CN108827175B - 基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置，包括宽频混沌激光源（1）、1×2光纤耦合器（2）、第一偏振控制器（3）、高速电光调制器（4）、可编程光延时发生器（5）、第一光放大器（6）、光扰偏器（7）、光隔离器（8）、传感光纤（9）、光环行器（10）、第二光放大器（11）、半导体光放大器（12）、第二偏振控制器（13）、脉冲信号发生器（14）、宽带微波信号源（15）、高速数据采集与分析系统（16）、光电探测器（17）、可调谐光滤波器（18）。本发明利用脉冲信号发生器产生高速脉冲信号，并实现宽带微波信号源、半导体光放大器及高速数据采集与分析系统的同步控制，保证传感系统测量的准确度与实时性。

Description

基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感是将光纤作为传感元件和传输元件，可以实现整条光纤不同位置处温度、应变等物理参量的连续分布式测量。分布式光纤传感技术作为大型建筑结构健康安全监测网络的重要一环已在石油化工、土木工程、电气传输、航空航天、交通运输等各大领域得到了广泛的应用，温度、振动及应变等多参量的实时、高精度监测成为重大研究热点。

目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于可实现温度和应变的同时测量，且在测量精度、测量距离、空间分辨率等方面的优势，成为分布式光纤传感领域的研究重点。大型工程健康监测对应变测量提出长距离、高分辨率、大动态范围、实时快速的要求，现有技术条件下，分布式光纤动态应变监测领域针对应变测量范围与监测实时性的研究已取得了初步进展。以色列特拉维夫大学Yair Peled等人提出斜率辅助式布里渊光时域分析技术（SA-BOTDA），最终以1m的空间分辨率在20m长光纤上实现了100Hz动态应变的测量（Optics Express, 2013, 21(9):10697-10705）。为了扩展传感距离，哈尔滨工业大学董永康教授团队利用差分双脉冲和二阶边带调制（IEEE Photonics Journal, 2013, 5(3):2600407）、多重斜率辅助（Optics Express, 2016, 24(9):9781-9793）及频率捷变（IEEEPhotonics Journal, 2017, 9(3):7102908.）等多项技术在短距离保偏光纤中实现了数十赫兹应变的快速测量。同时西班牙纳瓦拉大学A. Loayssa等人利用多频率泵浦脉冲调整布里渊增益谱线性区（IEEE Photonics Journal, 2017, 9(3):6802710），拓展了应变测量动态范围；上海交通大学何祖源等人将布里渊增益与布里渊相位相融合，利用一个新参量布里渊相位-增益比来表征实现动态范围的扩展（Journal of Lightwave Technology,2017, 35(20):4451-4458）。上述技术均采用布里渊光时域分析系统，该系统将脉冲信号作为泵浦信号实现光纤沿线的定位传感，优点是测量距离较长，但受限于声子寿命，该系统的空间分辨率较低，最高仅达亚米级，无法实现长距离与高分辨率兼顾的动态应变测量。

相较于时域系统，布里渊光相干域系统将相干频率调制的探测光与泵浦光从光纤两端相向注入到传感光纤中产生非线性受激布里渊散射作用，通过求两者的相干函数可以实现对传感光纤的分布式测量。在分布式动态应变测量领域，日本东京大学K.Hotate等人利用差分频率调制布里渊光相干域分析系统（DFM-BOCDA）实现了100m普通单模光纤20Hz动态应变的测量（Optics Letters, 2011, 36(11):2062-2064），何祖源等人利用超高速单点数据采集装置（LIA-free BOCDA）在20m传感光纤上实现了振动最高频率达200Hz的动态应变的8cm高分辨率测量（Optics Express, 2018, 26(6):6916-6928）。此外，日本东京工业大学K.Nakamura等人提出斜率辅助式布里渊光相干域反射系统（SA-BOCDR），并在高损耗塑料光纤中实现了短距离高灵敏的动态应变测量（Journal of Lightwave Technology,2017, 35(11):2304-2310）。然而，传统布里渊光相干域系统采用正弦频率调制的光源在待测光纤中传输产生周期性相关峰，受激布里渊声波场被限制于半高全宽为亚厘米或毫米量级的相关峰内以实现高分辨率的测量，同时为了避免相邻相关峰的串扰而保证待测光纤中只有一个峰导致传感距离被严重限制，无法实现长距离与高分辨率兼顾的大范围动态应变实时测量。

基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤动态应变测量系统，以克服现有技术中无法实现长距离与高分辨率兼顾的大范围动态应变实时测量的困难，实现长距离、高空间分辨率、大动态范围、实时快速的分布式动态应变测量。

