長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，包括相位調(diào)制器和多頻率信號發(fā)生模、強度調(diào)制器、微波開關、電脈沖發(fā)生模塊、微波信號發(fā)生模塊等部件；利用包含多頻率成分的信號發(fā)生模塊調(diào)制探測連續(xù)光的相位，使得探測連續(xù)光中產(chǎn)生多光頻成分，通過控制探測連續(xù)光各光頻成份的幅度來調(diào)節(jié)對應的布里淵增益譜幅度，拼接出所需譜寬和譜型的布里淵增益譜，在無損系統(tǒng)信噪比和響應速度的情況下，實現(xiàn)極大擴展動態(tài)應變測量范圍；將產(chǎn)生布里淵放大效應兩束光的頻差固定在布里淵增益拼接譜斜邊線性區(qū)域中間，把布里淵增益拼接譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，實現(xiàn)長距離分布式大測量范圍高響應速度光纖動態(tài)、靜態(tài)應變的定量測量。
【專利說明】長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及分布式光纖動態(tài)應變測量【技術領域】，具體涉及長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置。
【背景技術】
[0002]由動態(tài)應變引起的設備和建筑物受損越來越多，尤其在地震高發(fā)區(qū)，振動和沖擊波等對大壩、橋梁以及房屋等的破壞非常嚴重，因此迫切需要具有快速響應的動態(tài)應變傳感網(wǎng)絡。由于光纖具有損耗小、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢，且對研究結構的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整性影響較小，因此本質(zhì)上光纖傳感技術成為構建分布式動態(tài)應變監(jiān)測的最優(yōu)選擇。
[0003]目前，實現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應變傳感技術的研究主要有如下幾類:一是基于光纖光柵動態(tài)應變傳感技術(詳見 A.Cusano, et al., Sens.Actuator A-Phys.110, 276(2004)),外界動態(tài)應變或振動引起光纖光柵反射波長的動態(tài)漂移，但構建超大規(guī)模光纖光柵動態(tài)應變傳感網(wǎng)絡的技術難度和成本很高；二是基于光纖干涉結構的動態(tài)應變傳感技術(詳見 Tapanes Edward E., US Patent, 20030198425, (2003))，利用干涉結構將光纖受外界動態(tài)應變或振動擾動的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為光功率或者其他參量的變化，但干涉結構需要相移器和閉環(huán)控制系統(tǒng)來實時穩(wěn)定最佳工作點，系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度較差；三是基于瑞利散射的分布式動態(tài)應變傳感技術，其中較為成功的技術是相位敏感型光時域反射計(Φ-OTDR)(詳見 Z.Pan，et al., Proc.0f SPIE8421, 842129 (2012) ；Z.Qin, et al., Opt.Express20, 20459 (2012))，通過測量光脈沖覆蓋區(qū)域內(nèi)瑞利散射光的干涉疊加效果來解調(diào)動態(tài)擾動，但此方案對緩變擾動感知困難，且無法實現(xiàn)動態(tài)應變幅度的定量測量。
[0004]對于連續(xù)分布式傳感，布里淵型分布式光纖傳感技術可對光纖沿線上任意位置處的應力變形和溫度進行連續(xù)測量，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，基于布里淵非線性效應的分布式光纖傳感技術優(yōu)勢得到了充分展示并取得到了廣泛應用。但是，這種常規(guī)基于重構布里淵增益譜分布的方案，本質(zhì)上在響應速度方面還無法滿足動態(tài)應變信號傳感的迫切需求。國際上一些研究小組在常規(guī)布里淵分布式光纖傳感技術基礎上，有針對性的探索相關技術來實現(xiàn)分布式動態(tài)應變傳感。相關探索主要集中在以下兩個方面:
