CN109163748A - 基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置及方法，涉及单端动态分布式布里渊光纤传感技术，为了解决现有布里渊光时域反射计采用的算法复杂、处理的数据多的问题。一路光经第1电光调制器调制为脉冲光，再经掺饵光纤放大器功率放大后作为泵浦光，由待测光纤的一端输入；另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，光学捷变频信号光经第1滤波器滤出下边带作为参考光；待测光纤内发生自发布里渊散射，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。本发明适用于光纤传感。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及单端动态分布式布里渊光纤传感技术。
背景技术
利用自发布里渊散射的传感系统称为布里渊反射计，其中布里渊光时域反射计(BOTDR)为典型的代表，具有单端、系统结构简单和成本低等优点，已广泛应用于土木结构健康监测、油气管线监测、电缆和火灾监测等领域。
在BOTDR系统中，泵浦脉冲入射到待测光纤中，将其后向自发布里渊散射信号与参考光拍频探测解调布里渊增益谱，拍频能够有效降低探测器带宽。布里渊频谱的解调方案有两类：一种直接采集拍频信号，利用短时傅里叶变换(STFT)得到布里渊频谱；另一种方案通过混频、滤波和检波硬件分析拍频信号强度，扫频得到布里渊频谱。拟合布里渊频谱得到布里渊频移，根据光纤相应的温度和应变系数进行温度和应变解调。
由于自发布里渊散射信号较弱，需要大量平均提高信噪比，现有的频率扫描方案难以实现动态测量，而STFT方案能够降低所需的平均次数并且将频率解调在线下进行，能够实现动态测量(Guojie Tu,Yixin Zhang,Zhoufeng Ying,Xuping Zhang,and LidongLv.Strain variation measurement with short-time Fourier transform-basedBrillouin optical time-domain reflectometry sensing system[J].ElectronicsLetters,2014 50(22):1624-1626.)。同样可以利用STFT-BOTDR系统中的小增益受激布里渊散射增强信噪比，进一步降低平均次数提高动态采样率(Bo Li,Linqing Luo,Yifei Yu,Kenichi Soga,and Jize Yan.Dynamic Strain Measurement Using Small GainStimulated Brillouin Scattering in STFT-BOTDR[J].IEEE Sensors Journal,2017 17(9):2718-2724.)。另外布里渊增益谱斜坡法避免频率扫描，将泵浦光与参考光频率差固定使得布里渊增益谱斜坡落在带通滤波器带宽内，根据信号功率变化直接解调应变，同样能够实现动态测量(Damien Maraval,Renaud Gabet,Yves Jaouen,and VincentLamour.Dynamic Optical Fiber Sensing With Brillouin Optical Time DomainReflectometry:Application to Pipeline Vibration Monitoring[J].Journal ofLightwave Technology,2017 35(16):3296-3302.)。
然而，现有的布里渊光时域反射计采用的算法复杂、处理的数据多。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有布里渊光时域反射计采用的算法复杂、处理的数据多的问题，从而提供基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置。
本发明所述的第一种基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第2电光调制器、捷变频模块、第1滤波器3、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生下频移参考光；
所述一路光经第1电光调制器调制为脉冲光，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，脉冲光经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，第2电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，光学捷变频信号光经第1滤波器3滤出下边带作为参考光；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
优选的是，还包括单边带调制器和微波源；
所述一路光用于产生固定上频移脉冲的泵浦光；
所述一路光经单边带调制器调制为固定上频移的信号光，再经第1电光调制器调制为脉冲光，单边带调制器的固定频移微波信号由微波源提供。
优选的是，第1滤波器3采用光纤布拉格光栅实现。
本发明所述的第二种基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、第3电光调制器、捷变频模块、第4电光调制器、脉冲模块、第2滤波器5、掺饵光纤放大器1、环形器2、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生上频移脉冲的泵浦光，另一路光直接作为参考光；
所述一路光经第3电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，经第4电光调制器调制为脉冲光，经第2滤波器5滤出上边带，再经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；第3电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，第4电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
