一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法及測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法，包括如下步驟：將激光信號分成兩路；一路經(jīng)寬帶頻移后產(chǎn)生光學(xué)外差檢測本振光波、探測信號光波同時注入傳感光纖；另一路激光經(jīng)頻譜展寬與脈沖發(fā)生器產(chǎn)生寬帶布里淵脈沖泵浦光波注入傳感光纖；設(shè)定調(diào)制器驅(qū)動電壓波形引入線性啁啾，獲得近似矩形譜的寬帶激光，擴展傳感光纖布里淵相移的線性區(qū)；將本振光波和探測信號光波通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的拍頻信號與射頻信號相干解調(diào)進行相干檢測獲取探測信號光波的布里淵相移；對傳感光纖應(yīng)變信號信息解調(diào)。本發(fā)明的優(yōu)點在于：改善信噪比、增加動態(tài)應(yīng)變測量范圍、提高了檢測速度。本發(fā)明還公開了一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量裝置。
【專利說明】一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法及測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)，具體是一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法及測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]基于光纖中布里淵散射效應(yīng)的分布式傳感是近年來研究的熱點技術(shù)，它可以感知整條光纖傳感鏈路上應(yīng)變的空間分布和隨時間變化的信息，在橋梁、建筑、大壩等重大結(jié)構(gòu)的健康安全監(jiān)測中有重要應(yīng)用前景?；趥鞲泄饫w中探測信號光與相向傳輸?shù)谋闷止馐芗げ祭餃Y散射效應(yīng)的布里淵分布光纖傳感器，增強了探測信號，改善了信噪比，傳感距離較遠。然而，縮短測量時間和提高應(yīng)變動態(tài)測量范圍是其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測的關(guān)鍵和難點。傳統(tǒng)上，該技術(shù)基于探測信號光的強度檢測，存在諸多不足:需要對泵浦光和探測信號光的頻率差進行掃頻以獲取傳感光纖的布里淵頻移；為提高檢測信號信噪比，需要對每個掃頻點信號進行取樣疊加平均以降低強度噪聲影響等。上述過程極為耗時，限制了其在動態(tài)應(yīng)變測量中的應(yīng)用。目前，該技術(shù)應(yīng)用于測量動態(tài)應(yīng)變的報道中，應(yīng)用的是傳感光纖本征布里淵增益譜，對應(yīng)的布里淵相移線性區(qū)極窄約?35MHz (對應(yīng)?700μ ε )，大大限制了應(yīng)變動態(tài)測量范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服上述基于受激布里淵散射效應(yīng)的光纖傳感器在檢測時間和應(yīng)變動態(tài)測量范圍方面的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法及測量裝置，這種測量方法及測量裝置有效改善系統(tǒng)信噪比、降低測量時間和大大提高應(yīng)變動態(tài)測量范圍。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:
[0005]一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法，包括如下步驟:
[0006]( I)將激光信號分成兩路；
[0007](2)第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后產(chǎn)生光學(xué)外差檢測本振光波，本振光波通過相位調(diào)制產(chǎn)生探測信號光波，本振光波和探測信號光波同時注入傳感光纖；
[0008](3)第二路激光經(jīng)相位調(diào)制頻譜展寬后與脈沖發(fā)生器產(chǎn)生寬帶布里淵脈沖泵浦光波注入傳感光纖；設(shè)定調(diào)制器驅(qū)動電壓波形引入線性啁啾，獲得近似矩形譜的寬帶激光，擴展傳感光纖布里淵相移的線性區(qū)；
[0009](4)將本振光波和探測信號光波通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的拍頻信號與射頻信號同時相干解調(diào)進行相干檢測獲取探測信號光波的布里淵相移；
[0010](5)對傳感光纖應(yīng)變信號信息解調(diào)。
[0011]所述的第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后的光波為光學(xué)外差檢測的本振光波，在傳感光纖中不與脈沖泵浦光發(fā)生受激布里淵散射。
[0012]所述的本振光波經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生的第一階邊帶信號為光學(xué)外差檢測的探測信號光波，在傳感光纖中與脈沖泵浦光發(fā)生受激布里淵散射作用。
[0013]實現(xiàn)上述基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法的測量裝置，包括順序連接的激光器、耦合器、微波電光頻移裝置、第一相位調(diào)制器、傳感光纖，耦合器與第二相位調(diào)制器、脈沖發(fā)生器、環(huán)形器、傳感光纖順序連接；
