光纖布里淵分布式測量光路、裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種光纖布里淵分布式測量光路、 裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感技術(shù)是一種新型的傳感技術(shù)，具有測量精度高、抗電磁干擾和分布式測 量等優(yōu)點，在電力、建筑、石油和水利等行業(yè)大型工程結(jié)構(gòu)健康狀況在線監(jiān)測和故障點定 位中應(yīng)用前景廣闊。目前，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)從方案上主要分為三 種：基于布里淵光時域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, B0TDR) 的光纖傳感技術(shù)、基于布里淵光頻域分析（Brillouin Optical FrequencyDomain Analysis, B0FDA)的光纖傳感技術(shù)和基于布里淵光時域分析（BrillouinOptical Time Domain Analysis, B0TDA)的光纖傳感技術(shù)。其中，BOTDR測量的是自發(fā)布里淵散射信號，而 由于自發(fā)布里淵散射信號相對較弱，所以檢測難度較大。而在BOFDA的測量技術(shù)中，存在所 需測量時間長，對測量光纖所處環(huán)境要求高，且信號檢測設(shè)備昂貴等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種光纖布里淵分布式測量光路、 裝置和方法，以解決現(xiàn)有光纖測量精度不高的技術(shù)缺陷。
[0004] 為此，本發(fā)明實施方式提供了一種光纖布里淵分布式測量光路，包括第一耦合器、 第二耦合器、第三耦合器、第一環(huán)形器、第一光通道、第二光通道、傳感光纖、第三光通道和 第四光通道，
[0005] 所述第一親合器的兩個輸出端口分別與所述第一光通道的輸入端和第二光通道 的輸入端連接，所述第一光通道的輸出端與第二耦合器的輸入端口連接，所述第二耦合器 的一個輸出端口經(jīng)第一偏振控制器與所述第三I禹合器的一個輸入端口連接，另一輸出端口 經(jīng)所述第三光通道與所述傳感光纖的一端連接；
[0006] 所述第二光通道的輸出端與所述第一環(huán)形器的第一端口連接，所述第一環(huán)形器的 第二端口與所述傳感光纖的另外一端連接，所述第一環(huán)形器的第三端口與光柵連接，所述 第一環(huán)形器的第四端口與第四光通道的輸入端連接；所述第四光通道的輸出端與所述第三 親合器的一輸入端口連接。
[0007] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一光通道從輸入端至輸出端依次包括第二偏振 控制器、相位型電光調(diào)制器。
[0008] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第二光通道從輸入端至輸出端依次包括第三偏振 控制器、強度型電光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、第二環(huán)形器、光隔離器，所述第二環(huán)形器的第 一端口與所述摻鉺光纖放大器的輸出端連接，第二端口與光柵連接，第三端口與所述光隔 離器的輸入端口連接。
[0009] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第三光通道從輸入端至輸出端依次包括光濾波 器、光隔離器和擾偏器。
[0010] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第四光通道從輸入端至輸出端依次包括摻鉺光纖 放大器、第三環(huán)形器、雙通馬赫曾德爾干涉儀，所述第三環(huán)形器的第一端口與所述摻鉺光纖 放大器的輸出端連接，第二端口與光柵連接，第三端口與所述雙通馬赫曾德爾干涉儀的輸 入端口連接。
[0011] 本發(fā)明實施方式還提供了一種光纖布里淵分布式測量裝置，包括激光器、光電檢 測器和數(shù)據(jù)采集處理模塊，還包括上述的光纖布里淵分布式測量光路，所述激光器與所述 第一耦合器的輸入端口連接，所述光電檢測器與所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊連接，所述第三 親合器的一輸出端口與所述光電檢測器連接。
[0012] 本發(fā)明實施例又提供了一種光纖布里淵分布式測量方法，包括：
[0013] 將激光器發(fā)出的激光分成兩路光信號，其中一路光信號調(diào)制成脈沖光，另外一路 光信號調(diào)制成具有布里淵頻移頻率的連續(xù)光；
[0014] 將所述連續(xù)光分成第一脈沖連續(xù)光信號和第二連續(xù)光信號；
[0015] 將所述第一連續(xù)光信號和所述脈沖光在傳感光纖中產(chǎn)生受激布里淵散射，產(chǎn)生布 里淵散射光；
[0016] 將所述布里淵散射光與所述第二連續(xù)光信號進行干涉，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后得到測 量結(jié)果。
[0017] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一脈沖光強度占所述連續(xù)光光強度的95%。
[0018] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述"將所述布里淵散射光與所述第二連續(xù)光信號進 行干涉，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后得到測量結(jié)果"的步驟包括：
[0019] 根據(jù)所述布里淵散射光與所述第二連續(xù)光信號進行干涉結(jié)果，獲取布里淵頻移；
[0020] 根據(jù)下式計算溫度：
[0021] νΒ(Τ，0) = νΒ(Τ〇,0) [1+1. 18*10-4ΔΤ]
[0022] 其中：ν Β (Τ，0)表示應(yīng)變ε為0且保持不變時，布里淵散射光頻移隨溫度變化的 關(guān)系式；Ttl為參考溫度，一般取20°C ;v B (Ttl, 0)表示溫度為20°C，應(yīng)變ε為0時布里淵散射 光的頻移量；ΔΤ = T-Ttl為相對于參考溫度的溫度變化量。