本发明所述的第三种基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、第5电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第6电光调制器、微波源、第3滤波器6、平衡探测器、混频器、捷变频模块、低通滤波器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生固定下频移的参考光；
所述一路光经第5电光调制器调制为脉冲光，脉冲光经掺饵光纤放大器1功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；第5电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述另一路光经第6电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，经第3滤波器6滤出下边带作为参考光，第6电光调制器的固定频移微波信号由微波源提供；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，平衡探测器的输出信号作为微波信号输入混频器，捷变频模块的输出信号作为本振信号输入混频器，混频器的输出信号经低通滤波器进行滤波后，采集模块采集低通滤波器的输出信号。
优选的是，捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
本发明的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置及方法，利用捷变频技术实现频率的快速切换，提前将所需扫描的频率写入到捷变频模块，一次全部输出，同时输出一脉冲序列，每一脉冲对应一微波频率信号。有三种方案实现自发布里渊增益谱的快速解调：1)参考光频率的快速扫描；2)泵浦光频率的快速扫描；3)混频器本振信号快速扫描。其测量时间由光纤长度、扫频个数和平均次数决定，滤波检波模块具有几十dB的增益能够有效降低平均次数。本发明将布里渊增益谱的解调过程在硬件部分完成，有效降低数据采集量和后期数据处理难度，同时硬件提供几十dB信号增益，能够实现高精度单端动态分布式布里渊温度和应变传感。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置的原理图；
图2是具体实施方式一中的泵浦脉冲序列与光学捷变频信号时序关系图；
图3是具体实施方式一所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置的结构示意图；
图4是具体实施方式二所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置的结构示意图；
图5是具体实施方式三所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置的结构示意图；
图6是具体实施方式四所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第2电光调制器、捷变频模块、第1滤波器3、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
待测光纤4为普通单模光纤，波长在1550nm附近的分布式反馈光纤激光器作为光源。
激光器输出的激光经50:50耦合器分为2路，50％的一路光用于产生脉冲的泵浦光，50％的另一路光用于产生下频移参考光；
所述50％的一路光经第1电光调制器调制为10ns脉冲光序列，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，第1电光调制器工作在最低工作点。脉冲光经掺饵光纤放大器(EDFA)功率放大后得到峰值功率为1W的高频泵浦脉冲光序列，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述50％的另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，第2电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，光学捷变频信号光经第1滤波器3滤出下边带作为参考光；第1滤波器3采用光纤布拉格光栅实现。
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，提高了信噪比，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号，直接得到解调后的自发布里渊散射谱。
结合图1对本发明的原理进行说明，后向散射的自发布里渊信号与光学捷变频调制的参考光信号拍频，采用滤波和检波的方案进行频谱分析。固定滤波器频率和带宽。在与低频参考光拍频时，二者频率差较大，自发后向散射的低频成分落在滤波器带宽内，检波器强度解调后得到相应强度；在与高频参考光拍频时，二者频率差较小，自发后向散射的高频成分落在滤波器带宽内，检波器强度解调后得到相应强度，最终在整个光学捷变频信号内实现自发布里渊增益谱快速重构。
结合图2对泵浦脉冲序列与光学捷变频信号时序关系进行说明，参考光光路中的第2电光调制器的调制端输入的射频信号为N个频率阶跃变化的波列fm(t)：
其中：fm0为波列的初始频率，fs为频率步进量，T为任一频率扫描周期，为取整，t是时间；
第2电光调制器将输入的一束激光调制成上下边频输出的参考光；
fr(t)＝f0±fm(t)，
其中，f0为激光器输出激光的频率；
所述参考光为由N个周期为T的不同频率的光组成，同时每一微波频率对应一方波脉冲信号，脉冲序列加载到泵浦光光路的第1电光调制器上，输出泵浦脉冲光。
保证光学捷变频的参考光频率范围相比于泵浦光覆盖光纤布里渊频移，同时可以提高光学捷变频范围，增加应变和温度解调范围。泵浦脉冲光宽度决定系统空间分辨率，测量时间与光纤长度、扫频个数和信号平均次数有关，实现单端动态分布式应变和温度的测量。