[0014]所述的環(huán)形器順序連接光電探測模塊、射頻解調(diào)模塊、信號處理模塊；
[0015]所述第一相位調(diào)制器順序連接射頻信號源、射頻解調(diào)模塊。
[0016]所述第一相位調(diào)制器通過第一摻鉺光纖放大器與傳感光纖連接。
[0017]設(shè)有第二摻鉺光纖放大器與脈沖發(fā)生器、環(huán)形器連接。
[0018]這種方法的優(yōu)點是:1)泵浦光波和探測光波頻率固定，避免了耗時的掃頻環(huán)節(jié)；
2)光學(xué)外差檢測的本振光和探測信號光有相同的傳輸路徑，減弱了系統(tǒng)引入的光波相位噪聲和電子學(xué)噪聲，同時大大減弱強度噪聲影響，提高檢測信號信噪比；3)相位調(diào)制法展寬泵浦光波頻譜，拓展了傳感光纖布里淵相移線性區(qū)。
[0019]該裝置的優(yōu)點在于:
[0020]保持了傳統(tǒng)布里淵光纖傳感器結(jié)構(gòu)及其在應(yīng)變測量領(lǐng)域的優(yōu)勢，通過引入兩個相位調(diào)制器分別實現(xiàn)光學(xué)外差檢測和泵浦光譜展寬，有效降低了測量時間和提高了應(yīng)變動態(tài)測量范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為實施例中基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為實施例中脈沖泵浦光波、探測信號光波頻譜分布示意圖；
[0023]圖3為實施例中頻譜展寬后的泵浦光產(chǎn)生的布里淵相移譜示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步闡述，但不是對本發(fā)明的限定。
[0025]實施例:
[0026]一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法，包括如下步驟:
[0027]( I)將激光信號分成兩路；
[0028](2)第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后產(chǎn)生光學(xué)外差檢測本振光波，本振光波通過相位調(diào)制產(chǎn)生探測信號光波，本振光波和探測信號光波同時注入傳感光纖；
[0029](3)第二路激光經(jīng)相位調(diào)制頻譜展寬后與脈沖發(fā)生器產(chǎn)生寬帶布里淵脈沖泵浦光波注入傳感光纖；設(shè)定調(diào)制器驅(qū)動電壓波形引入線性啁啾，獲得近似矩形譜的寬帶激光，擴展傳感光纖布里淵相移的線性區(qū)；
[0030](4)將本振光波和探測信號光波通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的拍頻信號與射頻信號同時相干解調(diào)進行相干檢測獲取探測信號光波的布里淵相移；
[0031](5)對傳感光纖應(yīng)變信號信息解調(diào)。
[0032]所述的第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后的光波為光學(xué)外差檢測的本振光波，在傳感光纖中不與脈沖泵浦光發(fā)生受激布里淵散射。
[0033]所述的本振光波經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生的第一階邊帶信號為光學(xué)外差檢測的探測信號光波，在傳感光纖中與脈沖泵浦光發(fā)生受激布里淵散射作用。[0034]參照圖1，實現(xiàn)上述基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法的測量裝置，包括順序連接的激光器1、稱合器2、微波電光頻移裝置3、第一相位調(diào)制器4、傳感光纖6,稱合器與第二相位調(diào)制器10、脈沖發(fā)生器9、環(huán)形器7、傳感光纖6順序連接；
[0035]所述的環(huán)形器7順序連接光電探測模塊11、射頻解調(diào)模塊12、信號處理模塊14 ；
[0036]所述第一相位調(diào)制器4順序連接射頻信號源13、射頻解調(diào)模塊12。
[0037]所述第一相位調(diào)制器4通過第一摻鉺光纖放大器5與傳感光纖6連接。
[0038]設(shè)有第二摻鉺光纖放大器8與脈沖發(fā)生器9、環(huán)形器7連接。
[0039]具體地， [0040](I)激光器I的光信號經(jīng)耦合器分成兩路光波:第一路光波經(jīng)微波電光頻移裝置3寬帶頻移后與第一相位調(diào)制器4連接，用于產(chǎn)生本振光波和探測信號光波，第一相位調(diào)制器4的第二輸入端與射頻信號源13連接,所述第一相位調(diào)制器4的輸出光波經(jīng)第一摻鉺光纖放大器5放大后注入傳感光纖6,傳感光纖6的輸出端與環(huán)形器7的第二端口 7-2連接；
[0041]第二路光波經(jīng)第二相位調(diào)制器10頻譜展寬后與脈沖發(fā)生器9連接，用于產(chǎn)生寬帶布里淵脈沖泵浦光，脈沖發(fā)生器9的輸出光脈沖經(jīng)第二摻鉺光纖放大器8放大后連接環(huán)形器7第一端口 7-1注入傳感光纖6 ；
[0042]環(huán)形器7的第三端口 7-3將本振光和探測信號光輸出至光電轉(zhuǎn)換模塊11，光電轉(zhuǎn)換模塊11產(chǎn)生的拍頻信號與射頻信號源13同時輸入射頻解調(diào)模塊12進行相干檢測獲取探測信號光的布里淵相移，最后由信號處理模塊14完成所述傳感光纖6應(yīng)變信息的解調(diào)。