[0005]一方面是提高響應速度。2009年，A.Minardo等人提出了一種頻差斜邊偏置探測的方案(詳見R.Bernini, et al.，Opt.Lett.34，2613 (2009))，實現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，從而大大提高系統(tǒng)響應速度到98Hz，但此方案動態(tài)應變測量的范圍小于±350μ ε (形變范圍±0.035%)。2011年，A.Voskoboinik等人提出一種無掃頻重構布里淵增益譜的方案(詳見A.Voskoboinik, et al.，USPatent, US20130025374A1, (2013))，實現(xiàn)無需掃描即可覆蓋傳感頻譜，因此響應速度也可達到幾十Hz量級，但此方案技術方案動態(tài)應變測量范圍也只能達到±900μ ε。2012年，A.Loayssa等人提出一種基于布里淵相移分析型的分布式動態(tài)應變測量方案(詳見J.Urricelqui, et al., Opt.Express20, 26942 (2012)),通過解調(diào)應變導致布里淵增益的相位變化來實現(xiàn)動態(tài)應變傳感，此方案中應變傳感范圍也僅達到±1280μ ε。這些技術方案盡管有效提高了系統(tǒng)對動態(tài)應變的響應速度到IOOHz左右，但是應變傳感范圍小于±1000μ ε，無法滿足實際應用對大測量范圍的需求(±4000 μ ε以上)。
[0006]另一方面的研究集中在擴大動態(tài)應變測量范圍。2011年，在前述的頻差斜邊偏置探測方案基礎上，Q.Cui等人采用6.5ns脈寬的脈沖光作為泵浦脈沖，使得布里淵增益譜譜寬展寬到160MHz，從而實現(xiàn)將應變測量范圍擴展到土 1600 μ ε (詳見Q.Cui, et al.，IEEEPhoton.Technol.Lett.23，1887(2011))，但此技術方案犧牲了系統(tǒng)響應速度和信號信噪t匕。2012年，Y.Peled等人采用任意波形發(fā)生器驅(qū)動電光調(diào)制器的方案，實現(xiàn)高速重構布里淵增益譜的分布(詳見Y.Peled, et al.，Opt.Express20, 8584(2012))，但信號處理時卻需耗時提取應變相關的布里淵頻移信息，因此此方案在獲得更大的應變傳感范圍時犧牲系統(tǒng)的響應速度，不利于動態(tài)應變的高速解調(diào)。這些技術方案盡管可有效擴展動態(tài)應變的測量范圍到±2000μ ε左右，但是犧牲了傳感系統(tǒng)信噪比，使得響應速度只能達到IOHz左右，無法滿足實際應用對高響應速度的需求(100Hz)。
[0007]上述所有的分布式光纖動態(tài)應變測量技術方案，包括光纖光柵型、干涉結構型以及瑞利散射型，都因為具有難以構建大型傳感網(wǎng)絡、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測量等缺點，而無法滿足實際應用的需求。而最有潛力的基于布里淵效應的動態(tài)應變傳感方案中，也沒有發(fā)明一種能同時兼顧大測量范圍和高響應速度的技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服目前技術存在的缺點和不足，充分利用基于布里淵效應的長距離連續(xù)分布式測量的技術優(yōu)勢，又進一步解決實現(xiàn)大測量范圍和高響應速度的動態(tài)應變傳感，本發(fā)明提供長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，具體技術方案如下。
[0009]長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其包括:窄線寬激光器、光纖稱合器、強度調(diào)制器、鎖定放大器、微波開關、電脈沖發(fā)生模塊、微波信號發(fā)生模塊、第一光纖環(huán)形器、光纖光柵、第二光纖環(huán)形器、相位調(diào)制器、多頻率信號發(fā)生模塊、傳感光纖、光電探測器、信號高速并行處理單元；窄線寬激光器的尾纖輸出和光纖耦合器的輸入端口相連，實現(xiàn)將激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器的第一輸出端口與強度調(diào)制器的輸入端口相連，強度調(diào)制器的DC電壓偏置端口與鎖定放大器連接，實現(xiàn)最佳工作點的自動反饋穩(wěn)定控制，強度調(diào)制器的射頻輸入端口與微波開關的輸出端相連，