图2中f1至fN为每个周期所对应的频率。
具体实施方式二：结合图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、第3电光调制器、捷变频模块、第4电光调制器、脉冲模块、第2滤波器5、掺饵光纤放大器1、环形器2、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
待测光纤4为普通单模光纤，波长在1550nm附近的分布式反馈光纤激光器作为光源。
激光器输出的激光经90:10耦合器分为2路，90％的一路光用于产生上频移脉冲的泵浦光，10％的另一路光直接作为参考光；
所述90％的一路光经第3电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，经第4电光调制器调制为10ns脉冲光序列，经第2滤波器5滤出上边带，再经掺饵光纤放大器1功率放大后得到峰值功率为1W的光学捷变频调制的泵浦脉冲光序列，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；第3电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，第4电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与10％的参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，提高了信噪比，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号，直接得到解调后的自发布里渊散射谱。
本实施方式中采用泵浦光光学捷变频并脉冲调制。
具体实施方式三：结合图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、第5电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第6电光调制器、微波源、第3滤波器6、平衡探测器、混频器、捷变频模块、低通滤波器和采集模块；
待测光纤4为普通单模光纤，波长在1550nm附近的分布式反馈光纤激光器作为光源。
激光器输出的激光经50:50耦合器分为2路，50％的一路光用于产生脉冲的泵浦光，50％的另一路光用于产生固定下频移的参考光；
所述50％的一路光经第5电光调制器调制为10ns脉冲光，脉冲光经掺饵光纤放大器(EDFA)功率放大后得到峰值功率为1W的高频泵浦脉冲光序列，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；第5电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述50％的另一路光经第6电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，经第3滤波器6滤出下边带作为参考光，第6电光调制器的固定频移微波信号由微波源提供；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，提高了信噪比，平衡探测器的输出信号作为微波信号输入混频器，捷变频模块的输出信号作为本振信号输入混频器，混频器的输出信号经低通滤波器滤波后，采集模块采集低通滤波器的输出信号，直接得到解调后的自发布里渊散射谱。
本实施方式中，捷变频信号在混频器处进行频率扫描，降低系统对于捷变频模块带宽的要求。
具体实施方式四：结合图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，包括激光器、单边带调制器、微波源、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器1、环形器2、第2电光调制器、捷变频模块、第1滤波器3、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；待测光纤4为普通单模光纤，波长在1550nm附近的分布式反馈光纤激光器作为光源。
激光器输出的激光经90:10的耦合器分为2路，90％的一路光用于产生固定上频移脉冲的泵浦光，10％的另一路光用于产生下频移参考光；
所述90％的一路光进入单边带调制器(SSBM)，载波和一阶下边频被抑制并输出8.3GHz固定上频移的信号光，再经第1电光调制器调制为10ns脉冲光，单边带调制器的固定频移微波信号由微波源提供，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，脉冲光经掺饵光纤放大器(EDFA)功率放大后得到峰值功率为1W的高频泵浦脉冲光序列，然后依次经过环形器2的1端口和2端口，再由待测光纤4的一端输入；
所述10％的另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，第2电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，光学捷变频信号光经第1滤波器3滤出下边带作为参考光；
待测光纤4内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤4的一端输入环形器2的2端口，再由环形器2的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号，直接得到解调后的自发布里渊散射谱。
本实施方式采用双路频率调制技术，降低了系统对于捷变频模块带宽的要求。
具体实施方式五：本实施方式是对上述任意一项具体实施方式所述的基于光学啁啾链的单端快速分布式布里渊光学时域反射装置作进一步说明，捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
具体实施方式六：本实施方式所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射方法，将所需扫描的频率写入捷变频模块，并一次全部输出，同时输出泵浦光脉冲序列，每一个泵浦光脉冲对应一个捷变频模块的微波频率；
