一種單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)與傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)，具體是一種單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)與傳感方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)光纖中相向傳輸?shù)膬墒獠ǖ念l率差在光纖固有布里淵增益范圍內(nèi)時(shí)，這兩束光通過聲波場發(fā)生受激布里淵作用，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固有的布里淵頻移(Brillouin frequency shift，簡稱BFS)時(shí)，能量轉(zhuǎn)移量最大，據(jù)此可以測量出沿光纖長度的布里淵頻移分布，布里淵光時(shí)域分析(Brillouin optical timedomain analysis,簡稱BOTDA)技術(shù)正是基于上述原理，并利用布里淵頻移(BFS)與溫度和應(yīng)變之間的線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)分布式溫度和應(yīng)變傳感的。BOTDA具有長距離、高測量精度等特點(diǎn)，在橋梁大壩等大型土木工程和油氣管道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有著巨大的潛在用途。
[0003]傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)中，系統(tǒng)在檢測時(shí)需要在光纖的兩端分別注入泵浦光和探測光，因此在實(shí)際測量中系統(tǒng)的有效傳感距離只有標(biāo)稱傳感長度的一半。另一方面，雙端注入在實(shí)際使用中不方便。同時(shí)，在使用電光調(diào)制器調(diào)制脈沖光的時(shí)候，由于電光調(diào)制器的消光比有限，必然會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生泄漏的連續(xù)光，這些連續(xù)光將會(huì)在傳感光纖干擾實(shí)際數(shù)據(jù)的測量。為了提高電光調(diào)制器的消光比，減少漏光在系統(tǒng)中的影響，高消光比的電光調(diào)制器被要求使用，這將造成系統(tǒng)儀器的成本將急劇提升。除此之外，傳統(tǒng)BOTDA需要對(duì)泵浦光和探測光的頻率差進(jìn)行掃頻以獲取布里淵頻移，掃頻非常耗時(shí)，因此傳統(tǒng)基于掃頻的BOTDA系統(tǒng)不適用動(dòng)態(tài)事件的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)與傳感方法。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:單端結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)BOTDA中標(biāo)稱測量距離即為有效測量距離；這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:可以提高電光調(diào)制器的消光比、可以減少測量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量、能實(shí)現(xiàn)長距離動(dòng)態(tài)應(yīng)變的監(jiān)測功能。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)，包括
調(diào)制高消光比模塊，所述調(diào)制高消光比模塊利用脈沖光控制射頻開關(guān)進(jìn)而控制射頻信號(hào)對(duì)電光調(diào)制器的信號(hào)輸入，調(diào)制出脈沖光的同時(shí)微波源對(duì)泵浦光進(jìn)行了調(diào)制，調(diào)制成兩個(gè)分別為Vci+fm和V crfm的反斯托克斯和斯托克斯的光；
相移調(diào)制模塊，所述相移調(diào)制模塊通過對(duì)探測光進(jìn)行相位調(diào)制；
解調(diào)模塊，所述解調(diào)模塊對(duì)帶有信號(hào)的光進(jìn)行相位解調(diào)；
單端模塊，其為FC/PC連接器，連續(xù)光通過傳感光纖，在FC/PC連接器端面發(fā)生反射之后，再進(jìn)入傳感光纖并在傳感光纖中與泵浦光發(fā)生散射；
激光器光源通過第一耦合器輸出兩路連續(xù)光，第一路連續(xù)光進(jìn)入調(diào)制高消光比模塊的輸入端，調(diào)制高消光比模塊的輸出端連接到第二耦合器的一個(gè)輸入端；第二路連續(xù)光進(jìn)入相移調(diào)制模塊的輸入端，相移調(diào)制模塊的輸出端連接到第二耦合器的另一個(gè)輸入端；第二耦合器的輸出端接入光環(huán)形器的I端口，光環(huán)形器的2端口通過傳感光纖與單端模塊相接；光環(huán)形器的3端口與解調(diào)模塊相接。
[0006]所述的調(diào)制高消光比模塊包括第一微波信號(hào)源、射頻開關(guān)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、電光調(diào)制器和濾波器，第一微波信號(hào)源通過射頻開關(guān)與脈沖發(fā)生器相連，射頻開關(guān)的另一端連接電光調(diào)制器的射頻接口 ；電光調(diào)制器的輸出端連接濾波器的輸入端。
[0007]所述第一微波信號(hào)源輸出到電光調(diào)制器的微波頻率乙為10GHz。
[0008]所述相移調(diào)制模塊包括單邊帶調(diào)制器和第二微波信號(hào)源，第二微波信號(hào)源輸出到單邊帶調(diào)制器的頻率fKF范圍為500MHz-1500MHz。
[0009]使用上述單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)的傳感方法，包括如下步驟: 激光器發(fā)出頻率為Vtl的連續(xù)光被第一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；