微波開關的輸入端與微波信號發(fā)生模塊連接，微波開關的輸入端與電脈沖發(fā)生模塊連接；強度調(diào)制器調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由強度調(diào)制器的輸出端口輸出，并連接到第一光纖環(huán)形器的輸入端口，第一光纖環(huán)形器還有一端口與實現(xiàn)濾波的光纖光柵相連，第一光纖環(huán)形器的輸出端口與第二光纖環(huán)形器的輸入端口相連，實現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖中；光纖耦合器分光的另一路經(jīng)其第二輸出端口與相位調(diào)制器的輸入端口相連，相位調(diào)制器的射頻輸入端口與多頻率信號發(fā)生模塊連接，相位調(diào)制器的輸出端口輸出包含多頻率成份的探測連續(xù)光并注入到傳感光纖中；探測連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖中相向傳輸后與第二光纖環(huán)形器的另一端口相連，第二光纖環(huán)形器的輸出端口連接光電探測器的輸入端口，光電探測器的輸出端口與信號高速并行處理單元相連，實現(xiàn)傳感信號的解調(diào)。它可以實現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應變傳感監(jiān)測，其傳感范圍可達IOkm以上，空間分辨率I?10m，動態(tài)應變測量范圍可達±5000 μ ε，動態(tài)應變響應速率可達IOOHz以上。
[0010]上述的長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置中,通過相位調(diào)制器和多頻率信號發(fā)生模塊構建出一種布里淵增益拼接譜的光學結構，使用包含多頻率成分的多頻率信號發(fā)生模塊作用在相位調(diào)制器上，實現(xiàn)調(diào)制探測連續(xù)光的相位，使得探測連續(xù)光中產(chǎn)生多光頻成分，通過控制探測連續(xù)光各光頻的幅度來調(diào)節(jié)各自對應的布里淵增益譜幅度，拼接出所需譜寬和譜型的布里淵增益譜，在無損系統(tǒng)信噪比和響應速度的情況下，實現(xiàn)極大擴展動態(tài)應變測量范圍。
[0011]上述的長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置中，利用強度調(diào)制器、鎖定放大器、微波開關、電脈沖發(fā)生模塊、微波信號發(fā)生模塊、第一光纖環(huán)形器、光纖光柵和第二光纖環(huán)形器構建泵浦脈沖光產(chǎn)生的光學結構，獲取高消光比微波移頻泵浦脈沖光，進而將產(chǎn)生布里淵放大效應兩束光的頻差固定在布里淵增益拼接譜斜邊線性區(qū)域中間，把應變導致的布里淵增益拼接譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，可實現(xiàn)分布式動態(tài)、靜態(tài)應變的定量測量。
[0012]進一步優(yōu)選的，所述窄線寬激光器的線寬小于1MHz，工作在1550nm波段，輸出功率需達到20mW以上。
[0013]進一步優(yōu)選的，所述光纖光柵為布拉格短周期光纖光柵，其反射中心波長選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻 下頻帶范圍內(nèi)；通過溫度或應變施加在光纖光柵上，進行反射中心波長的調(diào)諧。
[0014]進一步優(yōu)選的，所述光纖光柵此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。
[0015]進一步優(yōu)選的，所述光電探測器響應帶寬高于IOOMHz。
[0016]進一步優(yōu)選的，所述信號高速并行處理單元采樣速率為lOOMS/s以上。
[0017]所述的窄線寬激光器，要求線寬小于1MHz，。
[0018]進一步優(yōu)選的，所述的光纖耦合器，為1X2三端口普通單模光纖耦合器，工作在1550nm 波段。
[0019]進一步優(yōu)選的，所述的強度調(diào)制器，為電光強度調(diào)制器，工作在1550nm波段，要求調(diào)制帶寬大于IIGHz。所述的鎖定放大器，為電光調(diào)制器的偏置電壓反饋控制單元，反饋響應速率kHz量級。所述的微波開關，控制微波信號通道的開啟和關閉，響應速度小于1ns，隔離度達到_45dB。所述的微波信號發(fā)生模塊，頻率范圍10~13GHz。所述的電脈沖發(fā)生模塊，脈寬IOns量級,重復頻率IOkHz量級。
