專利名稱：基于脈沖編碼和相干探測的botda系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng),屬于分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于光纖受激布里淵散射的布里淵光時域分析儀(Brillouin OpticalTime-Domain Analysis1BOTDA)是眾多分布式光纖傳感器中具有長距離、高測量精度溫度和應(yīng)變測量能力的傳感技術(shù)，在大型土木工程、通信光纜、油氣管道等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有著巨大的潛在用途。在這種技術(shù)中，當(dāng)光纖中相向傳輸?shù)膬墒獠ǖ念l率差在布里淵增益范圍內(nèi)時，它們通過聲波場發(fā)生受激布里淵作用，由此兩束光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，當(dāng)兩束光的頻率差等于光纖的布里淵頻移(Brillouin frequency shift, BFS)時,能量轉(zhuǎn)移量最大，這個布里淵頻移(BFS)與溫度和應(yīng)變之間存在一個線性關(guān)系，因此通過測量兩束光波能量轉(zhuǎn)移量最大時的頻率差，進(jìn)而測得布里淵頻移(BFS)，根據(jù)布里淵頻移(BFS)與溫度和應(yīng)變之間存在一個線性關(guān)系就可以實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式傳感。傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)一般采用直接探測方式，由于光纖非線性效應(yīng)的存在，探測光和泵浦光所允許的最大光功率受到限制，因此BOTDA的傳感性能受到限制?；谥苯犹綔y方法的傳統(tǒng)BOTDA的有效傳感長度一般小于40km。此外，BOTDA存在由于需要雙端接入而帶來的當(dāng)光纖鏈路中出現(xiàn)斷點時不能工作的缺點，這極大的限制了 BOTDA的應(yīng)用場合。申請人:在公開號為CN102759371A的中國專利中已經(jīng)提出了一種融合COTDR的長距離相干檢測布里淵光時域分析儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接檢測的B0TDA，可以實現(xiàn)長距離的溫度或應(yīng)變傳感，當(dāng)傳感光纖出現(xiàn)斷點時，系統(tǒng)能對斷點進(jìn)行定位。但是，該系統(tǒng)存在信噪比、空間分辨率和測量精度不夠高的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明的目的是提出一種增益高、傳感距離長、系統(tǒng)信噪比和測量精度高的基于脈沖編碼和相干探測的具有斷點定位功能的BOTDA系統(tǒng)。本發(fā)明為達(dá)到上述目的，采用如下技術(shù)方案:一種基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，包括移頻器、窄線寬激光器、第一保偏率禹合器、第二保偏稱合器、第一電光調(diào)制器、脈沖信號源、第二電光調(diào)制器、擾偏器、微波信號源、測試光纖、光環(huán)形器、3dB耦合器、平衡光電探測器、頻譜分析儀、數(shù)字信號處理單元，窄線寬激光器發(fā)出連續(xù)光經(jīng)第一保偏耦合器分成兩路連續(xù)光:第一路連續(xù)光、第二路連續(xù)光，其中，第一路連續(xù)光經(jīng)移頻器移頻后作為本振光；第二路連續(xù)光經(jīng)第二保偏耦合器再分成兩路連續(xù)光:其中一路連續(xù)光經(jīng)經(jīng)由脈沖信號源控制的第一電光調(diào)制器調(diào)制成編碼泵浦脈沖，所述編碼泵浦脈沖光經(jīng)擾偏器后由光環(huán)形器的第I端口注入，然后由光環(huán)形器的第2端口輸出至測試光纖的一端；另一路連續(xù)光經(jīng)第二電光調(diào)制器移頻f 后作為探測信號光，移頻量f 