動態(tài)分布式布里淵光纖傳感裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種動態(tài)分布式布里淵光纖傳感裝置及 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖布里淵光時域分析技術(shù)（BOTDA)是一種基于受激布里淵散射效應(yīng)的分布式 光纖傳感技術(shù)，通過將一束泵浦光（脈沖光）和一束探測光（連續(xù)光）分別注入光纖兩端， 當(dāng)兩束光的頻率差在布里淵增益范圍時，兩束光之間由于受激布里淵效應(yīng)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移； 對探測光逐點掃頻，可得出傳感光纖沿線的布里淵增益譜（BGS)分布，由此可以得到布里 淵頻移（BFS)沿傳感光纖的分布，利用頻移量與溫度/應(yīng)變成正比關(guān)系以及光時域反射技 術(shù)，可實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式測量。
[0003] BOTDA技術(shù)具有探測信號較強，傳感距離長、測量精度高的特點，在大型基礎(chǔ)設(shè)施 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。但是由于其測量過程往往需要掃描幾百兆赫茲的布里淵 增益譜來獲得布里淵頻移，測量時間較長，因此不能將其應(yīng)用于動態(tài)事件如動態(tài)應(yīng)變、振動 等的測量。目前已有的可用于動態(tài)信號測量的BOTDA技術(shù)，有頻率梳免掃頻法，調(diào)制探測 光頻率法或者可變頻探測光法和布里淵增益斜率法，這些方法中，布里淵增益斜率法最為 簡單且性能效果較好，其他方法需要復(fù)雜的頻率調(diào)制和數(shù)據(jù)處理，然而布里淵增益斜率法 除了測量范圍有限外還存在一個嚴重的問題，系統(tǒng)的測量精度嚴重受泵浦光功率波動的影 響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的是布里淵增益斜率法BOTDA動態(tài)傳感技術(shù)中測量精度嚴重受 泵浦光功率波動影響的問題，提供了一種基于相干探測和BGS雙斜率頻點輔助方法的動態(tài) 分布式布里淵光纖傳感裝置及方法，可以在保證布里淵光纖傳感系統(tǒng)具有較長傳感距離的 同時，還能實現(xiàn)較高測量精度的動態(tài)事件測量。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種動態(tài)分布式布里淵光纖傳感裝置，包括窄線寬激光器、保偏親合器、親合器、 第一電光強度調(diào)制器、脈沖信號發(fā)生器、移頻器、光放大器、擾偏器、光環(huán)形器、偏振控制器、 第二光電強度調(diào)制器、微波信號源、傳感光纖、3dB耦合器、平衡光電探測器和數(shù)據(jù)采集處理 模塊。窄線寬激光器的輸出端連接保偏親合器的輸入端，保偏親合器的兩路輸出端分別連 接第一電光強度調(diào)制器的輸入端和親合器的輸入端。脈沖信號發(fā)生器直接連接第一電光 強度調(diào)制器的射頻接口，第一電光強度調(diào)制器的輸出端連接光放大器的輸入端；光放大器 的輸出端連接擾偏器的輸入端；擾偏器的輸出端與光環(huán)形器的A端口相連接。耦合器的兩 路輸出端分別連接移頻器的輸入端和3dB耦合器的一個輸入端；移頻器的輸出端連接偏振 控制器的輸入端，偏振控制器的輸出端連接第二光電強度調(diào)制器的輸入端，微波信號源直 接連接第二電光強度調(diào)制器的射頻接口；第二電光強度調(diào)制器的輸出端連接傳感光纖的一 端；傳感光纖的另一端連接光環(huán)形器的B端口；3dB耦合器的另一個輸入端連接光環(huán)形器的 C端口。3dB耦合器的輸出端經(jīng)平衡光電探測器與數(shù)據(jù)采集處理模塊相連。
[0007] 上述方案中，第一電光強度調(diào)制器的輸出的泵浦脈沖光寬度為10ns-50ns。
[0008] 上述方案中，移頻器的移頻量&= ΛνΒ/2,其中ΛνΒ為受激布里淵增益譜的半高 全寬。
