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(xiàn)溫度、應(yīng)變的連續(xù)分布式傳感，已經(jīng)發(fā)展成實用化的光纖傳感技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于輸油管道、高壓電纜以及橋梁建筑的溫度和應(yīng)變的監(jiān)測。本實用新型建立一種全新分析傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)在利用泵浦上邊帶與探測光作用產(chǎn)生增益譜同時，利用下邊帶與探測光作用產(chǎn)生損耗譜，實現(xiàn)了兩者的光域相減，不僅可實現(xiàn)快速與高空間分辨?zhèn)鞲?，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(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相移脈沖及頻率梳注入同時實現(xiàn)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(shù)】
[0002]布里淵光時域分析儀(BOTDA)可實現(xiàn)溫度、應(yīng)變的連續(xù)分布式傳感，已經(jīng)發(fā)展成實用化的光纖傳感技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于輸油管道、高壓電纜以及橋梁建筑的溫度和應(yīng)變的監(jiān)測。
[0003]BOTDA的物理機(jī)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(chǎn)生以聲速移動的光柵，在多普勒效應(yīng)下，該光柵對布里淵栗浦產(chǎn)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(dāng)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(qiáng)。布里淵頻移與溫度及應(yīng)變之間呈線性關(guān)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(yīng)變沿光纖的分布。
[0004]常規(guī)BOTDA—般采用掃頻技術(shù)獲取布里淵增益譜，因此耗時較長，只能測量靜態(tài)的溫度、應(yīng)變事件，而無法捕獲動態(tài)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(guī)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(shù)(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(xiàn)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(xiàn)大于Im的空間分辨率。如何同時實現(xiàn)快速測量及高空間分辨小于Im傳感則尚未見相關(guān)報道，解決該問題具有重要的實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)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(xiàn)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(jìn)系統(tǒng)的空間分辨率。
[0006]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(tǒng)，
[0008]包括激光器(1’)、電光調(diào)制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環(huán)形器(5’)、調(diào)制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調(diào)制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、擾偏器(12’)、環(huán)形器(13’)、電光調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)采集卡(31’)、計算機(jī)(32，)。
[0009]進(jìn)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(jīng)電光調(diào)制器(2’)后產(chǎn)生兩個邊帶，經(jīng)光纖光柵(4’)反射后，再經(jīng)調(diào)制器(6’)形成栗浦上邊帶；同時，透射部分經(jīng)調(diào)制器(9’)形成下邊帶。栗浦邊帶分別由任意波形發(fā)生器(20’)產(chǎn)生的頻率梳驅(qū)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(jīng)調(diào)制器(14’)后產(chǎn)生探測光梳。其中，調(diào)制器(14’)由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的頻率梳與微波源(22’)經(jīng)混頻器(21’)后驅(qū)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(gòu)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(gòu)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(jīng)洛倫茲曲線擬合，得出傳感光纖的溫度/應(yīng)變分布。
[0011]進(jìn)一步的，上述方法在利用栗浦上邊帶與探測光作用產(chǎn)生增益譜同時，利用下邊帶與探測光作用產(chǎn)生損耗譜，實現(xiàn)兩者的光域相減。
[0012]本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明中，與常規(guī)布里淵光時域分析系統(tǒng)相比，不僅可實現(xiàn)快速與高空間分辨?zhèn)鞲校铱墒箿y量時間大大減少，具備很強(qiáng)的實用性。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明所提供的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖。
[0014]附圖標(biāo)記為:激光器(1)、調(diào)制器(2)、擾偏器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、衰減器(5)、環(huán)形器(6)、傳感光纖(7)、電光調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)采集卡(23)、計算機(jī)(24)；
[0015]圖2是本發(fā)明所提供的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現(xiàn)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(diào)制波形。
[0016]圖3是本發(fā)明所提供的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖。
[0017]其中包括激光器(1’)、電光調(diào)制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環(huán)形器(5’)、調(diào)制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調(diào)制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、擾偏器(12’)、環(huán)形器(13’)、電光調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)采集卡(31’)、計算機(jī)(32’)
[0018]圖4是經(jīng)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(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0020]實施例1
[0021]如圖1所示:本發(fā)明的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現(xiàn)快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)，第一類方法中，包括激光器(I)、調(diào)制器(2)、擾偏器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、衰減器(5)、環(huán)形器(6)、傳感光纖(7)、電光調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)采集卡(23)、計算機(jī)(24)。
