基于布里渊和拉曼三阶联合放大的混沌拉曼光纤传感装置的制作方法

1.本发明属于分布式光纤传感技术中的温度安全检测领域，具体是一种能实现100km传感距离的、基于布里渊和拉曼三阶联合放大的混沌拉曼分布式光纤传感装置。


背景技术：

2.分布式光纤拉曼传感系统可以实现连续的分布式温度监测，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、防火防爆等优点。在传感光纤中，脉冲激光在光纤中传播会产生斯托克斯光与反斯托克斯光这两种拉曼散射信号，其中，反斯托克斯信号更容易受到温度的影响，对温度更敏感。因此可以将斯托克斯光和反斯托克斯光用以温度解调，实现光纤沿线分布式温度监测。目前分布式光纤拉曼温度传感技术的应用前景十分广阔，主要应用于煤矿、隧道、桥梁、高速公路、高层建筑等灾害性检测、防护及报警等领域。
3.分布式温度传感系统的传感距离和测量精度主要依赖于温度解调方法，目前，温度解调方法有单路解调及双路解调两种。单路解调方法是利用拉曼反斯托克斯背散射光通过传感光纤来确定温度；双路解调方法是利用反斯托克斯散射光与瑞利或斯托克斯散射光的比值来解调温度。以上方法都依赖于拉曼反斯托克斯背散射光强度，然而由于拉曼后向反斯托克斯散射信号强度弱，目前只能实现30km的传感距离，但在隧道、桥梁等工程应用中，对传感距离有更高的要求。
4.基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤拉曼传感装置及方法，提高拉曼反斯托克斯背向散射光强度，以解决现有分布式光纤拉曼传感系统的传感距离无法突破30km的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统传感距离受限于拉曼散射信号强度，导致其传感距离难以突破30km的技术难题，本发明提出了一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，可以将拉曼散射信号进行放大，最终实现100km的超长传感距离。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，包括：第一混沌激光器、第二混沌激光器和第三混沌激光器，所述第一混沌激光器发出的混沌激光经第一耦合器后分为两束，一束经第一调制器调制成为脉冲光后，依次经第一隔离器、第二耦合器后分为参考光束和信号光束，参考光束被第一光电探测器接收，信号光束依次经波分复用器、第三耦合器后进入传感光纤；另一束经第二调制器进行双边带调制后，经滤波器滤除低频边带，高频边带经第四耦合器从另一端进入传感光纤对脉冲光进行受激布里渊放大，脉冲光在传感光纤中发生拉曼散射产生的背向反斯托克斯光经第三耦合器输出并返回波分复用器，然后经波分复用器输出到第二光电探测器，所述第二混沌激光器和第三混沌激光器输出的混沌激光信号作为泵浦光分别经第四耦合器和第二耦合器对向进入传感光纤，所述反斯托克斯光的带宽处于传感光纤的
拉曼增益带宽内。
7.第一混沌激光器的中心波长为1550nm、第二混沌激光器和第三混沌激光器)的中心波长为1350nm，第二调制器的调制频率为10.8ghz。
8.所述的一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，还包括第二隔离器，所述第二隔离器设置在第四耦合器与传感光纤之间。
9.所述的一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，还包括第一任意波形发生器和第二任意波形发生器，所述第一任意波形发生器和第二任意波形发生器分别用于驱动第二调制器和第一调制器。
10.所述的一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，还包括数据采集卡，所述第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出端与数据采集卡连接。
11.所述的一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，其温度解调时，温度的计算公式为：
[0012][0013]
其中，t1表示测量位置的温度，c
peak
表示相关正峰值，表示l1位置处的衰减信息，i表示数据点个数，p
i
表示混沌脉冲激光第i个数据点的功率，w表示脉冲宽度，fs表示采样率，k
as