[0009] 上述方案中，微波信號源輸出的微波電信號的頻率S等于傳感光纖未受動態(tài)應(yīng)變 時的布里淵頻移。
[0010] 上述方案中，所述傳感光纖為普通單模光纖。
[0011] 上述方案中，所述平衡光電探測器的探測帶寬為12GHZ。
[0012] 一種動態(tài)分布式布里淵光纖傳感方法，包括如下步驟：
[0013] 窄線寬激光器發(fā)出頻率為&的連續(xù)光被保偏耦合器分成兩路連續(xù)光，即第一路連 續(xù)光和第二路連續(xù)光；其中
[0014] 第一路連續(xù)光由第一電光強度調(diào)制器調(diào)制成泵浦脈沖光，泵浦脈沖光的頻率為 fQ，第一電光強度調(diào)制器調(diào)制的泵浦脈沖光的脈沖寬度大小由脈沖信號發(fā)生器控制，調(diào)制 好的泵浦脈沖光經(jīng)過光放大器放大到預(yù)期峰值功率后輸出至擾偏器，擾偏器輸出的泵浦脈 沖光由光環(huán)形器的A端口進入光環(huán)形器，并由光環(huán)形器的B端口輸出到傳感光纖的一端；
[0015] 第二路連續(xù)光經(jīng)耦合器分成兩路連續(xù)光，即探測光和本振光，此時探測光和本振 光的頻率都為探測光經(jīng)移頻器進行移頻f 輸出至偏振控制器的輸入端，由偏振控制 器進行光偏振態(tài)控制之后輸出到工作在抑制載頻模式的第二電光強度調(diào)制器，第二電光強 度調(diào)制器將其調(diào)制成上邊帶探測光和下邊帶探測光，第二電光強度調(diào)制器輸出的上邊帶探 測光和下邊帶探測光都注入傳感光纖的另一端；
[0016] 光環(huán)形器的B端口輸出的泵浦脈沖光與第二電光強度調(diào)制器注入的上邊帶探測 光和下邊帶探測光在傳感光纖相遇時，產(chǎn)生受激布里淵散射相互作用；傳感光纖輸出的經(jīng) 過受激布里淵相互作用的上邊帶探測光和下邊帶探測光與耦合器輸出的本振光，經(jīng)3dB耦 合器耦合后，再由平衡光電探測器進行相干探測；平衡光電探測器輸出的中頻電信號由數(shù) 據(jù)采集處理模塊進行采集和處理，分別得到經(jīng)過受激布里淵相互作用后的上邊帶探測光和 下邊帶探測光沿傳感光纖的功率分布及它們的比值，再根據(jù)所獲得的上邊帶探測光和下邊 帶探測光沿傳感光纖的功率比值與所處傳感光纖位置布里淵頻移的關(guān)系R(t，z，δ Vb)可以 得到所處位置的布里淵頻移變化量Svb (t，z)，最后根據(jù)布里淵頻移變化量δ Vb (t，z)與應(yīng) 變的線性關(guān)系實現(xiàn)動態(tài)分布式應(yīng)變傳感。
[0017] 上述方法，還進一步包括，通過傳統(tǒng)BOTDA的掃頻方法預(yù)先獲得傳感光纖未受動 態(tài)應(yīng)變時的布里淵頻移&的步驟。
[0018] 上述方法中，第二電光強度調(diào)制器輸出的上邊帶探測光的頻率V+為：
[0019] V+ - f0+ vB + Ava /2 ;
[0020] 第二電光強度調(diào)制器輸出的下邊帶探測光的頻率，為：
[0021] V- - fa~vB +Δν5 /2 ;
[0022] 式中，&為第一電光強度調(diào)制器調(diào)制出的泵浦脈沖光的頻率，S為微波信號源輸 出給第二電光強度調(diào)制器的微波信號的調(diào)制頻率，其數(shù)值等于傳感光纖未受動態(tài)應(yīng)變時的 布里淵頻移，Λ Vb為受激布里淵增益譜的半高全寬。
[0023] 上述方法中，經(jīng)過受激布里淵相互作用的上邊帶探測光和下邊帶探測光沿傳感光 纖的功率分布與所處傳感光纖位置的布里淵頻移變化量的關(guān)系R(t，z，δ VB)為：
[0024]
【主權(quán)項】
1. 動態(tài)分布式布里淵光纖傳感方法，其特征在于，包括如下步驟： 窄線寬激光器（Ol)發(fā)出頻率為f〇的連續(xù)光被保偏耦合器（02)分成兩路連續(xù)光，即第 一路連續(xù)光和第二路連續(xù)光；其中 第一路連續(xù)光由第一電光強度調(diào)制器（04)調(diào)制成泵浦脈沖光，泵浦脈沖光的頻率為 fQ，第一電光強度調(diào)制器（04)調(diào)制的泵浦脈沖光的脈沖寬度大小由脈沖信號發(fā)生器（05)