发明内容

本发明是为了解决现有分布式光纤传感技术无法实现长距离与高分辨率兼顾的大范围动态应变实时监测的困难，提供了一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置，包括宽频混沌激光源、1×2光纤耦合器、第一偏振控制器、高速电光调制器、可编程光延时发生器、第一光放大器、光扰偏器、光隔离器、传感光纤、光环行器、第二光放大器、半导体光放大器、第二偏振控制器、脉冲信号发生器、宽带微波信号源、可调谐光滤波器、光电探测器，高速数据采集与分析系统。

其中，宽频混沌激光源的输出端与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端与第一偏振控制器输入端连接；第一偏振控制器输出端与高速电光调制器的光纤输入端连接；宽带微波信号源的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器的射频输入端连接；高速电光调制器的光纤输出端通过单模光纤跳线与可编程光延时发生器的输入端连接；可编程光延时发生器的输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器的输入端连接；第一光放大器的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器的输入端连接；光扰偏器的输出端通过单模光纤跳线与光隔离器的输入端连接；光隔离器的输出端与传感光纤一端连接；传感光纤的另一端与光环行器的反射端连接；1×2光纤耦合器的第二个输出端与第二偏振控制器输入端连接；第二偏振控制器输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器的输入端连接；半导体光放大器的输出端通过单模光纤跳线与第二光放大器的输入端连接：第二光放大器的输出端通过单模光纤跳线与光环行器的输入端连接；光环行器的输出端与可调谐光滤波器的输入端连接；可调谐光滤波器的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器连接；光电探测器的输出端通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统的数据采集端口连接；脉冲信号发生器的射频输出端Ⅰ通过高频同轴电缆与半导体光放大器的射频输入端连接，脉冲信号发生器的射频输出端Ⅱ通过高频同轴电缆与高速数据采集卡的射频控制端口连接，脉冲信号发生器的射频输出端Ⅲ通过高频同轴电缆与宽带微波信号源的外部触发端口连接。

基于上述装置，一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感方法，具体如下：

宽频混沌激光源输出混沌激光入射到1×2光纤耦合器，通过1×2光纤耦合器分为两路：一路作为探测光，另一路作为泵浦光。

探测光通过第一偏振控制器入射到高速电光调制器，其中高速电光调制器被宽带微波信号源输出的正弦信号调制，使得探测光中心频率产生偏移，频移量等于传感光纤的布里渊频移值（v_B≈10.6GH_Z）；经高速电光调制器移频后的光信号输入到可编程光延迟发生器，并通过可编程光延迟发生器调节探测光的光程，然后入射到第一光放大器，通过第一光放大器对探测光进行放大，然后入射到光扰偏器，经光扰偏器后入射到光隔离器，经光隔离器输出后，探测光注入传感光纤一端。

泵浦光通过第二偏振控制器入射到半导体光放大器，其中半导体光放大器被脉冲信号发生器输出的高速脉冲信号调制，经脉冲调制后的混沌光信号入射到第二光放大器，经第二光放大器放大后输出至光环行器的输入端。

相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤中的某一位置处相遇，与此同时发生受激布里渊放大作用，放大后的探测光信号经光环行器环行后进入可调谐光滤波器，滤除无用信号只保留布里渊斯托克斯光；将滤出的光信号接入光电探测器转换为电域信号，并通过高频同轴电缆传输至高速数据采集与分析系统。

混沌探测光和泵浦光在传感光纤相遇位置处会产生布里渊增益，通过宽带微波信号源将布里渊频差锁定在布里渊增益谱线性区的中点，并用光电探测器进行实时布里渊增益采集，并利用高速数据采集与分析系统进行实时数据处理与分析，同时可编程光延迟发生器（5）调节探测光的光程，使得探测光和泵浦光在传感光纤中的不同位置处发生受激布里渊放大作用，获取混沌布里渊增益谱信息，从而得到传感光纤任意位置处应变信息。

本发明所述的基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法，与现有的分布式光纤动态应变测量系统相比，其优点及积极效果在于：

一、与传统时域系统相比，基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置属于相干域系统，具有更高的空间分辨率，即空间分辨率可提高2~3个数量级。

二、基于正弦频率调制的相干域系统本身存在着传感距离和空间分辨率之间的矛盾，而且被正弦信号频率调制的激光信号所产生的相干函数具有周期性，进一步限制了传感距离的增加。基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置采用无时延的连续混沌激光作为探测信号，可以保证在足够长传感光纤中只存在一个相关峰，避免了相关峰的串扰，极大拓展了传感距离。