表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λ
as
是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，k为波尔兹曼常数，δν为拉曼频移，h为普朗克常数，t0表示非温变区的温度。
[0014]
所述的一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，其温度解调时，温度突变区域位置l1的计算公式为：
[0015]
l1＝a0·
c/(2n0·
f
s
)；
[0016]
其中，a0表示相关系数呈现正峰值时对应的延时采样点个数，n0表示传感光纤中的折射率，c表示光速，f
s
表示采样率。
[0017]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过将波长为1550nm的混沌激光利用正弦信号调制后的第二调制器进行双边带调制，使其通过滤波器的1549.91nm的激光为传感光纤传播的波长为1550nm的混沌脉冲激光提供放大增益，使得混沌拉曼反斯托克斯激光信号增强；此外两个混沌激光器产生的1350nm的激光为拉曼后向反斯托克斯1450nm的散射光提供正向和反向放大增益，最终对混沌脉冲参考信号和经过三阶联合信号放大后的混沌拉曼反斯托克斯散射信号进行混沌差分重构及互相关处理，可解调出传感光纤温变区的详细信息，传感距离可达到100km。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例提供的一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的混沌拉曼光纤传感装置的结构示意图；
[0019]
图中：1
‑
第一激光器，2
‑
第一耦合器，3
‑
第一任意波形发生器，4
‑
第二调制器，5
‑
第二混沌激光器，6
‑
滤波器，7
‑
第四耦合器，8
‑
第二隔离器，9
‑
传感光纤，10
‑
第一调制器，11
‑
第二任意波形发生器，12
‑
第一隔离器，13
‑
第二耦合器，14
‑
波分复用器，15
‑
第三耦合器，16
‑
第三混沌激光器，17
‑
第一光电探测器，18
‑
第二光电探测器，19
‑
采集卡。
具体实施方式
[0020]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]
如图1所示，本发明一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的的拉曼分布式传感系统，可实现100km传感距离，其具体包括：第一混沌激光器1、第二混沌激光器5和第三混沌激光器16，所述第一混沌激光器1发出的混沌激光经第一耦合器2后分为两束，一束经第一调制器10调制成为脉冲光后，依次经第一隔离器12、第二耦合器13后分为参考光束和信号光束，参考光束被第一光电探测器17接收，信号光束依次经波分复用器14、第三耦合器15后进入传感光纤9；另一束经第二调制器4进行双边带调制后，经滤波器6滤除低频边带，高频边带经第四耦合器7、第二隔离器8后从另一端进入传感光纤9对脉冲光进行受激布里渊放大，脉冲光在传感光纤9中发生拉曼散射产生的背向反斯托克斯光经第三耦合器15输出并返回波分复用器14，然后经波分复用器14输出到第二光电探测器18，所述第二混沌激光器5和第三混沌激光器16输出的混沌激光信号作为泵浦光分别经第四耦合器7和第二耦合器17对向进入传感光纤9，所述反斯托克斯光的带宽处于传感光纤的拉曼增益带宽内。
[0022]
具体地，本实施例中，第一混沌激光器1的输出端与第一耦合器2的a端口连接；第一耦合器2的输出端口b与第二调制器4的b端口连接；第二调制器4的a、c端口分别与任意波形发生器3和滤波器6连接；第二混沌激光器5和滤波器6分别与第四耦合器7的a、b端口连接；第四耦合器7的c端口与隔离器8连接；第二隔离器8与传感光纤9的另一端连接；第一耦合器2的c端口与第一调制器10的b端口连接；第一调制器10的a、c端口分别与任意波形发生器11和隔离器12连接；隔离器12与第二耦合器13的b端口连接；第二耦合器13的a、c端口分别与第一光电探测器17和波分复用器14的b端口连接；波分复用器14的a、c端口分别与第二光电探测器18和第三耦合器15的a端口连接；第三耦合器15的b、c端口分别与混沌激光器16和传感光纤9的一端连接；第一光电探测器17和第二光电探测器18与采集卡19连接。
[0023]
