008]包括激光器(1’)、電光調制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環形器(5’)、調制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、擾偏器(12’)、環形器(13’)、電光調制器(14’)、摻鉺光纖放大器(15’)、濾波器(16’)、衰減器(17’)、隔離器(18’)、傳感光纖(19’)、任意波形發生器(20’)、混頻器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23’)、射頻放大器(24’)、衰減器(25’)、探測器(26’)、微波放大器(27’)、混頻器(28’)、微波源(29’)、低通濾波器(30’)、數據采集卡(31’)、計算機(32，)。
[0009]進一步地，所述基于相移脈沖與頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感方法，第二類實施方法中，如圖3所示，光源(Γ )經電光調制器(2’)后產生兩個邊帶，經光纖光柵(4’)反射后，再經調制器(6’)形成栗浦上邊帶；同時，透射部分經調制器(9’)形成下邊帶。栗浦邊帶分別由任意波形發生器(20’)產生的頻率梳驅動;其中一邊帶為相移脈沖，另一邊帶則為無相移脈沖。光纖光柵(4)透射端經調制器(14’)后產生探測光梳。其中，調制器(14’)由任意波形發生器產生的頻率梳與微波源(22’)經混頻器(21’)后驅動。栗浦下邊帶光梳的間距等于探測光梳間距與布里淵增益譜重構步長之差;而栗浦上邊帶光梳的間距則等于探測光梳間距與布里淵增益譜重構步長之和。
[0010]向光纖注入探測光及布里淵栗浦光，得出功率一布里淵頻移一距離三維圖，經洛倫茲曲線擬合，得出傳感光纖的溫度/應變分布。
[0011]進一步的，上述方法在利用栗浦上邊帶與探測光作用產生增益譜同時，利用下邊帶與探測光作用產生損耗譜，實現兩者的光域相減。
[0012]本發明的有益效果為本發明中，與常規布里淵光時域分析系統相比，不僅可實現快速與高空間分辨傳感，且可使測量時間大大減少，具備很強的實用性。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明所提供的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感第一類方法結構圖。
[0014]附圖標記為:激光器(1)、調制器(2)、擾偏器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、衰減器(5)、環形器(6)、傳感光纖(7)、電光調制器(8)、摻鉺光纖放大器(9)、濾波器(10)、衰減器(11)、隔離器(12)、任意波形發生器(13)、混頻器(14)、微波源(15)、微波放大器(16)、衰減器
(17)、探測器(18)、微波放大器(19)、微波源(20)、混頻器(21)、低通濾波器(22)、數據采集卡(23)、計算機(24)；
[0015]圖2是本發明所提供的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感第一類方法栗浦頻率梳調制波形。
[0016]圖3是本發明所提供的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感第二類方法結構圖。
[0017]其中包括激光器(1’)、電光調制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環形器(5’)、調制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、擾偏器(12’)、環形器(13’)、電光調制器(14’)、摻鉺光纖放大器(15’)、濾波器(16’)、衰減器(17’)、隔離器(18’)、傳感光纖(19’)、任意波形發生器(20’)、混頻器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23’)、射頻放大器(24’)、衰減器(25’)、探測器(26’)、微波放大器(27’)、混頻器(28’)、微波源(29’)、低通濾波器(30’)、數據采集卡(31’)、計算機(32’)
[0018]圖4是經洛淪茲擬合后，峰值布里淵頻移分布。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明作進一步描述:
[0020]實施例1
[0021]如圖1所示:本發明的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感系統，第一類方法中，包括激光器(I)、調制器(2)、擾偏器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、衰減器(5)、環形器(6)、傳感光纖(7)、電光調制器(8)、摻鉺光纖放大器
(9)、濾波器(10)、衰減器(11)、隔離器(12)、任意波形發生器(13)、混頻器(14)、微波源
(15)、微波放大器(16)、衰減器(17)、探測器(18)、微波放大器(19)、微波源(20)、混頻器
[21]、低通濾波器(22)、數據采集卡(23)、計算機(24)。
[0022]所述激光器(I)產生光束，光束經分束器分為兩束，一束經電光調制器(8)產生頻移為10?IlGHz的布里淵探測光梳，探測光梳由任意波形發生器(13)與微波源(15)經混頻器(14)后驅動電光調制器(8)產生;探測光的一個邊帶由濾波器(10)濾除，再經摻鉺光纖放大器(9)及衰減器(11)后注入傳感光纖(7)。另一束光經調制器(2)產生栗浦脈沖頻率梳;調制器(2)由任意波形發生器(13)經微波放大器(16)進行驅動；該栗浦脈沖頻率梳進一步經擾偏器(3)克服偏振相關增益噪聲，及摻鉺光纖放大器(4)放大后，通過環形器(6)注入傳感光纖(7)。兩路光梳的間距之差由布里淵增益譜重構步長決定。探測光中心載波與頻率梳邊帶經探測器(18)產生拍頻，再混頻器(21)產生基帶信號。采集數據后，每一頻率成分經快速傅里葉變換(FFT)濾出各個頻率成分，再經快速反傅里葉變換(IFFT)得出每種頻率成分的時域波形，從而實現布里淵增益譜快速重構。