三、本发明所述的基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感系统，利用频谱平坦的宽频混沌信号作为光源：（1）混沌激光分为同相干态但频率失谐的探测光与泵浦光分别注入光纤，泵浦光中含有不同的频率分量时，每个频率分量会产生不同的布里渊增益，此时测量得出的布里渊增益谱是各个频率分量增益的线性叠加；本发明所述系统泵浦路为宽频混沌信号，各个频率分量均会产生稳定的受激布里渊增益，单次测量即可解调得出谱宽增加、线性区平坦的布里渊增益谱。（2）处于相同环境下光纤的任意位置处可解调得出完全相同的布里渊增益谱，通过调节混沌信号的频谱可调控布里渊增益谱的形状，并通过此方式得到更大的线性斜率范围和更好的线性度；以增益谱低频段线性区的中点处为参照，将探测光与泵浦光的频率失谐量锁定为该点处频率值，通过单频点位置处布里渊增益的测量，建立混沌布里渊增益谱单边斜率调控模型，且相同环境中该增益值是稳定不变的；光纤某位置位于特殊环境时，动态应变引起的布里渊频移导致增益谱低频段线性区的中点发生偏移，此时参照点处布里渊增益值发生明显变化，即实际的布里渊频移量最终映射为布里渊增益的变化，并利用上述布里渊增益谱单边斜率调控模型实现频移量的实时解调，即可通过实时的功率采集实现动态应变的高分辨率测量。

四、对于采用频率捷变技术的动态分布式布里渊光纤传感装置及方法（中国发明专利，ZL2013102334483），采用斜率辅助与相干探测技术相结合的动态分布式布里渊光纤传感装置及方法（中国发明专利，ZL2015101224127），采用多频率调制探测光技术的长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置（中国发明专利，ZL2014101334620）。上述装置及方法均采用传统时域系统，空间分辨率仍然受限；频率捷变技术无法实现应变信息的实时监测，传统斜率辅助法拥有较窄的布里渊增益谱线性区导致动态应变测量范围严重受限；多频率调制连续探测光进行布里渊增益谱拼接需要多个高速电光调制模块及任意波形发生器，系统成本较高且调制宽度有限；相干探测技术结构复杂，实行困难，受外界环境影响较大。而基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感系统以无时延、频谱平坦、宽频带的混沌激光为探测信号获得谱宽增加、线性区平坦的布里渊增益谱，无需复杂的调制手段使系统结构简化、成本降低，在克服长传感距离和高空间分辨率无法兼顾问题的基础上，发展布里渊增益谱单边斜率调控技术测量动态应变，吸收斜率辅助式系统测量时间短的优势，实现长距离、高空间分辨率、大范围动态应变的实时测量。

五、本发明所述的基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感系统利用脉冲信号发生器产生高速脉冲信号，并实现宽带微波信号源、半导体光放大器及高速数据采集与分析系统的同步控制，保证传感系统测量的准确度与实时性；相较于传统布里渊光时域分析系统中多个高速信号发生器、宽带电光调制器级联调控模型，本发明所述传感系统结构简单，易于集成仪器化测量设备，可实现大规模的工程监测应用。

附图说明

图1表示本发明装置的结构示意图。

图中：1-宽频混沌激光源，2-1×2光纤耦合器，3-第一偏振控制器，4-高速电光调制器，5-可编程光延迟发生器，6-第一光放大器，7-光扰偏器，8-光隔离器，9-传感光纤，10-光环行器，11-第二光放大器，12-半导体光放大器，13-第二偏振控制器，14-脉冲信号发生器，15-宽带微波信号源，16-高速数据采集与分析系统，17-光电探测器，18-可调谐光滤波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的 具体实施例进行详细说明。

一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置，如图1所示，包括宽频混沌激光源1、1×2光纤耦合器2、第一偏振控制器3、高速电光调制器4、可编程光延时发生器5、第一光放大器6、光扰偏器7、光隔离器8、传感光纤9、光环行器10、第二光放大器11、半导体光放大器12、第二偏振控制器13、脉冲信号发生器14、宽带微波信号源15、可调谐光滤波器18、光电探测器17，高速数据采集与分析系统16。