具体地，本实施例中，第一混沌激光器1的中心波长为1550nm、第二混沌激光器5和第三混沌激光器16的中心波长为1350nm，第二调制器4的调制频率为10.8ghz。通过第二调制器4进行双边带调制，并利用滤波器6滤除低频边带，使得高频边带与脉冲光满足受激布里渊放大条件，则可以对脉冲光进行放大，增加传感信号强度。
[0024]
具体地，本实施例中，第一调制器10和第二调制器4为声光调制器，第一耦合器2、第二耦合器13、第三耦合器15和第四耦合器7均为50：50的1
×
2光纤耦合器。
[0025]
具体地，本实施例中的传感装置还包括第一任意波形发生器3和第二任意波形发生器11，所述第一任意波形发生器3和第二任意波形发生器11分别用于驱动第二调制器4和第一调制器10。
[0026]
本发明实施例的工作原理如下：混沌激光器1发出中心波长为1550nm的混沌连续光经过第一耦合器2后，分为两束。其中一束混沌激光从光纤耦合器2的c端口发出，经第一
调制器10后调制为混沌脉冲光，该脉冲光经第一隔离器12后，到达1：99的第二耦合器13，分为光强比为1:99的参考光和信号光，其中参考光由第一光电探测器17探测，作为参考路，另一束信号光经波分复用器14、第三耦合器15后到达传感光纤9发生拉曼散射，产生的混沌拉曼后向反斯托克斯散射信号，另一束连续光从b端口输出，利用正弦信号调制后的第一调制器4进行双边带调制，使得1550nm的入射混沌信号产生布里渊频移，原1550nm的峰消失，形成1549.91nm和1550.09nm的双峰，经滤波器6后，得到1549.91nm的连续混沌光，该混沌光经第一耦合器7、隔离器8后从传感光纤另一端进入，与传感光纤中的1550nm的混沌信号光相遇，为其提供增益，使得传感光纤中的1550nm的入射信号光的强度发生受激布里渊增强。另外第二混沌激光器5发出中心波长为1350nm的泵浦光经第四耦合器7、隔离器8后从另一端进入传感光纤9，对上述拉曼后向反斯托克斯散射信号进行正向调制，使其信号得到增强；第三混沌激光源16发出的1350nm的泵浦光经光纤耦合器15后，也进入传感光纤9，对上述背向散射信号进行反向调制，使其信号再次得到增强，其信号增强原理为：在泵浦光的发射波长低于信号光波长70～100nm的条件下，微弱光信号(反斯托克斯散射光)与注入的强泵浦光同时在光纤中传输时，当微弱光信号带宽处于传感光纤的拉曼增益带宽内时，泵浦光能量可以通过受激拉曼散射效应转移到微弱光信号中，使微弱光信号得到放大。
[0027]
波分复用器14将波长为1450nm的拉曼后向反斯托克斯散射光发出，由第二光电探测器18探测。最终，第一光电探测器17、第二光电探测器18探测到的信号由数据采集卡19采集，将获得的混沌脉冲参考信号和经过三阶联合信号放大后的混沌拉曼反斯托克斯散射信号进行解调，获取光纤沿线的温度信息。
[0028]
本发明的传感装置的解调原理为：对采集得到的混沌拉曼后向散射光信号进行差分重构，得到重构后的拉曼散射信号；对混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼反斯托克斯信号进行互相关运算，得到混沌脉冲参考信号和重构处理混沌拉曼反斯托克斯信号的相关峰值c
peak
，根据相关峰值位置，可计算出光纤沿线温度突变区域位置和温度t1。
[0029]
下面详细介绍本发明实施例中对温度测量的解调和定位原理。
[0030]
一、混沌拉曼反斯托克斯信号、混沌脉冲参考信号采集
[0031]
(1)混沌拉曼反斯托克斯信号的采集。
[0032]
在温度解调中，设激光脉冲宽度为w，传感光纤l位置处的后向拉曼反斯托克斯散射信号(anti
‑
stokes)强度为：
[0033][0034]
其中p为脉冲激光器的入射功率，k
as
表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，s是光纤的背向散射因子，λ
as
是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，φ
e
表示耦合进入光纤的脉冲激光光通量，α0、α
as
分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，l为传感光线的长度，r
as
(t)是反斯托克斯散射光的温度调制函数：
[0035][0036]
δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，t为传感光纤温度。