[0020]傳統(tǒng)的布里淵光時域分析儀(BOTDA)的基本結構和原理是:處于傳感光纖兩端的激光器分別將泵浦脈沖光與探測連續(xù)光相向注入傳感光纖中，當泵浦脈沖光與探測連續(xù)光的光頻差處于光纖局部區(qū)域布里淵增益譜范圍內(nèi)時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生受激布里淵非線性放大效應，泵浦脈沖光與探測連續(xù)光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移(對于損耗型B0TDA，能量從連續(xù)光轉(zhuǎn)移到脈沖光)。根據(jù)泵浦脈沖光注入到光纖中的傳輸時間△〖，即可定位布里淵非線性效應發(fā)生的具體位置(L = cX At/n，其中c為光在真空中的傳播速度，η為光纖折射率)，據(jù)此實現(xiàn)傳感的定位分析。對連續(xù)光的頻率在一定范圍內(nèi)進行高精度調(diào)諧，同時檢測從光纖另一端透射出來的探測連續(xù)光光功率，就可確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達到最大時所對應的頻率差，由于光纖中的布里淵頻移與溫度、應變存在線性關系，如下公式所示，根據(jù)布里淵增益譜即可得到各局部位置處的溫度、應變信息，進而實現(xiàn)溫度和應變的分布式測量:
[0021]Vb = CeA ε +CtAT+ vbo
[0022]其中，νΒ為光纖在應變、溫度擾動情況下的布里淵頻移量，νΜ為無擾動情況下的初始布里淵頻移量，Ce為應變影響布里淵頻移的線性系數(shù)，Λ ε為應變施加量，Ct為溫度影響布里淵頻移的線性系數(shù)，AT為溫度施加量。
[0023]這種傳統(tǒng)的BOTDA方案，是通過激光器的調(diào)諧來掃描重構獲取光纖沿線布里淵增益譜Vb的分布，進而實現(xiàn)溫度和應變的分布式測量，一般所需頻率調(diào)諧掃描范圍約為200MHz，調(diào)諧精度約為1MHz，對激光器的調(diào)諧性能要求很高，受激光器調(diào)諧速度的限制以及信號處理時需要做多次累積平均以提高信噪比，實現(xiàn)一次長距離分布式的完整解調(diào)和測量，一般至少需要幾分鐘的時間甚至更長，而這種測量方式在速度上完全無法滿足IOOHz量級動態(tài)應變的快速響應需求。
[0024]vB(t) =CeAe cosft+vB0
[0025]其中Ae為動態(tài)應變的幅度，f為動態(tài)應變的頻率，如上公式所示，這種動態(tài)重構布里淵增益譜VB (t)分布的方案，本質(zhì)上很難實現(xiàn)動態(tài)應變的測量。因此如前面【背景技術】中所述，有研究人員提出了一種頻差斜邊偏置探測的方案，將相對傳輸?shù)膬墒獾念l差固定在無擾動時的布里 淵增益譜左側斜邊線性區(qū)域中間，若光纖局部有溫度或者應變的擾動造成布里淵增益譜的漂移，這種方案就可以實現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動(P(t) =8^0#〖，其中？(0為動態(tài)應變造成的光功率波動，Be為應變造成光功率波動的線性系數(shù))，從而可以避免重構布里淵增益譜vB (t)，大大提高系統(tǒng)響應速度，使得長距離分布式動態(tài)應變響應速度可以達到IOOHz量級以上。但考慮到布里淵增益譜譜寬有限(~35MHz)，此方案動態(tài)應變測量的范圍小于±350 μ ε (形變范圍±0.035%)，這種測量范圍太小而無法滿足絕大部分的實際工程需求。還有其他的一些方案，一定程度上犧牲響應速度，擴大動態(tài)應變測量的范圍，但暫時還沒有一種技術能同時兼顧高響應速度和大測量范圍。
[0026]在本發(fā)明中，基于布里淵增益拼接譜的長距離分布式光纖動態(tài)應變傳感技術方案，利用包含多頻率信號發(fā)生模塊來調(diào)制探測連續(xù)光的相位，使得探測連續(xù)光中產(chǎn)生多光頻成分，通過控制探測連續(xù)光各光頻的幅度來調(diào)節(jié)各自對應的布里淵增益譜幅度，拼接出所需譜寬和譜型的布里淵增益譜，在無損系統(tǒng)信噪比和響應速度的情況下，實現(xiàn)極大擴展動態(tài)應變測量范圍；將產(chǎn)生布里淵放大效應兩束光的頻差固定在布里淵增益拼接譜斜邊線性區(qū)域中間，把布里淵增益拼接譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，可同時實現(xiàn)分布式動態(tài)、靜態(tài)應變的定量測量。
