專利名稱：基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的botda系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是針對BOTDA在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中存在的問題提出來的。在分布式布里淵光纖傳感中，有BOTDR (布里淵光時域反射計)和BOTDA (布里淵光時域分析技術(shù))兩種。對以常規(guī)單模光纖為傳感介質(zhì)的分布式溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng)，BOTDR和BOTDA均需要通過分析布里淵散射譜，即測量布里淵頻移(泵浦光脈沖中心頻率和布里淵散射信號中心頻率之差)和布里淵散射信號功率的變化來獲得溫度和應(yīng)變信息。相比于BOTDR，BOTDA具有更高的靈敏度和動態(tài)范圍。但是，對于B0TDR，后向反射的布里淵散射信 號包含了整個布里淵增益譜，對于B0TDA，為了獲得布里淵增益譜，則需要連續(xù)調(diào)節(jié)探測光的頻率，從而獲得整個布里淵增益譜。這極大影響了布里淵散射譜的檢測速度，使得BOTDA系統(tǒng)不適合于動態(tài)特性要求高的健康監(jiān)測領(lǐng)域。為了提高動態(tài)特性，采用梳狀頻譜泵浦脈沖光的BOTDA系統(tǒng)被提出，但是，泵浦脈沖光的脈沖寬度制約了梳狀頻譜的間隔，這樣就存在空間分辨率(由脈沖寬度決定)和梳狀頻譜間隔間的矛盾。為了提高空間分辨率，必須采用較窄的光脈沖，這樣就必須采用較大的梳狀頻譜間隔。但是，梳狀頻譜的間隔會影響布里淵散射譜的重建精度，梳狀頻譜間隔越大，布里淵散射譜的重建精度越低，從而影響溫度和應(yīng)變的測量精度。在應(yīng)用中，當脈沖寬度為IOns (納秒)時，空間分辨率為Im (米)，對應(yīng)的信號帶寬是35MHz，因此頻譜間隔必須大于35MHz。對于常規(guī)的單模光纖，布里淵散射譜的3dB帶寬也在35MHz左右，這樣，即使采用梳狀頻譜的泵浦光，一次也只能測到布里淵散射譜的一個頻譜成分，無法重建完整的布里淵散射譜?；诖耍F(xiàn)有技術(shù)中采用120ns的泵浦光，對應(yīng)脈沖信號的帶寬為2. 92MHz，這樣可保證一次能測得布里淵散射譜的10多個頻譜成分，從而可以完成布里淵散射譜的重建，最后實現(xiàn)了空間分辨率12m的動態(tài)應(yīng)變檢測。基于此，本發(fā)明提出了采用梳狀頻譜的連續(xù)探測光，而不是采用梳狀頻譜的泵浦脈沖光，這樣，梳狀頻譜的間隔不受信號帶寬所限制，因為梳狀頻譜探測光是連續(xù)光，不再是脈沖光。本發(fā)明所提出的BOTDA系統(tǒng)的空間分辨率由泵浦脈沖的寬度決定，而一次性所測的譜線數(shù)目由布里淵散射譜寬和梳狀頻譜間隔之比決定，從而解決了空間分辨率和布里淵散射譜重建精度的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)，其特征是本系統(tǒng)通過采用梳狀頻譜連續(xù)探測光和窄線寬的單頻泵浦脈沖光來產(chǎn)生受激布里淵散射，梳狀頻譜連續(xù)探測光按受激布里淵增益譜線得到放大，所采用的梳狀頻譜間隔比所需頻率測量精度大的梳狀頻譜，再通過測量經(jīng)過受激布里淵散射作用后的梳狀頻譜中不同頻率的功率來獲得各自頻率處的功率，最后結(jié)合譜線擬合算法來獲取完整的布里淵散射譜，獲得譜的峰值和面積，得到布里淵頻移和布里淵散射信號功率，由布里淵頻移和布里淵散射信號功率獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變，改變測量時刻，則獲得沿光纖的溫度和應(yīng)變分布； 基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)包括以下步驟
1)窄線寬光源輸出的連續(xù)光信號一分為三；
2)第一路光用光幅度調(diào)制器進行調(diào)制，從而獲得梳狀頻譜連續(xù)探測光，通過調(diào)整光幅度調(diào)制器的參數(shù)可改變梳狀頻譜的間隔；
3)二路光用光強度調(diào)制器調(diào)制，可獲得頻率上移和下移的泵浦光脈沖，合理設(shè)置光強度調(diào)制器的參數(shù)，可使其頻率移動正好等于或近似等于布里淵頻移；