的值由微波信號源控制，由第二電光調(diào)制器調(diào)制的探測信號光具有對稱的兩個探測邊帶，兩個探測邊帶從測試光纖的另一端注入，與相向傳輸?shù)木幋a泵浦脈沖光在測試光纖中發(fā)生受激布里淵散射作用，經(jīng)過受激布里淵作用后的探測信號光經(jīng)光環(huán)形器的第3端口進(jìn)入3dB耦合器與所述本振光相干混頻后由平衡探測器進(jìn)行相干檢測，平衡探測器輸出的中頻電信號由頻譜分析儀觀測和采集，數(shù)字信號處理單元對電頻譜分析儀采集到的中頻電信號進(jìn)行解碼、累加處理得到布里淵增益譜，并對所獲得的布里淵增益譜進(jìn)行洛倫茲擬合得到沿光纖的布里淵頻移分布，在根據(jù)布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的解調(diào)關(guān)系，實現(xiàn)光纖分布式溫度或應(yīng)變的傳感。進(jìn)一步的，所述平衡探測器是頻率響應(yīng)大于12GHz的光電探測器。進(jìn)一步的，所述移頻器的頻移量超過80MHz。 進(jìn)一步的，所述第一電光調(diào)制器調(diào)制輸出的編碼泵浦脈沖是Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈沖光。本發(fā)明的基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，當(dāng)所述測試光纖出現(xiàn)斷點時，所述第一電光調(diào)制器調(diào)制輸出的Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈沖光作為探測信號光，其后向的瑞利散射光經(jīng)光環(huán)形器的第3端口進(jìn)入3dB耦合器與所述本振光相干混頻后由平衡探測器進(jìn)行相干檢測，此時所述電頻譜分析儀采用“Zero-Span”模式提取中頻fIF=f\的中頻信號，經(jīng)多次累加平均后得到瑞利散射的OTDR功率分布曲線，實現(xiàn)斷點檢測功能。進(jìn)一步的,所述數(shù)字信號處理單元控制著脈沖信號源產(chǎn)生Hadamard序列或Golay互補序列的編碼電脈沖，并對頻譜分析儀作同步控制。進(jìn)一步的，通過調(diào)節(jié)所述微波信號源調(diào)制頻率f 的值，實現(xiàn)布里淵頻譜的掃頻測量。進(jìn)一步的，該系統(tǒng)同時采用了脈沖編碼技術(shù)和相干探測技術(shù)兩種技術(shù)。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:本發(fā)明同時采用了脈沖編碼技術(shù)和相干檢測方法，可提高BOTDA系統(tǒng)的信噪比、改善溫度和應(yīng)變的測量精度和增加傳感距離；采用Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈沖光，在提高系統(tǒng)信噪比同時又可通過減小編碼脈沖的碼元寬度來提高系統(tǒng)的空間分辨率，碼元寬度可以小到與光纖聲子壽命IOns相當(dāng)，對應(yīng)空間分辨率可達(dá)到Im ;采用相干探測使得系統(tǒng)具有斷點監(jiān)測功能，能有效克服傳統(tǒng)BOTDA需要雙端接入帶來出現(xiàn)斷點不能工作的缺點，增強傳感系統(tǒng)的適應(yīng)能力和實用性。本發(fā)明實現(xiàn)長距離的溫度或應(yīng)變傳感，當(dāng)傳感光纖出現(xiàn)斷點時，系統(tǒng)具有對斷點進(jìn)行定位的功能，同時具有高的空間分辨率、測量精度高，傳感距離長，信噪比高。


圖1是本發(fā)明基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)示意圖。圖中:9、移頻器；10、窄線寬激光器；11、第一保偏耦合器；12、第二保偏耦合器；13、第一電光調(diào)制器；14、脈沖信號源；15、第二電光調(diào)制器；16、擾偏器；17、微波信號源；18、測試光線；19、光環(huán)形器；20、3dB耦合器；21、平衡光電探測器；22、電頻譜分析儀；23、