[0027]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的特點和優(yōu)點是:
[0028](I)與傳統(tǒng)方案如光纖光柵型、干涉結構型以及瑞利散射型的光纖動態(tài)應變傳感網(wǎng)絡相比，本發(fā)明是基于受激布里淵非線性效應，不存在難以構建大型傳感網(wǎng)絡、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測量等缺點，可以有效實現(xiàn)長距離分布式光纖應變的定量實時在線高速測量。
[0029](2)與目前已有的布里淵型光纖動態(tài)應變傳感技術相比，針對當前布里淵分布式動態(tài)應變傳感技術中測量范圍和響應速度無法相互兼顧的缺點，本發(fā)明采用布里淵增益拼接譜的技術，采取利用多重布里淵增益拼接譜同時實現(xiàn)大測量范圍和高響應速度的研究思路，可有效實現(xiàn)將動態(tài)應變測量范圍擴展到±5000 μ ε以上，同時系統(tǒng)響應速度完全可保證達到同類技術的最高層次。
[0030](3)基于此技術，可以有效實現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應變傳感監(jiān)測，其傳感范圍可達IOkm以上，空間分辨率I~10m，動態(tài)應變測量范圍可達±5000 μ ε，動態(tài)應變響應速率可達IOOHz以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的泵浦脈沖光與探測連續(xù)光的頻率設計的示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明的光纖布里淵增益拼接譜的原理示意圖。
[0033]圖3為本發(fā)明的基于布里淵增益拼接譜的長距離分布式大測量范圍高響應速度光纖動態(tài)應變傳感裝置結構圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合實施例和附圖對本 發(fā)明的實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施和保護不限于此。
[0035]長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置的結構設計如圖3所示，窄線寬激光器I的尾纖輸出和光纖耦合器2的輸入端口 2-1相連，將種子激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器2的輸出端口 2-2與強度調(diào)制器3的輸入端口 3-1相連，強度調(diào)制器3的DC電壓偏置端口 3-2與鎖定放大器4連接，實現(xiàn)強度調(diào)制器3最佳工作點的自動反饋穩(wěn)定控制；強度調(diào)制器3的射頻輸入端口 3-3與微波開關5的輸出端口 5-3相連，微波開關5的輸入端5-1與微波信號發(fā)生模塊7相連,微波開關5的輸入端5-2與電脈沖發(fā)生模塊6相連。經(jīng)強度調(diào)制器3調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由輸出端口 3-4輸出并連接到第一光纖環(huán)形器8的輸入端口 8-1，第一光纖環(huán)形器8的端口 8-2與實現(xiàn)濾波作用的光纖光柵9相連，第一光纖環(huán)形器8的輸出端口 8-3與第二光纖環(huán)形器10的輸入端口?ο-l相連，實現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖13中。光纖耦合器2分光的另一路經(jīng)其輸出端口 2-3與相位調(diào)制器11的輸入端口 11-1相連，相位調(diào)制器11的射頻輸入端口 11-2與多頻率信號發(fā)生模塊12連接，包含多頻率成份的探測連續(xù)光經(jīng)相位調(diào)制器11的輸出端口11-3注入到傳感光纖13中。探測連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖13中相向傳輸，探測連續(xù)光傳輸經(jīng)過傳感光纖13后與第二光纖環(huán)形器10的端口 10-2相連，并通過第二光纖環(huán)形器10的輸出端口 10-3連接到高速光電探測器14的輸入端口 14-1，高速光電探測器14的輸出端口 14-2與信號高速并行處理單元15相連，實現(xiàn)傳感信號的解調(diào)。