4)通過光濾波器選取頻率上移的光信號做泵浦光脈沖；
5)將梳狀頻譜連續(xù)探測光和泵浦脈沖光從兩端注入傳感光纖，在其中將產(chǎn)生受激布里淵散射；
6)第三路光和經(jīng)過受激布里淵作用的探測光進行外差，并獲取外差后信號的頻譜；
7)對測得頻譜進行擬合，獲得譜的峰值和面積，因此可得到布里淵頻移和布里淵散射信號功率，由布里淵頻移和布里淵散射信號功率可獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變；
8)改變測量時刻，則可獲得沿光纖的溫度和應(yīng)變分布。本發(fā)明的技術(shù)效果是提高BOTDA系統(tǒng)的動態(tài)特性，而且提高了空間分辨率，結(jié)合譜線擬合算法，采用頻譜間隔比所需頻率測量精度大的梳狀頻譜(比如采用間隔為IOMHz的梳狀頻譜可實現(xiàn)IMHz的頻譜分辨率)，從而簡化系統(tǒng)的頻譜掃描設(shè)備，并提高譜線擬合的速度，克服了梳狀頻譜間隔和脈沖寬度間的制約問題，又解決了連續(xù)掃頻系統(tǒng)的速度問題。


圖I是本發(fā)明的連續(xù)探測光的頻譜。圖2是本發(fā)明的泵浦光頻譜、探測光頻譜及布里淵增益譜。圖3是本發(fā)明的泵浦光和探測光的作用圖。圖4是本發(fā)明的外差后頻譜。圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)實施方案圖。在圖中，I、窄線寬光源 2、1:3光耦合器 3、電光幅度調(diào)制器 4、傳感光纖
5、電光強度調(diào)制器6、光濾波器7、光環(huán)形器8、光電探測器 9、頻譜。
具體實施例方式一種基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過采用梳狀頻譜連續(xù)探測光和窄線寬的單頻泵浦脈沖光來產(chǎn)生受激布里淵散射，梳狀頻譜連續(xù)探測光按受激布里淵增益譜線得到放大，所采用的梳狀頻譜間隔比所需頻率測量精度大的梳狀頻譜，再通過測量經(jīng)過受激布里淵散射作用后的梳狀頻譜中不同頻率的功率來獲得各自頻率處的功率，最后結(jié)合譜線擬合算法來獲取完整的布里淵散射譜，獲得譜的峰值和面積，得到布里淵頻移和布里淵散射信號功率，由布里淵頻移和布里淵散射信號功率獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變，改變測量時刻，則獲得沿光纖的溫度和應(yīng)變分布；1)窄線寬光源輸出的連續(xù)光信號一分為三；
2)第一路光用光幅度調(diào)制器進行調(diào)制，從而獲得梳狀頻譜連續(xù)探測光，通過調(diào)整光幅度調(diào)制器的參數(shù)可改變梳狀頻譜的間隔；
3)二路光用光強度調(diào)制器調(diào)制，可獲得頻率上移和下移的泵浦光脈沖，合理設(shè)置光強度調(diào)制器的參數(shù)，可使其頻率移動正好等于或近似等于布里淵頻移；
4)通過光濾波器選取頻率上移的光信號做泵浦光脈沖；
4)將梳狀頻譜連續(xù)探測光和泵浦脈沖光從兩端注入傳感光纖，在其中將產(chǎn)生受激布里淵散射；
5)第三路光和經(jīng)過受激布里淵作用的探測光進行外差，并獲取外差后信號的頻譜；
6)對測得頻譜進行擬合，獲得譜的峰值和面積，因此可得到布里淵頻移和布里淵散射信號功率，由布里淵頻移和布里淵散射信號功率可獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變；
7)改變測量時刻，則可獲得沿光纖的溫度和應(yīng)變分布。圖2是泵浦光頻譜、探測光頻譜及布里淵增益譜中，探測光的中心頻率和泵浦光頻率的差值正好等于布里淵頻移。圖3泵浦光和探測光的作用圖中，探測光按布里淵增益譜得到增強。將窄線寬(IOOkHz左右)光源I中輸出的中心頻率為％的連續(xù)光信號經(jīng)I :3光耦
合器2分為三路。第一路用于產(chǎn)生梳狀頻譜的連續(xù)探測光信號，第一路光信號進入電光幅度調(diào)制器3，通過合理設(shè)置電光幅度調(diào)制器3的參數(shù)，電光幅度調(diào)制器3輸出梳狀頻譜的連
續(xù)光信號，其信號格式為，梳狀頻譜的間隔f和頻譜數(shù) 也可以通過電光幅度
■MDJiM