[0023]如圖2所示:本發明的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感系統，第一類方法中，脈沖調制頻率梳由無相移及有相移的兩個脈沖構成脈沖對。將有、無相移兩種情形所得布里淵增益譜相減可獲取布里淵增益譜，相移持續時間決定了空間分辨率。
[0024]實施例2:
[0025]如圖3所示:本發明的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感系統，第二類方法中，包括激光器(1’)、電光調制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環形器(5’)、調制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、擾偏器(12’)、環形器(13’)、電光調制器(14’)、摻鉺光纖放大器(15’)、濾波器(16’)、衰減器(17’)、隔離器(18’)、傳感光纖(19’)、任意波形發生器(20’)、混頻器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23’)、射頻放大器(24’)、衰減器(25’)、探測器(26’)、微波放大器(27’)、混頻器(28’)、微波源(29’)、低通濾波器(30’)、數據采集卡(31’)、計算機(32’)。
[0026]所述激光器(Γ)經電光調制器(2’)及摻鉺光纖放大器(3’)后產生兩個邊帶。再經環形器(5’)及光纖光柵(4’)濾出上邊帶，進一步通過調制器(6’)產生栗浦脈沖頻率梳上邊帶;光纖光柵(4’)反射端為下邊帶，經調制器(9’)產生栗浦頻率梳下邊帶。該上、下邊帶分別經摻鉺光纖放大器(7’，10’)及衰減器(8’，11’)后作為栗浦光注入傳感光纖(19’)。調制器(9’，6’)分別由任意波形發生器(20’)經微波放大器(23’，24’)驅動，其中一邊帶為相移脈沖頻率梳，另一邊帶則為無相移脈沖頻率梳;擾偏器(12 ’)用以克服偏振相關噪聲。光纖光柵(4’)透射端經電光調制器(14’)后產生探測光梳。其中，電光調制器(14’)由任意波形發生器(20’)產生的頻率梳與微波源(22’)經混頻器(21’)后驅動。栗浦下邊帶光梳的間距等于探測光梳間距與布里淵增益譜重構步長之差;而栗浦上邊帶光梳的間距則等于探測光梳間距與布里淵增益譜重構步長之和。探測光中心載波與頻率梳邊帶經探測器(26’)產生拍頻，再混頻器(28’)產生基帶信號。采集數據后，每一頻率成分經快速傅里葉變換(FFT)濾出各個頻率成分，再經快速反傅里葉變換(IFFT)得出每種頻率成分的時域波形，從而實現布里淵增益譜快速重構。
[0027]向傳感光纖注入探測光及布里淵栗浦光，得出功率一布里淵頻移一距離三維圖，經洛倫茲曲線擬合，得出傳感光纖的溫度/應變分布。
[0028]圖4為實驗獲取的經洛淪茲擬合后，峰值布里淵頻移分布。可以看出，該系統可清晰分辨光纖末端50cm加熱點，從而顯著突破了常規BOTDA空間分辨物理極限(約Im)。同時，頻率梳注入避免了耗時的掃頻過程，可使傳感速度得到明顯提高。
[0029]由此可知本發明中，與常規布里淵光時域分析系統相比，第一類方法可在實現快速傳感的同時，獲取高空間分辨(<lm)傳感。第二類方法在利用栗浦上邊帶與探測光作用產生增益譜同時，利用下邊帶與探測光作用產生損耗譜，實現了兩者的光域相減，不僅可實現快速與高空間分辨傳感，且可使測量時間在第一類方法基礎上減少一半，具備很強的實用性。
[0030]最后應說明的是:以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感系統，其特征在于，包括激光器(Γ)、電光調制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環形器(5’)、調制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、環形器(13’)、電光調制器(14’)、摻鉺光纖放大器(15’)、濾波器(16’)、衰減器(17’)、隔離器(18’)、傳感光纖(19’)、任意波形發生器(20’)、混頻器(21’)、微波源(22’)、微波放大器(23 ’)、射頻放大器(24 ’)、探測裝置； 其中激光器(I ’)依次連接電光調制器(2’)，摻鉺光纖放大器(3’)，環形器(5’)及光纖光柵(4’)，光柵分別連接調制器(6’)和調制器(9’)；調制器(6’)連接摻鉺光纖放大器(7’)及衰減器(8’)；調制器(9’)連接摻鉺光纖放大器(10’)及衰減器(11’)后作為栗浦光注入傳感光纖(19’)。2.根據權利要求1所述的一種基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感系統，其特征在于，調制器(9’，6’)分別由任意波形發生器(20’)經微波放大器(23’，24’)驅動;擾偏器(12’)一端分別連接兩衰減器(8’)衰減器(11’)另一端連接環形器(13’)用以克服偏振相關噪聲。3.根據權利要求1所述的一種基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感系統，其特征在于，光纖光柵(4’)透射端依次連接電光調制器(14’)、摻鉺光纖放大器(15’)、濾波器(16’)、衰減器(17’)、隔離器(18’)形成探測光梳；隔離器(18’)另一端與傳感光纖(19’)連接。4.根據權利要求1所述的一種基于相移脈沖及頻率梳注入的布里淵光時域分析傳感系統，其特征在于，探測裝置由衰減器(25’)、探測器(26’)、微波放大器(27’)、混頻器(28’)、微波源(29’)、低通濾波器(30’)、數據采集卡(31’)、計算機(32’)依次連接;探測裝置與環形器(13’)相連接。
【文檔編號】G01D5/353GK205561871SQ201521097790
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年12月24日
【發明人】賈新鴻, 常涵清
【申請人】四川師范大學