[0023] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述"將所述布里淵散射光與所述第二連續(xù)光信號進 行干涉，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后得到測量結(jié)果"的步驟包括：
[0024] 根據(jù)所述布里淵散射光與所述第二連續(xù)光信號進行干涉結(jié)果，獲取布里淵頻移；
[0025] 根據(jù)下式計算應(yīng)變：
[0026] νΒ (Τ〇, ε ) = Vb(T0jO) (1+4.48 ε )
[0027] 其中：νΒ(Τ。，ε )表示溫度為參考溫度（Ttl= 20°C )時，布里淵頻移隨應(yīng)力ε變 化的關(guān)系式；VB (Ttl, 0)表示溫度為參考溫度（Ttl= 20°C )、應(yīng)力ε為0時的布里淵頻移量。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施方式具有如下有益效果：
[0029] 1.該測量光路、裝置和方法采用單光源輸入，利用雙端輸入激光來激發(fā)布里淵散 射，這樣使得測量系統(tǒng)得到簡化并且測量精度更高；
[0030] 2.利用雙通馬赫曾德爾干涉儀來實現(xiàn)受激布里淵散射和瑞利散射的分離，使得分 離效果更好，提高了測量精度；
[0031] 3.傳感光纖的一端輸入脈沖光、另一端輸入連續(xù)光來激發(fā)布里淵散射，這樣加強 了反斯托克斯成分，如果反斯托克斯光的強度足夠強，那么相對而言斯托克斯光的強度則 較弱，可以被忽略，這樣既解決了輸入光脈沖光度和空間分辨率的矛盾，又可以避免使用高 精度的濾光器；
[0032] 4.本發(fā)明實施方式不再需要額外參考光的外差干涉方法來檢測布里淵頻移，參考 光經(jīng)過電光調(diào)制器進行調(diào)制產(chǎn)生約IlGHZ的連續(xù)信號，與經(jīng)過濾波處理過的探測光在光電 傳感器進行外差干涉，進一步簡化了系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明實施方式提供的光纖布里淵分布式測量光路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2是圖1示出實施方式中雙通馬赫曾德爾干涉儀的結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖3是本發(fā)明實施方式提供的光纖布里淵分布式測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖4是本發(fā)明實施方式提供的光纖布里淵分布式測量方法的流程圖；
[0037] 圖5是是沒有施加溫度和應(yīng)變時的布里淵后向散射強度-頻移量-距離和溫度變 化關(guān)系圖；
[0038] 圖6是在傳感光纖的3000m距離處改變一溫度時的受激布里淵后向散射強度-頻 移量-距離和溫度的關(guān)系圖；
[0039] 圖7是在傳感光纖的3000m距離處施加一微應(yīng)力時的受激布里淵后向散射強 度-頻移量-距尚和溫度的關(guān)系圖；
[0040] 圖中：
[0041] 100 :光纖布里淵分布式測量光路；111 :第一親合器；112 :第二親合器；113 :第一 偏振控制器；114 :第三親合器；115 :第一環(huán)形器；116 :光柵；117 :傳感光纖；120 :第一光 通道；121 :第二偏振控制器；122 :相位型光電調(diào)制器；130 :第二光通道；131 :第三偏振控 制器；132 :強度型電光調(diào)制器；133 :摻鉺光纖放大器；134 :第二環(huán)形器；135 :光隔離器； 140 :第三光通道；141 :光濾波器；142 :光隔離器；143 :擾偏器；150 :第四光通道；151 :摻 鉺光纖放大器；152 :第三環(huán)形器；153 :雙通馬赫曾德爾干涉儀；1531 :耦合器；1532 :壓電 陶瓷；1533 :耦合器；1534 :光纖；1535 :光隔離器；1536 :直流電壓控制器；200 :激光器； 300 :光電檢測器；400 :數(shù)據(jù)采集與處理模塊。
【具體實施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施方式做進一步說明。
[0043] 參見圖1，圖1是本發(fā)明實施方式提供的光纖布里淵分布式測量光路的結(jié)構(gòu)示意 圖。圖1示出的光纖布里淵分布式測量光路100包括第一耦合器111、第二耦合器112、第 三耦合器114、第一環(huán)形器115、第一光通道120、第二光通道130、傳感光纖117、第三光通道 140和第四光通道150。
[0044] 其中，第一親合器111的兩個輸出端口分別與第一光通道120的輸入端和第二光 通道130的輸入端連接，第一光通道120的輸出端與第二耦合器112的輸入端口連接。第 二親合器112的一個輸出端口經(jīng)第一偏振控制器113與第三親合器114的一個輸入端口連 接，另一輸出端口經(jīng)第三光通道140與傳感光纖117的一端連接。
[0045] 第二光通道130的輸出端與第一環(huán)形器115的第一端口連接，第一環(huán)形器115的 第二端口與傳感光纖117的另外一端連接，第一環(huán)形器115的第三端口與光柵連接，第一環(huán) 形器115的第四端口與第四光通道150的輸入端連接。第四光通道150的輸出端與第三耦 合器114的一輸入端口連接。
[0046] 請參閱圖1，第一光通道120從輸入端至輸出端依次包括第二偏振控制器121、相 位型光電調(diào)制器122。第二光通道130從輸入端至輸出端依次包括第三偏振控制器131、強 度型電光調(diào)制器132、摻鉺光纖放大器133、第二環(huán)形器134、光隔離器135,第二環(huán)形器134 的第一端口與摻鉺光纖放大器133的輸出端連接，第二端口與光柵116連接，第三端口與光 隔離器135的輸入端口連接。第三光通道140從輸入端至輸出端依次包括光濾波器141、 光隔離器142和擾偏器143。第四光通道150從輸入端至輸出端依次包括摻鉺光纖放大器 151、第三環(huán)形器152、雙通馬赫曾德爾干涉儀153,第三環(huán)形器152的第一端口與摻鉺光纖 放大器151的輸出端連接，第二端口與光柵116連接，第三端口與雙通馬赫曾德爾干涉儀 153的輸入端口連接。
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