[0037]
实际上，在分布式光纤拉曼传感系统中，所用探测信号为脉冲信号，这使高速数据采集卡在某一时刻采集到的信息并非光纤l位置一点的光强信息，而是整个脉冲信号在传
感距离等于半个脉冲宽度的一段光纤光强信息的叠加。基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感方法所用探测信号为混沌脉冲信号，整段脉冲信号的功率呈现随机起伏状态。因此当探测信号脉冲宽度为w的混沌脉冲序列时，高速数据采集卡采集到传感光纤l位置处的混沌拉曼反斯托克斯信号强度可以表示为：
[0038][0039]
其中，p
i
为混沌脉冲激光第i个数据点的功率，f
s
为采样率，w
·
f
s
为混沌脉冲信号在f
s
采样率下的单位脉冲数据点个数，w为脉冲宽度，w
i
为i个数据点对应的脉冲宽度，w
i
＝i/f
s
，为单位长度受温度调制的反斯托克斯光子后向散射因子，c为光在传感光纤中的传播速度，n0为传感光纤的折射率。
[0040]
(2)混沌脉冲参考信号的采集
[0041]
混沌激光器1发出的连续光，经第二任意波形发生器11驱动的第一调制器10后调制为脉冲光，该脉冲激光经过第二耦合器13的a端口，由采集卡19收集得到参考信号为：
[0042]
i
ref
(i)＝p
i
,其中，1≤i≤w
·
f
s
；
ꢀꢀ
(4)
[0043]
二、混沌拉曼反斯托克斯信号、混沌脉冲参考信号处理
[0044]
(1)差分重构法处理混沌拉曼反斯托克斯信号。
[0045]
采集得到的混沌拉曼反斯托克斯散射光信号，每个采样点均为整个混沌脉冲序列在半个脉冲宽度的光纤长度的光强信息叠加。基于此，将后向散射信号进行重构，时域差分重构方法表达式为：
[0046][0047]
其中，f
as
(l,i)为重构混沌拉曼后向散射信号。
[0048]
设温变区温度为t1，温变区位置为l1，非温变区的温度为t0，经差分重构处理后，得到非温度突变区域重构混沌拉曼后向散射信号为0，温度突变点位置的重构拉曼后向散射信号f
as
(l1,p
i
)表示为：
[0049][0050]
其中，表示l1位置处的衰减信息，
[0051]
(2)利用互相关压缩方法进行定位。
[0052]
将混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼后向散射信号进行互相关运算，运算公式如下：
[0053][0054]
其中c(a)为互相关运算公式，n表示重构混沌拉曼后向散射信号总采样点个数，f
as
(n)表示重构混沌拉曼后向散射信号的第n个采样点，i
ref
(n a)表示延时a个采样点的混沌
脉冲参考信号。
[0055]
当参考信号延时a0个采样点到温度突变区域起始端点位置时相关系数呈现正峰值，因此可以确定温度突变区域位置为：
[0056]
l1＝a0·
c/(2n0·
f
s
)；
ꢀꢀ
(8)
[0057]
(3)利用互相关法得到的正峰值解调温度
[0058]
将参考信号与温度突变位置的重构混沌拉曼后向散射信号进行互相关，相关正峰值表达式为：
[0059][0060]
结合公式(4)(6)，对公式(9)进行展开，并忽略附加损耗信息，可以得到：
[0061][0062]
结合r
as
(t)＝[exp(hδν/kt)
‑
1]
‑1提取温度突变区域温度信息，其解调方程如公式(11)所示：。
[0063][0064]
其中，t1表示测量位置(温变区)的温度，c
peak
表示相关正峰值，i表示数据点个数，p
i
表示混沌脉冲激光第i个数据点的功率，w表示脉冲宽度，fs表示采样率，k
as
表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λ
as
是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，k为波尔兹曼常数，δν为拉曼频移，h为普朗克常数，t0表示非温变区的温度。
[0065]
本发明提供了一种基于布里渊和拉曼三阶联合放大的拉曼分布式光纤传感装置，共进行了三次放大，第一次是利用受激布里渊散射，对入射脉冲光进行光放大，第二和第三次是利用受激拉曼散射对拉曼后向散射信号进行正向放大和反向放大，大大增加了反斯托克斯光的信号强度，提高了系统的传感距离，而且，利用时域差分重构方法进行温度定位和解调，提高了系统的精度。
[0066]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。