[0036]以下再對各器件模塊的實現(xiàn)說明如下:
[0037]窄線寬激光器1，是基于布里淵增益拼接譜的分布式大測量范圍高響應速度光纖動態(tài)應變傳感系統(tǒng)的種子光源。由于單模光纖布里淵增益譜譜寬為35MHz左右，因此需要泵浦種子光源的線寬較窄。本發(fā)明中采用的光源為1550nm波段窄線寬單頻光纖激光器，其線寬為2kHz，激光功率可達到IOOmW以上(參考本 申請人:已授權發(fā)明專利200810220661.X，201110280866.9,201110241520.8);也可以采用其他類型的商用窄線寬激光器，但要求線寬小于IMHz。
[0038]光纖耦合器2，普通單模光纖1550nm波段，I X 2三端口，分光比需要根據(jù)實際實施時的光功率設定。
[0039]強度調(diào)制器3，在裝置中是實現(xiàn)獲取高消光比、寬帶移頻泵浦脈沖光的調(diào)制器件，工作在1550nm波段，可采用20GHz帶寬鈮酸鋰電光強度調(diào)制器。
[0040]鎖定放大器4，為電光調(diào)制器的偏置電壓反饋控制單元，使其運轉(zhuǎn)在最佳工作點處，可采用商用kHz量級響應速率的鎖定放大器。
[0041]微波開關5，在裝置中是用于控制微波信號通道的開啟和關閉，要求響應速度小于Ins,隔離度達到_45dB以上，可選擇符合參數(shù)要求的商用微波開關。
[0042]電脈沖發(fā)生模塊6，在裝置中是用于產(chǎn)生高對比度、窄脈寬的電脈沖，觸發(fā)控制微波開關的開啟和關閉，要求產(chǎn)生的電脈沖脈寬達到IOns量級，脈沖重復頻率IOkHz量級，可選擇符合參數(shù)要求的商用脈沖信號發(fā)生器。
[0043]微波信號發(fā)生模塊7，在裝置中用于產(chǎn)生微波信號輸出并作用到電光強度調(diào)制器上，使得被調(diào)制的激光頻率獲得寬帶移頻，由于單模光纖布里淵頻移約為11GHz，因此微波信號發(fā)生模塊可以采用頻率范圍10?13GHz的商用微波信號發(fā)生器，其微波輸出功率需要與所使用的強度調(diào)制器驅(qū)動相匹配。
[0044]第一光纖環(huán)行器8和第二光纖環(huán)行器10，均是一個三端口光纖環(huán)行器，單向?qū)?，也可采用接入光纖耦合器和隔離器的辦法，起到光纖環(huán)行器的作用。
[0045]光纖光柵9,布拉格短周期光纖光柵,其反射中心波長選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻下頻帶范圍內(nèi)；另外可通過溫度或應變施加在光纖光柵上，進行一定范圍內(nèi)的反射中心波長的調(diào)諧。此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。
[0046]相位調(diào)制器11，在裝置中是實現(xiàn)獲取包含多頻率成份的探測連續(xù)光的調(diào)制器件，工作在1550nm波段，可采用2.5GHz帶寬鈮酸鋰電光相位調(diào)制器。
[0047]多頻率信號發(fā)生模塊12，在裝置中是用于產(chǎn)生包含多頻率成份的高頻調(diào)制正弦波電信號，其工作頻段在750?1250MHz，多頻率成分之間的間隔約為IMHz以及多頻率成分的數(shù)量可達500以上，該信號發(fā)生模塊作用到電光相位調(diào)制器上，使得被調(diào)制的激光頻率移頻后獲得多頻率成分，可以選擇符合參數(shù)要求的商用編程函數(shù)信號發(fā)生器。
[0048]傳感光纖13，是整個分布式光纖動態(tài)應變傳感系統(tǒng)的基本傳感單元，外界的動態(tài)應變作用到傳感光纖上，影響此段光纖的布里淵增益譜，通過在終端解調(diào)即可獲取相關的應變及位置信息。在此系統(tǒng)中，可以采用商用G652型號的通信單模光纖作為傳感光纖。
[0049]光電探測器14，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，可以選用響應帶寬高于IOOMHz的高速光電探測器。