捷变频调制时采用以下三种方式中的一种：
捷变频模块驱动电光调制器，电光调制器调制参考光；对应具体实施方式一和四所述的装置；
捷变频模块驱动电光调制器，电光调制器调制泵浦光；对应具体实施方式二所述的装置；
自发布里渊信号与参考光拍频后的电信号作为微波信号输入混频器，捷变频模块的输出信号作为本振信号输入混频器；对应具体实施方式三所述的装置。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (7)
1.基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，其特征在于，包括激光器、第1电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器(1)、环形器(2)、第2电光调制器、捷变频模块、第1滤波器(3)、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生下频移参考光；
所述一路光经第1电光调制器调制为脉冲光，第1电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供，脉冲光经掺饵光纤放大器(1)功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器(2)的1端口和2端口，再由待测光纤(4)的一端输入；
所述另一路光经第2电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，第2电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，光学捷变频信号光经第1滤波器(3)滤出下边带作为参考光；
待测光纤(4)内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤(4)的一端输入环形器(2)的2端口，再由环形器(2)的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，其特征在于，还包括单边带调制器和微波源；
所述一路光用于产生固定上频移脉冲的泵浦光；
所述一路光经单边带调制器调制为固定上频移的信号光，再经第1电光调制器调制为脉冲光，单边带调制器的固定频移微波信号由微波源提供。
3.根据权利要求1所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，其特征在于，第1滤波器(3)采用光纤布拉格光栅实现。
4.基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，其特征在于，包括激光器、第3电光调制器、捷变频模块、第4电光调制器、脉冲模块、第2滤波器(5)、掺饵光纤放大器(1)、环形器(2)、平衡探测器、滤波检波模块和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生上频移脉冲的泵浦光，另一路光直接作为参考光；
所述一路光经第3电光调制器调制为上下边带的光学捷变频信号光，经第4电光调制器调制为脉冲光，经第2滤波器(5)滤出上边带，再经掺饵光纤放大器(1)功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器(2)的1端口和2端口，再由待测光纤(4)的一端输入；第3电光调制器的光学捷变频信号由捷变频模块提供，第4电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
待测光纤(4)内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤(4)的一端输入环形器(2)的2端口，再由环形器(2)的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，电信号经滤波检波模块进行滤波检波后，采集模块采集滤波检波模块的输出信号。
5.基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，其特征在于，包括激光器、第5电光调制器、脉冲模块、掺饵光纤放大器(1)、环形器(2)、第6电光调制器、微波源、第3滤波器(6)、平衡探测器、混频器、捷变频模块、低通滤波器和采集模块；
激光器输出的激光分为2路，一路光用于产生脉冲的泵浦光，另一路光用于产生固定下频移的参考光；
所述一路光经第5电光调制器调制为脉冲光，脉冲光经掺饵光纤放大器(1)功率放大后作为泵浦光，然后依次经过环形器(2)的1端口和2端口，再由待测光纤(4)的一端输入；第5电光调制器的脉冲信号由脉冲模块提供；
所述另一路光经第6电光调制器调制为固定频移的上下边带的信号光，经第3滤波器(6)滤出下边带作为参考光，第6电光调制器的固定频移微波信号由微波源提供；
待测光纤(4)内发生自发布里渊散射，后向散射的自发布里渊信号由待测光纤(4)的一端输入环形器(2)的2端口，再由环形器(2)的3端口输出，输出的自发布里渊信号与参考光拍频，平衡探测器探测拍频信号并进行光电转换，平衡探测器的输出信号作为微波信号输入混频器，捷变频模块的输出信号作为本振信号输入混频器，混频器的输出信号经低通滤波器进行滤波后，采集模块采集低通滤波器的输出信号。
6.根据上述任意一项权利要求所述的基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射装置，其特征在于，捷变频模块和/或脉冲模块采用任意波形发生器取代。
7.基于捷变频技术的单端动态分布式布里渊反射方法，其特征在于，将所需扫描的频率写入捷变频模块，并一次全部输出，同时输出泵浦光脉冲序列，每一个泵浦光脉冲对应一个捷变频模块的微波频率；
捷变频调制时采用以下三种方式中的一种：
捷变频模块驱动电光调制器，电光调制器调制参考光；
捷变频模块驱动电光调制器，电光调制器调制泵浦光；
自发布里渊信号与参考光拍频后的电信号作为微波信号输入混频器，捷变频模块的输出信号作为本振信号输入混频器。
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