其中，宽频混沌激光源1的输出端与1×2光纤耦合器2的输入端连接；1×2光纤耦合器2的第一个输出端与第一偏振控制器3输入端连接；第一偏振控制器3输出端与高速电光调制器4的光纤输入端连接；宽带微波信号源15的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器4的射频输入端连接；高速电光调制器4的光纤输出端通过单模光纤跳线与可编程光延时发生器5的输入端连接；可编程光延时发生器5的输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器6的输入端连接；第一光放大器6的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器7的输入端连接；光扰偏器7的输出端通过单模光纤跳线与光隔离器8的输入端连接；光隔离器8的输出端与传感光纤9一端连接；传感光纤9的另一端与光环行器10的反射端连接；1×2光纤耦合器2的第二个输出端与第二偏振控制器13输入端连接；第二偏振控制器13输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器12的输入端连接；半导体光放大器12的输出端通过单模光纤跳线与第二光放大器11的输入端连接：第二光放大器11的输出端通过单模光纤跳线与光环行器10的输入端连接；光环行器10的输出端与可调谐光滤波器18的输入端连接；可调谐光滤波器18的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器17连接；光电探测器17的输出端通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统16的数据采集端口连接；脉冲信号发生器14的射频输出端Ⅰ通过高频同轴电缆与半导体光放大器12的射频输入端连接，脉冲信号发生器14的射频输出端Ⅱ通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统16的射频控制端口连接，脉冲信号发生器14的射频输出端Ⅲ通过高频同轴电缆与宽带微波信号源15的外部触发端口连接。

具体实施时，宽频混沌激光源中心波长为1550nm，光谱线宽大于6GHz，频谱带宽大于10GHz。高速电光调制器4采用MX-LN-10型高消光比铌酸锂电光强度调制器。可编程光延时发生器5采用ODG-101高精度可编程光延迟线。第一光放大器6采用普通掺饵光纤放大器。光扰偏器7采用PCD-104型扰偏器。传感光纤12采用G652单模光纤或G655单模光纤，其长度为50km。第二光放大器11采用脉冲掺饵光纤放大器。半导体光放大器12采用KG-SOA-C-BAND系列放大器。脉冲信号发生器14采用Agilent-81150A型信号发生器。宽带微波信号源15采用EXG-N5173B型微波信号源。光电探测器17采用低带宽高速探测器。可调谐光滤波器18采用XTM-50带宽波长可调型滤波器。

一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感方法，如下：

宽频混沌激光源1输出无时延、频谱平坦、宽频带连续混沌激光，并入射到1×2光纤耦合器2，通过1×2光纤耦合器2分为两路：一路作为探测光，另一路作为泵浦光。探测光通过第一偏振控制器3入射到高速电光调制器4，其中高速电光调制器4被宽带微波信号源15输出的正弦信号调制，使得探测光中心频率产生偏移，频移量接近于传感光纤的布里渊频移。经高速电光调制器4移频后的光信号输入到可编程光延迟发生器5，并通过可编程光延迟发生器5调节探测光的光程，然后入射到第一光放大器6。通过第一光放大器6对探测光进行放大，补偿可可编程光延迟发生器引起的光信号损耗，然后入射到光扰偏器7。光扰偏器用于降低探测光与泵浦光在传感光纤中进行干涉时偏振态的影响，经光扰偏器7后入射到光隔离器8。光隔离器8保证探测光单向通过，以避免后向散射光对探测光的影响。经光隔离器8输出后，探测光注入传感光纤9一端，传感光纤9另一端与光环行器10反射端连接。另一路泵浦光通过第二偏振控制器13入射到半导体光放大器12，其中半导体光放大器12被脉冲信号发生器14输出的高速脉冲信号调制，实现传感系统的脉冲定位和时域控制。经脉冲调制后的混沌光信号入射到第二光放大器11，经第二光放大器11放大后输出至光环行器10的输入端。相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤9中的某一位置处相遇，与此同时发生受激布里渊放大作用，放大后的探测光信号经光环行器10环行后进入可调谐光滤波器18，滤除无用信号（包括瑞利散射光、噪声等），只保留布里渊斯托克斯光；将滤出的光信号接入光电探测器17转换为电域信号，并通过高频同轴电缆传输至高速数据采集与分析系统16。混沌探测光和泵浦光在传感光纤9相遇位置处会产生布里渊增益，由于布里渊频移量与应变的线性关系，通过宽带微波信号源15将布里渊频差锁定在布里渊增益谱线性区的中点，并用光电探测器17进行实时布里渊增益采集，并利用脉冲同步控制的高速数据采集与分析系统16进行实时数据处理与分析，同时可编程光延迟发生器5可以调节探测光的光程，使得探测光和泵浦光在传感光纤9中的不同位置处发生受激布里渊放大作用，结合脉冲定位与时域控制技术可得到传感光纤任意位置处应变信息。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置，其特征在于：包括宽频混沌激光源（1）、1×2光纤耦合器（2）、第一偏振控制器（3）、高速电光调制器（4）、可编程光延时发生器（5）、第一光放大器（6）、光扰偏器（7）、光隔离器（8）、传感光纤（9）、光环行器（10）、第二光放大器（11）、半导体光放大器（12）、第二偏振控制器（13）、脉冲信号发生器（14）、宽带微波信号源（15）、高速数据采集与分析系统（16）、光电探测器（17）、可调谐光滤波器（18）；