數(shù)字信號處理單元。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明和描述。如圖1所示，一種基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)包括移頻器9、窄線寬激光器10、第一保偏稱合器11、第一保偏稱合器、第一電光調(diào)制器13、脈沖信號源14、第二電光調(diào)制器12、擾偏器16、微波信號源17、測試光纖18、光環(huán)形器19、3dB稱合器20、平衡光電探測器21、頻譜分析儀22和數(shù)字信號處理單元23。假設(shè)3dB線寬小于IMHz的窄線寬激光器10出射光的頻率為&，激光器發(fā)出連續(xù)光經(jīng)第一保偏耦合器11分成兩路連續(xù)光:第一路連續(xù)光經(jīng)移頻器9移頻后作為后續(xù)相干探測的本振光；第二路連續(xù)光經(jīng)第二保偏耦合器12再分成兩路連續(xù)光:其中一路連續(xù)光經(jīng)由脈沖信號源14控制的第一電光調(diào)制器調(diào)13制成Hadamard序列或Golay互補序列的編碼脈沖，編碼長度根據(jù)實際情況由脈沖信號源14設(shè)定，所述編碼泵浦脈沖光經(jīng)擾偏器16后由光環(huán)形器19的第I端口注入，然后由光環(huán)形器19的第2端口輸出至測試光纖18的一端；另一路連續(xù)光經(jīng)第二電光調(diào)制器15移頻f 后作為探測信號光，移頻量f的值由微波源17控制，由第二電光調(diào)制器15調(diào)制的探測信號光具有對稱的兩個探測邊帶，兩個探測邊帶從測試光纖的另一端注入，與相向傳輸?shù)木幋a泵浦脈沖光在測試光纖中發(fā)生受激布里淵散射作用，經(jīng)過受激布里淵作用后的探測信號光經(jīng)光環(huán)形器19的第3端口進(jìn)入3dB耦合器20與所述本振光相干混頻后由平衡光電探測器21進(jìn)行相干檢測。根據(jù)相干檢測原理，平衡光電探測器21輸出拍頻信號的光電流為:
權(quán)利要求
1.基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，包括窄線寬激光器(10)、第一保偏耦合器(11)、第二保偏稱合器(12)、微波信號源(17)、測試光纖(18)、光環(huán)形器(19)、3dB稱合器(20)、平衡光電探測器(21)、擾偏器(16)、電頻譜分析儀(22)和數(shù)字信號處理單元(23)，窄線寬激光器(10)發(fā)出連續(xù)光經(jīng)第一保偏耦合器(11)分成兩路連續(xù)光:第一路連續(xù)光、第二路連續(xù)光，其特征在于=BOTDA系統(tǒng)還包括移頻器(9)、第一電光調(diào)制器(13)、脈沖信號源(14)、第二電光調(diào)制器(15)其中: 第一路連續(xù)光經(jīng)移頻器(9)移頻f I后作為本振光； 第二路連續(xù)光經(jīng)第二保偏耦合器(12)再分成兩路連續(xù)光:其中一路連續(xù)光經(jīng)由脈沖信號源(14)控制的第一電光調(diào)制器(13)調(diào)制成編碼泵浦脈沖，所述編碼泵浦脈沖光經(jīng)擾偏器(16)后由光環(huán)形器(19)的第I端口注入，然后由光環(huán)形器(19)的第2端口輸出至測試光纖(18)的一端；另一路連續(xù)光經(jīng)第二電光調(diào)制器(15)移頻f 后作為探測信號光，移頻量f 的值由微波信號源(14)控制，由第二電光調(diào)制器(15)調(diào)制的探測信號光具有對稱的兩個探測邊帶，兩個探測邊帶從測試光纖(18)的另一端注入，與相向傳輸?shù)木幋a泵浦脈沖光在測試光纖(18)中發(fā)生受激布里淵散射作用，經(jīng)過受激布里淵作用后的探測信號光經(jīng)光環(huán)形器(19)的第3端口進(jìn)入3dB耦合器(20)與所述本振光相干混頻后由平衡光電探測器(21)進(jìn)行相干檢測，平衡光電探測器(21)輸出的中頻電信號由電頻譜分析儀(22)觀測和采集，數(shù)字信號處理單元(23)對電頻譜分析儀(22)采集到的中頻電信號進(jìn)行解碼、累加處理得到布里淵增益譜；并對所獲得的布里淵增益譜進(jìn)行洛倫茲擬合得到沿光纖的布里淵頻移分布，在根據(jù)布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的解調(diào)關(guān)系，實現(xiàn)光纖分布式溫度或應(yīng)變的傳感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:所述平衡光電探測器(21)是頻率響大于12GHz的光電探測器。·