[0050]信號高速并行處理單元15，是整個分布式光纖動態(tài)應變傳感系統(tǒng)的信息獲取及處理部分，包括信號采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)高速處理和傳感結果顯示及保存多個部分，其中，為了獲得高時間分辨率，需要采用高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率需達到lOOMS/s以上，數(shù)據(jù)處理可以采取高速并行處理架構，實現(xiàn)實時信號傳輸與處理。
[0051]所述窄線寬激光器I通過耦合器2分光成兩路，其中一路經(jīng)過強度調(diào)制器3調(diào)制成高消光比、寬帶移頻泵浦脈沖光，其后經(jīng)光纖光柵9濾波保留下移頻光頻成分，經(jīng)環(huán)行器10進入到傳感光纖13中；另一路作為探測連續(xù)光進入相位調(diào)制器11，使用多頻率成分合成信號發(fā)生模塊12驅(qū)動相位調(diào)制器11，探測連續(xù)光被調(diào)制成包含多移頻光頻成分，利用其下頻移頻帶中多光頻對應的多布里淵增益譜拼接裁剪出更寬更線性的布里淵增益譜。將泵浦脈沖光和探測連續(xù)光的頻率差固定在傳感光纖13的布里淵增益拼接譜左側線型譜斜邊中間，當傳感光纖13局部受到動態(tài)應變擾動時，光纖局部布里淵增益拼接譜也會發(fā)生動態(tài)漂移，使用高速光電探測器14探測光功率的波動即能解調(diào)出動態(tài)應變，無需重構光纖沿線的布里淵增益譜，利用信號高速并行處理單元15實現(xiàn)大測量范圍高響應速度的分布式動態(tài)應變信號的解調(diào)。
[0052]在方案中，構建初始布里淵增益拼接譜是實現(xiàn)長距離分布式大測量范圍高響應速度的光纖動態(tài)應變傳感的關鍵。其基本原理如下:首先是基于布里淵非線性效應的泵浦脈沖光和探測連續(xù)光頻率的設計，選擇布里淵損耗型的頻率配對方式，也即探測連續(xù)光頻率處于反斯托克斯頻率，如圖1所示，泵浦脈沖光頻率為Vp-，使用多頻率合成信號發(fā)生器驅(qū)動電光相位調(diào)制器，設計多頻率合成信號發(fā)生器的工作頻段(750?1250MHz)、多頻率成分之間的間隔(?IMHz)以及多頻率成分的數(shù)量(?500)，使得被調(diào)制成包含多移頻光頻成分的探測連續(xù)光下頻移頻帶中的某幾階光頻與泵浦脈沖光正好處于布里淵非線性作用的頻譜范圍內(nèi)；同時，多頻率合成信號發(fā)生器產(chǎn)生的每一階頻率信號的幅度可控，以實現(xiàn)探測光每一階光頻的幅度可調(diào)。這部分設計合理可控的多頻相位調(diào)制的下頻移頻帶是構建光纖布里淵增益拼接譜的關鍵。
[0053]其次是光纖布里淵增益拼接譜的設計，如圖2所示，探測連續(xù)光中的每一階光頻均對應一個布里淵增益譜，多光頻頻率間隔(?IMHz)與各自對應的多重布里淵頻譜中心頻率間隔保持一致；布里淵增益譜的幅度由探測連續(xù)光和泵浦脈沖光的非線性耦合作用決定，固定泵浦脈沖光的幅度，通過控制探測連續(xù)光各光頻的幅度來調(diào)節(jié)各自對應的布里淵增益譜幅度，多光頻對應的多布里淵增益譜在頻域上非完全重疊，有效抑制多布里淵增益譜之間的弱耦合作用效應，可實現(xiàn)每一階的布里淵增益譜的幅度可控，合理設計各階布里淵增益譜的中心頻率和幅度，在頻域上可實現(xiàn)拼接出各種譜寬和譜型的布里淵增益譜，包括如圖2所示動態(tài)應變傳感所需的大范圍線性邊帶。
【權利要求】
1.長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于包括:窄線寬激光器(I)、光纖耦合器(2)、強度調(diào)制器(3)、鎖定放大器(4)、微波開關(5)、電脈沖發(fā)生模塊(6)、微波信號發(fā)生模塊(7)、第一光纖環(huán)形器(8)、光纖光柵(9)、第二光纖環(huán)形器(10)、相位調(diào)制器(11)、多頻率信號發(fā)生模塊(12)、傳感光纖(13)、光電探測器(14)、信號高速并行處理單兀(15);窄線寬激光器(I)的尾纖輸出和光纖稱合器2的輸入端口(2-1)相連，實現(xiàn)將激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器的第一輸出端口(2-2)與強度調(diào)制器的輸入端口(3-1)相連，強度調(diào)制器的DC電壓偏置端口(3-2)與鎖定放大器(4)連接，實現(xiàn)最佳工作點的自動反饋穩(wěn)定控制，強度調(diào)制器的射頻輸入端口(3-3)與微波開關的輸出端(5-3)相連,微波開關的輸入端(5-1)與微波信號發(fā)生