其中，宽频混沌激光源（1）的输出端与1×2光纤耦合器（2）的输入端连接；1×2光纤耦合器（2）的第一个输出端与第一偏振控制器（3）输入端连接；第一偏振控制器（3）输出端与高速电光调制器（4）的光纤输入端连接；宽带微波信号源（15）的射频输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器（4）的射频输入端连接；高速电光调制器（4）的光纤输出端通过单模光纤跳线与可编程光延时发生器（5）的输入端连接；可编程光延时发生器（5）的输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器（6）的输入端连接；第一光放大器（6）的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器（7）的输入端连接；光扰偏器（7）的输出端通过单模光纤跳线与光隔离器（8）的输入端连接；光隔离器（8）的输出端与传感光纤（9）一端连接；传感光纤（9）的另一端与光环行器（10）的反射端连接；1×2光纤耦合器（2）的第二个输出端与第二偏振控制器（13）输入端连接；第二偏振控制器（13）输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器（12）的输入端连接；半导体光放大器（12）的输出端通过单模光纤跳线与第二光放大器（11）的输入端连接：第二光放大器（11）的输出端通过单模光纤跳线与光环行器（10）的输入端连接；光环行器（10）的输出端与可调谐光滤波器（18）的输入端连接；可调谐光滤波器（18）的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器（17）连接；光电探测器（17）的输出端通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统（16）的数据采集端口连接；脉冲信号发生器（14）的射频输出端Ⅰ通过高频同轴电缆与半导体光放大器（12）的射频输入端连接，脉冲信号发生器（14）的射频输出端Ⅱ通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统（16）的射频控制端口连接，脉冲信号发生器（14）的射频输出端Ⅲ通过高频同轴电缆与宽带微波信号源（15）的外部触发端口连接。

2.一种基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感方法，其特征在于：宽频混沌激光源（1）输出混沌激光入射到1×2光纤耦合器（2），通过1×2光纤耦合器（2）分为两路：一路作为探测光，另一路作为泵浦光；

探测光通过第一偏振控制器（3）入射到高速电光调制器（4），其中高速电光调制器（4）被宽带微波信号源（15）输出的正弦信号调制，使得探测光中心频率产生偏移；经高速电光调制器（4）移频后的光信号输入到可编程光延迟发生器（5），并通过可编程光延迟发生器（5）调节探测光的光程，然后入射到第一光放大器（6），通过第一光放大器（6）对探测光进行放大，然后入射到光扰偏器（7），经光扰偏器（7）后入射到光隔离器（8），经光隔离器（8）输出后，探测光注入传感光纤（9）一端；

泵浦光通过第二偏振控制器（13）入射到半导体光放大器（12），其中半导体光放大器（12）被脉冲信号发生器（14）输出的高速脉冲信号调制，经脉冲调制后的混沌光信号入射到第二光放大器（11），经第二光放大器（11）放大后输出至光环行器（10）的输入端；

相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤（9）中的某一位置处相遇，与此同时发生受激布里渊放大作用，放大后的探测光信号经光环行器（10）环行后进入可调谐光滤波器（18），滤除无用信号只保留布里渊斯托克斯光；将滤出的光信号接入光电探测器（17）转换为电域信号，并通过高频同轴电缆传输至高速数据采集与分析系统（16）；

混沌探测光和泵浦光在传感光纤（9）相遇位置处会产生布里渊增益，通过宽带微波信号源（15）将布里渊频差锁定在布里渊增益谱线性区的中点，并用光电探测器（17）进行实时布里渊增益采集，并利用高速数据采集与分析系统（16）进行实时数据处理与分析，同时可编程光延迟发生器（5）调节探测光的光程，使得探测光和泵浦光在传感光纤（9）中的不同位置处发生受激布里渊放大作用，获取混沌布里渊增益谱信息，从而得到传感光纤任意位置处应变信息。

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