一種基于循環(huán)移頻的新型botdr相干探測裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于循環(huán)移頻的新型BOTDR相干探測裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的分布式光纖傳感技術(shù)。它利用光纖的背向布里淵散射移頻對光纖所受應(yīng)變和溫度十分敏感，而且具有較好線性關(guān)系的特性，對被測物進行分布式應(yīng)變和溫度的傳感檢測，具有可測量多個物理參量(如溫度、應(yīng)變、線路損耗等)、空間分辨率高、傳感距離長、測量精度高等優(yōu)點，特別是其通過一次測量可獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的分布信息，并可將被測點的位置表達成被測量和時間的函數(shù)，從而對隱患和故障進行準確識別和定位，還可以通過光纖的合理架設(shè)對大型復雜結(jié)果進行二維和三維的連續(xù)分布式檢測，在大型基礎(chǔ)工程設(shè)施如橋梁、隧道、大壩、體育館、電力通信網(wǎng)絡(luò)及油氣管道等的安全健康檢測和故障預(yù)警與評估中顯示出十分誘人的前景。
[0003]目前的BOTDR探測技術(shù)主要有兩大方式:直接探測方式和相干探測方式。其中直接探測技術(shù)是直接把脈沖信號通過環(huán)形器輸入到傳感光纖，然后通過對環(huán)形器中散射回來的布里淵散射光直接進行探測。這種方法及裝置類似附圖2所示，激光器產(chǎn)生連續(xù)的激光，通過耦合器I分光，一路作為本振光到耦合器2，另一路經(jīng)過電光調(diào)制器(ElectooopticalModulator, Ε0Μ)調(diào)制產(chǎn)生脈沖光，射入到傳感光纖后反射回布里淵散射光到耦合器2，被平衡探測器探測后經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后被采集卡采集，然后進行處理。這種利用多峰布里淵譜之間的相差，這就需要高帶寬的光電探測器(Photoelectric Detector，PD)。光纖中自發(fā)布里淵散射的光功率非常弱，直接探測比較困難，這就導致直接探測方式測量精度有限。
[0004]相干探測是目前比較常用的探測方式，通過把本振光和信號光通過耦合器合在一起送到探測器中進行探測，可以使得最后探測器探測的中頻交流分量與本振光功率和信號光功率的乘積的開方成正比，而不在是只與信號光功率成正比；另外采用平衡探測器和50/50耦合器來實現(xiàn)外差探測，可以是探測器輸出電流幅度增加一倍，可以很好地抑制電路中的噪聲，獲得極高的探測靈敏度和共模抑制比，國內(nèi)涂郭結(jié)等人的《Strain variat1nmeasurement with STFT based BOTDR sensing system》就使用了如附圖 2 所不的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對于布里淵散射信號的探測，散射信號光與本振光之間存在與布里淵頻移相同的頻率差(對于1550nm光源，普通單模光纖的布里淵頻移大約IlGHz)，這時還是需要一個很大帶寬的H)，從而提升了系統(tǒng)成本。目前常用的解決方法是對本振光或者探測光進行移頻，一般選用微波源控制電光調(diào)制器(EOM)來對探測光進行頻率上移或者對本振光進行頻率下移，最后使得相干信號的頻率在百兆Hz量級，從而降低了對H)帶寬的要求，但是高頻的微波源價格也比較昂貴且EOM的移頻效率受工作點漂移的影響穩(wěn)定性差。
[0005]另外日本Tsuneo Horiguchi 等人在《Development of a Distributed SensingTechnique Using Brillouin Scattering》中提出一種如附圖3所不的光纖移頻BOTDR相干探測結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是對探測光進行移頻的相干自外差探測方式，激光器發(fā)射的連續(xù)模式光通過耦合器分成兩束，一路作為本振光，一路作為探測光。探測光經(jīng)過聲光調(diào)制器I (Acoustic Optical Modulator, AOM)調(diào)制成脈沖光，然后通過親合器把大部分光親合進入移頻回路，在A0M2中使脈沖光頻率上移Δ?.，然后通過摻鉺光纖放大器(Erbium DopedFiber Amplifier，EDFA)放大后再經(jīng)過耦合器，小部分光直接輸出到EDFA放大后進入探測光纖，剩余大部分光再次進入移頻回路，進行下一步移頻，這個過程重復N次。