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:所述移頻器(9)的移頻量超過80MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:所述第一電光調(diào)制器(13)調(diào)制輸出的是Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈沖光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字信號處理單元(23)控制著脈沖信號源(14)產(chǎn)生Hadamard序列或Golay互補序列的編碼電脈沖，并對電頻譜分析儀(22)作同步控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:當(dāng)所述測試光纖(18)不出現(xiàn)斷點時，所述平衡光電探測器(21)輸出拍頻信號的光電流為: idet(0 =xcos(27rfIFt + A#)其中，gSBS是受激布里淵增益，R為平衡光電探測器的響應(yīng)度，Pl和Pp分別是本振光的功率和探測光的功率，￡ 是拍頻信號頻率(也稱為中頻)，A Cj5是本振光和探測光的相位差。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:所述電頻譜分析儀(22)的中心頻率設(shè)置在中頻fIF處，并采用“Zero-Span”模式，所述數(shù)字信號處理單元(23)對所述電頻譜分析儀(22)采集到的中頻電信號進(jìn)行解碼、累加處理后則可以獲取中頻fIF信號的時域功率曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:通過調(diào)節(jié)所述微波信號源(17)調(diào)制頻率f 的值，實現(xiàn)布里淵頻譜的掃頻測量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:當(dāng)所述測試光纖(18)出現(xiàn)斷點時，所述第一電光調(diào)制器(13)調(diào)制輸出的具有時間序列的Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈沖光作為探測信號光,其后向的瑞利散射光經(jīng)所述光環(huán)形器(19)的第3端口進(jìn)入3dB耦合器(20)與所述本振光相干混頻后由平衡光電探測器(21)進(jìn)行相干檢測，此時所述電頻譜分析儀(22)采用“Zero-Span”模式提取中頻fIF=f\的中頻信號，經(jīng)多次累加平均后得到瑞利散射的OTDR功率分布曲線，實現(xiàn)斷點檢測功能。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)同時采用了脈沖編碼 技術(shù)和相干探測技術(shù)兩種技術(shù)。
全文摘要
基于脈沖編碼和相干探測的BOTDA系統(tǒng)，包括窄線寬激光器(10)、第一保偏耦合器(11)、第二保偏耦合器(12)、微波信號源(17)、測試光纖(18)、光環(huán)形器(19)、3dB耦合器(20)、平衡光電探測器(21)、擾偏器(16)、電頻譜分析儀(22)和數(shù)字信號處理單元(23)，窄線寬激光器(10)發(fā)出連續(xù)光經(jīng)第一保偏耦合器(11)分成兩路連續(xù)光第一路連續(xù)光、第二路連續(xù)光，還包括移頻器(9)、第一電光調(diào)制器(13)、脈沖信號源(14)、第二電光調(diào)制器(15)。本發(fā)明同時采用了脈沖編碼技術(shù)和相干檢測方法，可提高BOTDA的信噪比、測量精度和增加傳感距離，并且系統(tǒng)具有斷點監(jiān)測功能。
文檔編號G01D5/353GK103245370SQ201310124500
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者張旭蘋, 胡君輝, 夏嵐, 郭經(jīng)紅, 梁云, 李炳林 申請人:南京大學(xué), 中國電力科學(xué)研究院