模塊(7)連接,微波開關的輸入端(5-2)與電脈沖發(fā)生模塊(6)連接；強度調(diào)制器3調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由強度調(diào)制器的輸出端口(3-4)輸出，并連接到第一光纖環(huán)形器的輸入端口(8-1),第一光纖環(huán)形器(8)還有一端口(8-2)與實現(xiàn)濾波的光纖光柵(9)相連，第一光纖環(huán)形器的輸出端口(8-3)與第二光纖環(huán)形器的輸入端口(10-1)相連，實現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖(13)中；光纖I禹合器(2)分光的另一路經(jīng)其第二輸出端口(2-3)與相位調(diào)制器的輸入端口( 11-1)相連，相位調(diào)制器的射頻輸入端口( 11-2)與多頻率信號發(fā)生模塊(12)連接，相位調(diào)制器的輸出端口( 11-3)輸出包含多頻率成份的探測連續(xù)光并注入到傳感光纖(13)中；探測連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖(13)中相向傳輸后與第二光纖環(huán)形器的另一端口( 10-2)相連，第二光纖環(huán)形器的輸出端口( 10-3)連接光電探測器的輸入端口( 14-1 )，光電探測器的輸出端口(14-2)與信號高速并行處理單元(15)相連，實現(xiàn)傳感信號的解調(diào)。
2.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于通過相位調(diào)制器(11)和多頻率信號發(fā)生模塊(12)構建出一種布里淵增益拼接譜的光學結構，使用包含多頻率成分的多頻率信號發(fā)生模塊(12)作用在相位調(diào)制器(11)上，實現(xiàn)調(diào)制探測連續(xù)光的 相位，使得探測連續(xù)光中產(chǎn)生多光頻成分，通過控制探測連續(xù)光各光頻的幅度來調(diào)節(jié)各自對應的布里淵增益譜幅度，拼接出所需譜寬和譜型的布里淵增益譜。
3.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于利用強度調(diào)制器(3)、鎖定放大器(4)、微波開關(5)、電脈沖發(fā)生模塊(6)、微波信號發(fā)生模塊(7)、第一光纖環(huán)形器(8)、光纖光柵(9)和第二光纖環(huán)形器(10)構建泵浦脈沖光產(chǎn)生的光學結構，獲取高消光比微波移頻泵浦脈沖光，進而將產(chǎn)生布里淵放大效應兩束光的頻差固定在布里淵增益拼接譜斜邊線性區(qū)域中間，把應變導致的布里淵增益拼接譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，實現(xiàn)分布式動態(tài)、靜態(tài)應變的定量測量。
4.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于所述窄線寬激光器(I)的線寬小于IMHz。
5.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于所述光纖光柵(9)為布拉格短周期光纖光柵，其反射中心波長選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻下頻帶范圍內(nèi)；通過溫度或應變施加在光纖光柵上，進行反射中心波長的調(diào)諧。
6.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于所述光纖光柵(9 )此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。
7.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于所述光電探測器(14)響應帶寬高于IOOMHz。
8.如權利要求1所述長距離分布式大測量范圍快速響應光纖動態(tài)應變傳感裝置，其特征在于所述信號高速并行處理單元(15)采樣速率為lOOMS/s以上。
【文檔編號】G01B11/16GK103954226SQ201410133462
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權日:2014年4月3日
【發(fā)明者】甘久林, 陳佳利, 楊中民 申請人:華南理工大學