調(diào)制器3進行調(diào)節(jié)，之后，梳狀頻譜連續(xù)光進入傳感光纖4 ;第二路用于產(chǎn)生泵浦脈沖光信光，第二路光信號進入電光強度調(diào)制器5，通過設(shè)置電光強度調(diào)制器5的參數(shù)，電光強度調(diào)
制器5輸出頻率為V0 ±化、脈寬為IOns的光脈沖信號，其中，Vjr為布里淵頻移；之后進入光
濾波器6，光濾波器6只讓頻率為Va + 的光脈沖信號通過，從光濾波器6出來的光脈沖信
號經(jīng)光環(huán)形器7后進入傳感光纖4 ;第三路和從光環(huán)形器7出來的布里淵散射光信號(即經(jīng)過受激布里淵作用后的探測光)在光電探測器8中進行外差接收；之后可獲取圖4所示的頻譜9，再通過擬合得到完整的布里淵散射譜；如果實際環(huán)境下的布里淵散射信號和參考環(huán)境下布里淵散射信號的頻率相等(即布里淵頻移相等)，則頻譜的中心頻率為0，反之頻譜的中心頻率不為0，這時，由中心頻率和譜線功率(即譜線與橫坐標所圍面積)可得到沿光纖分布的溫度和應(yīng)變。
權(quán)利要求
1. 一種基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)，其特征是本系統(tǒng)通過采用梳狀頻譜連續(xù)探測光和窄線寬的單頻泵浦脈沖光來產(chǎn)生受激布里淵散射，梳狀頻譜連續(xù)探測光按受激布里淵增益譜線得到放大，所采用的梳狀頻譜間隔比所需頻率測量精度大的梳狀頻譜，再通過測量經(jīng)過受激布里淵散射作用后的梳狀頻譜中不同頻率的功率來獲得各自頻率處的功率，最后結(jié)合譜線擬合算法來獲取完整的布里淵散射譜，獲得譜的峰值和面積，得到布里淵頻移和布里淵散射信號功率，由布里淵頻移和布里淵散射信號功率獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變，改變測量時刻，則獲得沿光纖的溫度和應(yīng)變分布； 基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)包括以下步驟 1)窄線寬光源輸出的連續(xù)光信號一分為三； 2)第一路光用光幅度調(diào)制器進行調(diào)制，從而獲得梳狀頻譜連續(xù)探測光，通過調(diào)整光幅度調(diào)制器的參數(shù)可改變梳狀頻譜的間隔； 3)二路光用光強度調(diào)制器調(diào)制，可獲得頻率上移和下移的泵浦光脈沖，合理設(shè)置光強度調(diào)制器的參數(shù)，可使其頻率移動正好等于或近似等于布里淵頻移； 通過光濾波器選取頻率上移的光信號做泵浦光脈沖； 5)將梳狀頻譜連續(xù)探測光和泵浦脈沖光從兩端注入傳感光纖，在其中將產(chǎn)生受激布里淵散射； 第三路光和經(jīng)過受激布里淵作用的探測光進行外差，并獲取外差后信號的頻譜； 對測得頻譜進行擬合，獲得譜的峰值和面積，因此可得到布里淵頻移和布里淵散射信號功率，由布里淵頻移和布里淵散射信號功率可獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變； 改變測量時刻，則可獲得沿光纖的溫度和應(yīng)變分布。
全文摘要
一種基于梳狀頻譜連續(xù)探測光的BOTDA系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過采用梳狀頻譜連續(xù)探測光和窄線寬的單頻泵浦脈沖光來產(chǎn)生受激布里淵散射，梳狀頻譜連續(xù)探測光按受激布里淵增益譜線得到放大，所采用的梳狀頻譜間隔比所需頻率測量精度大的梳狀頻譜，再通過測量經(jīng)過受激布里淵散射作用后的梳狀頻譜中不同頻率的功率來獲得各自頻率處的功率，最后結(jié)合譜線擬合算法來獲取完整的布里淵散射譜，獲得該空間位置上的溫度和應(yīng)變；本發(fā)明提高BOTDA系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了空間分辨率，簡化系統(tǒng)的頻譜掃描設(shè)備，提高譜線擬合的速度，克服了梳狀頻譜間隔和脈沖寬度間的制約問題，又解決了連續(xù)掃頻系統(tǒng)的速度問題。
文檔編號G01K11/32GK102645236SQ201210097829
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者萬生鵬, 何興道 申請人:南昌航空大學(xué)