最后在頻率會達到&，這時就是達到要求的探測光，進入傳感光纖后得到布里淵信號光和本振光一起相干然后對混頻后的的信號進行處理，得到光纖沿線的布里淵頻移，這種方式在保證高探測靈敏度的同時有利于降低系統(tǒng)成本。但是這種方式也有一個缺點，輸出的探測光是頻率間隔為Δ?的光學梳，為了避免兩束不同頻率光之間的布里淵散射的相互影響，就要求Af要大于布里淵散射譜寬(約為幾百MHz)，這種結(jié)構(gòu)浪費探測光的能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于循環(huán)移頻的新型BOTDR相干探測裝置和方法，本裝置、方法在現(xiàn)有BOTDR相干探測傳感系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過引入可控循環(huán)移頻模塊，從而實現(xiàn)了對探測光的頻移，降低了 H)的帶寬要求、降低了系統(tǒng)成本、極大地節(jié)約了能量并且可以通過控制移頻的次數(shù)可以實現(xiàn)BOTDR掃頻的功能。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0008]根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于循環(huán)移頻的新型BOTDR相干探測裝置，包括激光器、第一耦合器、電光調(diào)制器、光纖環(huán)形器、第二耦合器、傳感光纖、平衡探測器、信號調(diào)理電路、采集卡、同步裝置；還包括可控循環(huán)移頻模塊，所述可控循環(huán)移頻模塊包括第一光開關(guān)、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、環(huán)路光纖和第二光開關(guān)；其中，
[0009]采集卡，用于輸出觸發(fā)信號至同步裝置；
[0010]同步裝置，用于當接收到觸發(fā)信號后在預(yù)先設(shè)定的不同時間段內(nèi)，分別向第一光開關(guān)、第二光開關(guān)、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器輸入脈沖信號，從而控制第一光開關(guān)、第二光開關(guān)、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器工作；
[0011]激光器，用于輸出連續(xù)的窄線寬激光至第一耦合器；
[0012]第一耦合器，用于將窄線寬激光分成兩路:第一路為初始探測光輸入至第一光開關(guān)，第二路為本振光輸入至第二耦合器；
[0013]第一光開關(guān)，用于當接收到同步裝置輸出的高電平時，將初始探測光由其第一輸入端輸入，并由其輸出端輸出至聲光調(diào)制器；
[0014]聲光調(diào)制器，用于將初始探測光調(diào)制成脈沖光輸出至摻鉺光纖放大器；
[0015]摻鉺光纖放大器，用于將脈沖光放大后輸出至第二光開關(guān)；
[0016]第二光開關(guān)，用于當接收到同步裝置輸出的低電平時，將放大后的脈沖光由其輸入端輸入，并由其第一輸出端輸出至環(huán)路光纖；
[0017]環(huán)路光纖，用于當?shù)谝还忾_關(guān)接收到同步裝置輸出的低電平時，將放大后的脈沖光輸入至第一光開關(guān)的第二輸入端，如此循環(huán)在由第一光開關(guān)、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、第二光開關(guān)、環(huán)路光纖構(gòu)成的循環(huán)通道內(nèi)，當滿足預(yù)先設(shè)定的循環(huán)終止條件時，同步裝置輸出低電平至第二光開關(guān)，第二光開關(guān)的第二輸出端輸出前端探測光至電光調(diào)制器；
[0018]電光調(diào)制器，用于將接收到的前端探測光調(diào)制成最終探測光輸入至光纖環(huán)形器；
[0019]光纖環(huán)形器，用于將最終探測光由其第I端口輸入，并由其第2端口注入至傳感光纖；
[0020]傳感光纖，用于當接收到最終探測光時，產(chǎn)生布里淵散射光輸入至光纖環(huán)形器的第2端口，并由光纖環(huán)形器的第3端口輸出至第二耦合器；
[0021]第二耦合器，用于將接收到的布里淵散射光與本振光混頻后，輸出相干光至平衡探測器；
[0022]平衡探測器，用于將相干光轉(zhuǎn)換成電信號后輸出至信號調(diào)理電路；
[0023]信號調(diào)理電路，用于對電信號進行調(diào)理，輸出調(diào)理信號至采集卡經(jīng)處理得到頻譜信息。
[0024]作為本發(fā)明所述的一種基于循環(huán)移頻的新型BOT