第一路連續(xù)光由工作在抑制載頻模式的電光調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制成頻率分別為%+4和￥(|-4的反斯托克斯和斯托克斯的光；其中脈沖信號(hào)發(fā)生器通過脈沖控制射頻開關(guān)來調(diào)控第一微波信號(hào)源對(duì)電光調(diào)制器輸入，fm為第一微波信號(hào)源輸出的微波調(diào)制頻率；上述兩個(gè)頻率的光波經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波，濾波后頻率為％_4的脈沖光被保留下來，經(jīng)過第一隔離器經(jīng)摻鉺光纖放大器放大到預(yù)期峰值功率后通過偏擾器進(jìn)入第二耦合器；
第二路連續(xù)光由單邊帶調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制成頻率分別為％和V ,〖!^的兩個(gè)不同頻率成分的光信號(hào)進(jìn)入第二耦合器，其中fRF為第二微波信號(hào)源輸出給單邊帶調(diào)制器的調(diào)制頻率；含有兩個(gè)頻率的連續(xù)光與第一路調(diào)制好的泵浦脈沖光經(jīng)第二耦合器進(jìn)入光環(huán)形器；含有兩個(gè)頻率的連續(xù)光經(jīng)過傳感光纖在與傳感光纖末端相連接的FC/PC連接器端面發(fā)生菲涅爾反射，產(chǎn)生的反射信號(hào)光中載波信號(hào)為本振光其頻率為％，頻率為^過吧的信號(hào)光為探測信號(hào)；探測信號(hào)光與泵浦脈沖光傳感光纖相遇時(shí)產(chǎn)生受激布里淵散射效應(yīng)，頻率為V(1+fKF的探測光信號(hào)攜帶了沿傳感光纖分布的各點(diǎn)應(yīng)變信息；本振光與探測光信號(hào)經(jīng)光環(huán)形器后輸入到平衡光電探測器，由平衡光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生拍頻信號(hào)，拍頻信號(hào)由數(shù)據(jù)采集處理模塊采集和處理，獲取探測信號(hào)光波的布里淵相移，根據(jù)布里淵相移與應(yīng)變的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。
[0010]探測光和泵浦光的頻率是固定的，且探測光和泵浦光的頻率差等于傳感光纖固有受激布里淵增益譜上升沿一半處時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。
[0011]第一微波信號(hào)源的信號(hào)輸入是由脈沖信號(hào)源控制射頻開關(guān)進(jìn)行注入。
[0012]這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:單端結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 BOTDA中標(biāo)稱測量距離即為有效測量距離，解決了現(xiàn)有技術(shù)在檢測時(shí)需要在光纖的兩端分別注入泵浦光和探測光，實(shí)際測量中系統(tǒng)的有效傳感距離只有標(biāo)稱傳感長度一半的問題；
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:提高了電光調(diào)制器的消光比、減少了測量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)測量、實(shí)現(xiàn)了長距離動(dòng)態(tài)應(yīng)變的監(jiān)測功能。
【附圖說明】
[0013]圖1為實(shí)施例中單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為是泵浦脈沖與探測光相互作用過程的示意圖；
圖3為通過脈沖控制射頻開關(guān)控制調(diào)制高消光比的脈沖光的示意圖。
[0014]圖中1.激光器2.第一親合器3.第一微波信號(hào)源4.射頻開關(guān)5.脈沖信號(hào)發(fā)生器6.電光調(diào)制器7.濾波器8.第一隔離器9.摻鉺光纖放大器10.擾偏器11.單邊帶調(diào)制器12.第二微波信號(hào)源13.第二隔離器14.第二耦合器15.光環(huán)形器16.傳感光纖17.FC/PC連接器18.平衡光電探測器19.數(shù)據(jù)采集處理模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的闡述，但不是對(duì)本發(fā)明的限定。
[0016]實(shí)施例:
參照?qǐng)D1，一種單端結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測量的布里淵光纖傳感系統(tǒng)，包括調(diào)制高消光比模塊，所述調(diào)制高消光比模塊利用脈沖光控制射頻開關(guān)進(jìn)而控制射頻信號(hào)對(duì)電光調(diào)制器的信號(hào)輸入，調(diào)制出脈沖光的同時(shí)微波源對(duì)泵浦光進(jìn)行了調(diào)制，調(diào)制成兩個(gè)頻率分別為％+4和V ^匕的反斯托克斯和斯托克斯的光；
相移調(diào)制模塊，所述相移調(diào)制模塊通過對(duì)探測光進(jìn)行相位調(diào)制；
解調(diào)模塊，所述解調(diào)模塊對(duì)帶有信號(hào)的光進(jìn)行相位解調(diào)；
單端模塊，其為FC/PC連接器17，連續(xù)光通過傳感光纖16，在FC/PC連接器17端面發(fā)生反射之后，再進(jìn)入傳感光纖16并在傳感光纖16中各處與泵浦光發(fā)生散射；
激光器I光源通過第一耦合器2輸出兩路連續(xù)光，第一路連續(xù)光進(jìn)入調(diào)制高消光比模塊的輸入端，調(diào)制高消光比模塊的輸出端連接到第二耦合器14的一個(gè)輸入端；第二路連續(xù)光進(jìn)入相移調(diào)制模塊的輸入端，相移調(diào)制模塊的輸出端連接到第二耦合器14的另一個(gè)輸入端；第二耦合器14的輸出端接入光環(huán)形器15的I端口，光環(huán)形器15的2端口通過傳感光纖16與FC/PC連接器17相接；光環(huán)形器15的3端口與解調(diào)模塊相接。
[0017]具體地，
所述的調(diào)制高消光比模塊包括第一微波信號(hào)源3、射頻開關(guān)4、脈沖信號(hào)發(fā)生器5、電光調(diào)制器6和濾波器7，第一微