[0043]本發(fā)明基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法及測量裝置的原理如下:
[0044]圖2中Oci為激光器(I)的角頻率；ωω為第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后的本振光角頻率；ωκρ為射頻信號源(13)的工作角頻率；g(?)為泵浦光產(chǎn)生的布里淵增益譜；δ ωρ為展寬的泵浦光全寬半高譜寬。
[0045]圖3中Λ ω為頻率失諧量，Δ ω = ω m+ω RF-ω 0+Ω Β (ζ) , ΩΒ(ζ)為傳感光纖的布里淵頻移；Osbs為探測信號光的布里淵相移。
[0046]傳感光纖本征布里淵增益譜帶寬窄，應(yīng)變測量動態(tài)范圍小。寬帶光泵浦的布里淵散射理論表明有效布里淵增益譜為泵浦光譜與本征布里淵增益譜的卷積；泵浦光帶寬遠大于本征布里淵增益譜帶寬的情況下，有效布里淵增益譜與泵浦光譜形狀基本相同。本發(fā)明通過外加相位調(diào)制器展寬泵浦光譜寬并進而增加傳感光纖布里淵增益譜及其對應(yīng)的布里淵相移譜線性區(qū)。
[0047]本振光和信號光在光電轉(zhuǎn)換模塊上拍頻產(chǎn)生的角頻率為ωκρ的電信號為:
[0048]/(/) - R⑴)cos [?RK/ + Φ挪(Δα>) + Δ^]Cl >
[0049]上式中，R表不光電探測模塊的響應(yīng)度；Plj和Pprobe分別表不本振光和探測信號光的功率；Gsbs(A ω)表示泵浦光對探測信號光的布里淵增益系數(shù)，其中Δ ω為頻率失諧量，Δ Q = Qm+QRF-Q0+QB(z) , Ωβ(Ζ)為傳感光纖的布里淵頻移,是位置坐標(biāo)Z的函數(shù),與傳感光纖所受的應(yīng)變大小有光；Osbs (△ ω)為探測信號由脈沖泵浦光受激布里淵放大產(chǎn)生布里淵相移，包含有待測應(yīng)變信息；△ Φ為探測信號光與本振光由于光纖色散產(chǎn)生相位差，由于兩者頻率差僅為IGHz,因此Δ φ ~ O。
[0050](2)所述光電轉(zhuǎn)換模塊11產(chǎn)生的拍頻信號與射頻信號源13通過射頻解調(diào)模塊12相干解調(diào)，獲取探測信號光的布里淵相移Osbs ( Λ ω)，具體關(guān)系如下:
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法，其特征是，包括如下步驟: (1)將激光信號分成兩路； (2)第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后產(chǎn)生光學(xué)外差檢測本振光波，本振光波通過相位調(diào)制產(chǎn)生探測信號光波，本振光波和探測信號光波同時注入傳感光纖； (3)第二路激光經(jīng)相位調(diào)制頻譜展寬后與脈沖發(fā)生器產(chǎn)生寬帶布里淵脈沖泵浦光波注入傳感光纖；設(shè)定調(diào)制器驅(qū)動電壓波形引入線性啁啾，獲得近似矩形譜的寬帶激光，擴展傳感光纖布里淵相移的線性區(qū)； (4)將本振光波和探測信號光波通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的拍頻信號與射頻信號相干解調(diào)進行相干檢測獲取探測信號光波的布里淵相移； (5)對傳感光纖應(yīng)變信號信息解調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法，其特征是，第一路激光經(jīng)微波電光寬帶頻移后的光波為光學(xué)外差檢測的本振光波，在傳感光纖中不與脈沖泵浦光發(fā)生受激布里淵散射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量方法，其特征是，所述的本振光波經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生的第一階邊帶信號為光學(xué)外差檢測的探測信號光波，在傳感光纖中與脈沖泵浦光發(fā)生受激布里淵散射作用。
4.一種基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量裝置，其特征是，包括順序連接的激光器(I)、耦合器(2)、微波電光頻移裝置(3)、第一相位調(diào)制器(4)、傳感光纖(6)，耦合器與第二相位調(diào)制器(10)、脈沖發(fā)生器(9)、環(huán)形器(7)、傳感光纖(6)順序連接； 所述的環(huán)形器(7)順序連接光電探測模塊(11)、射頻解調(diào)模塊(12)、信號處理模塊(14)； 所述第一相位調(diào)制器(4)順序連接射頻信號源(13)、射頻解調(diào)模塊(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量裝置，其特征是，所述第一相位調(diào)制器(4 )通過第一摻鉺光纖放大器(5 )與傳感光纖(6 )連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于布里淵相移檢測的動態(tài)應(yīng)變測量裝置，其特征是，設(shè)有第二摻鉺光纖放大器(8)與脈沖發(fā)生器(9)、環(huán)形器(7)連接。
【文檔編號】G01B11/16GK103743354SQ201410004860
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】秦祖軍, 熊顯名, 葉松, 蔣曲博, 王新強, 梁國令, 呂媛 申請人:桂林電子科技大學(xué)