[0022]所述激光器(I)產(chǎn)生光束，光束經(jīng)分束器分為兩束，一束經(jīng)電光調(diào)制器(8)產(chǎn)生頻移為10?IlGHz的布里淵探測光梳，探測光梳由任意波形發(fā)生器(13)與微波源(15)經(jīng)混頻器(14)后驅(qū)動電光調(diào)制器(8)產(chǎn)生;探測光的一個邊帶由濾波器(10)濾除，再經(jīng)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(jīng)調(diào)制器(2)產(chǎn)生栗浦脈沖頻率梳;調(diào)制器(2)由任意波形發(fā)生器(13)經(jīng)微波放大器(16)進(jìn)行驅(qū)動；該栗浦脈沖頻率梳進(jìn)一步經(jīng)擾偏器(3)克服偏振相關(guān)增益噪聲，及摻鉺光纖放大器(4)放大后，通過環(huán)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(gòu)步長決定。探測光中心載波與頻率梳邊帶經(jīng)探測器(18)產(chǎn)生拍頻，再混頻器(21)產(chǎn)生基帶信號。采集數(shù)據(jù)后，每一頻率成分經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)濾出各個頻率成分，再經(jīng)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(xiàn)布里淵增益譜快速重構(gòu)。
[0023]如圖2所示:本發(fā)明的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現(xiàn)快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)，第一類方法中，脈沖調(diào)制頻率梳由無相移及有相移的兩個脈沖構(gòu)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(xù)時間決定了空間分辨率。
[0024]實施例2:
[0025]如圖3所示:本發(fā)明的基于相移脈沖與頻率梳注入同時實現(xiàn)快速及高空間分辨的布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)，第二類方法中，包括激光器(1’)、電光調(diào)制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環(huán)形器(5’)、調(diào)制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調(diào)制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、擾偏器(12’)、環(huán)形器(13’)、電光調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)采集卡(31’)、計算機(jī)(32’)。
[0026]所述激光器(Γ)經(jīng)電光調(diào)制器(2’)及摻鉺光纖放大器(3’)后產(chǎn)生兩個邊帶。再經(jīng)環(huán)形器(5’)及光纖光柵(4’)濾出上邊帶，進(jìn)一步通過調(diào)制器(6’)產(chǎn)生栗浦脈沖頻率梳上邊帶;光纖光柵(4’)反射端為下邊帶，經(jīng)調(diào)制器(9’)產(chǎn)生栗浦頻率梳下邊帶。該上、下邊帶分別經(jīng)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(diào)制器(9’，6’)分別由任意波形發(fā)生器(20’)經(jīng)微波放大器(23’，24’)驅(qū)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(guān)噪聲。光纖光柵(4’)透射端經(jīng)電光調(diào)制器(14’)后產(chǎn)生探測光梳。其中，電光調(diào)制器(14’)由任意波形發(fā)生器(20’)產(chǎn)生的頻率梳與微波源(22’)經(jīng)混頻器(21’)后驅(qū)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(gòu)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(gòu)步長之和。探測光中心載波與頻率梳邊帶經(jīng)探測器(26’)產(chǎn)生拍頻，再混頻器(28’)產(chǎn)生基帶信號。采集數(shù)據(jù)后，每一頻率成分經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)濾出各個頻率成分，再經(jīng)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(xiàn)布里淵增益譜快速重構(gòu)。
[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(jīng)洛倫茲曲線擬合，得出傳感光纖的溫度/應(yīng)變分布。
[0028]圖4為實驗獲取的經(jīng)洛淪茲擬合后，峰值布里淵頻移分布?？梢钥闯?，該系統(tǒng)可清晰分辨光纖末端50cm加熱點，從而顯著突破了常規(guī)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(fā)明中，與常規(guī)布里淵光時域分析系統(tǒng)相比，第一類方法可在實現(xiàn)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(chǎn)生增益譜同時，利用下邊帶與探測光作用產(chǎn)生損耗譜，實現(xiàn)了兩者的光域相減，不僅可實現(xiàn)快速與高空間分辨?zhèn)鞲校铱墒箿y量時間在第一類方法基礎(chǔ)上減少一半，具備很強(qiáng)的實用性。
[0030]最后應(yīng)說明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)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(tǒng)，其特征在于，包括激光器(Γ)、電光調(diào)制器(2’)、摻鉺光纖放大器(3’)、光纖光柵(4’)、環(huán)形器(5’)、調(diào)制器(6’)、摻鉺光纖放大器(7’)、衰減器(8’)、調(diào)制器(9’)、摻鉺光纖放大器(10’)、衰減器(11’)、環(huán)形器(13’)、電光調(diào)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(fā)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(diào)制器(2’)，摻鉺光纖放大器(3’)，環(huán)形器(5’)及光纖光柵(4’)，光柵分別連接調(diào)制器(6’)和調(diào)制器(9’)；調(diào)制器(6’)連接摻鉺光纖放大器(7’)及衰減器(8’)；調(diào)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(jù)權(quán)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(tǒng)，其特征在于，調(diào)制器(9’，6’)分別由任意波形發(fā)生器(20’)經(jīng)微波放大器(23’，24’)驅(qū)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(huán)形器(13’)用以克服偏振相關(guān)噪聲。3.根據(jù)權(quán)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(tǒng)，其特征在于，光纖光柵(4’)透射端依次連接電光調(diào)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(jù)權(quán)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(tǒng)，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(shù)據(jù)采集卡(31’)、計算機(jī)(32’)依次連接;探測裝置與環(huán)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(fā)明人】賈新鴻, 常涵清
【申請人】四川師范大學(xué)