一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪的制作方法

1.本发明属于光纤的应变与温度测量技术领域，具体涉及一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪。


背景技术：

2.温度与应变的连续分布式监测需求十分广泛，能源、电力、建筑等诸多领域都把其作为一种故障诊断及事故预警手段。各类管道的压力负荷、建筑结构的沉降变化、油库罐区的温度改变等都需要及时发现与迅速定位。布里渊分布式光纤传感系统结构简易，便于在各种应用环境进行搭建与实施测量。
3.根据传感光纤的不同，其布里渊散射谱将呈单峰或多峰状态。其中，多峰布里渊散射光在后向传播过程中会相互作用而产生光学拍，形成峰值频率为百兆赫兹量级的布里渊互拍频谱。因为环境待测温度或应变对光纤的物理作用，布里渊散射峰的布里渊频移和功率的大小在一定范围内通常与温度或应变大小成正比。因此，现有的布里渊分布式光纤传感技术为实现温度和应变同时监控，需要进行使用具有两个布里渊散射峰的传感光纤并对整个布里渊散射谱进行扫频，难以满足许多应用场合对于事故预警和故障定位的快速实时要求。
4.现有技术中，y.lu,z.qin,p.lu,d.zhou,l.chen,and x.bao,“distributed strain and temperature measurement by brillouin beat spectrum,”ieee photon.technol.lett.,vol.25,no.11,pp.1050-1053,2013提出了一种新的基于布里渊拍频谱探测的零差布里渊光时域反射分布式光纤传感技术，仅通过测量拍频谱的功率即成功实现了对光纤上温度和应变的快速分布式测量。该技术是一种无需扫频、快速和简单的单端测量零差botdr传感方法。但该技术因不同布里渊拍频峰之间的温度-功率系数和应变-功率系数差异较小，利用这些拍频峰功率解耦出的温度和应变精度较低，无法实现高精度的温度和应变同时测量。并且传感光纤必须具有多个声模式，布里渊散射谱呈多峰状态，才能形成布里渊拍频谱。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪，对光纤的应变与温度进行连续分布式高精度同步测量，可避免扫频，加快了测量速度。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪，包括激光器、隔离器、耦合器、参考支路、探测支路、光电探测器和处理模块；
8.所述激光器发出连续激光作为探测光，依次经过隔离器和耦合器后分入探测支路和参考支路；
9.在探测支路中，将光波调制为双波长脉冲光波后进行去噪和扰乱偏振态处理后注
入传感光纤；
10.双波长脉冲光波在传感光纤中前向传播的同时，产生对应的后向布里渊散射光，并且布里渊散射光之间相互作用形成布里渊拍频谱；
11.后向布里渊散射光通过环形器后，经过放大和滤波，与参考支路耦合成一路传输至光电探测器；
12.光电探测器探测后向布里渊散射光得到对应点信号并将电信号送入处理模块中处理并分析，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
13.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
14.上述的探测支路包括光调制器、第一光放大器、第一光滤波器、扰偏器、环形器、第二光放大器和第二光滤波器；
15.在探测支路中，光波首先经光调制器调制为双波长脉冲光波，然后经过第一光放大器放大及第一光滤波器去噪，再经扰偏器扰乱其偏振态后经环形器注入传感光纤。
16.传感光纤产生的的后向布里渊散射光，依次经过环形器、第二光放大器和第二光滤波器，与参考支路耦合成一路传输至光电探测器。
17.上述的处理模块对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，获得沿传感光纤的布里渊拍频谱峰值的功率分布，获得沿传感光纤的布里渊增益谱的斜坡功率分布，利用布里渊拍频谱峰值功率分布和布里渊增益谱斜坡功率分布与温度和应变的关系，来获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
18.上述的处理模块为数据采集处理系统或频谱分析仪。
19.上述的光调制器采用电光调制器或声光调制器。
20.上述的激光器波长在c波段选择。
21.本发明具有以下有益效果：
22.本发明无需对整个布里渊散射谱进行扫频，减小测量时间，并且实现高精度的分布式温度和应变同时测量。
附图说明
23.图1为基于双边带调制的布里渊光时域反射仪系统原理图。
24.图2为本发明实施例的系统原理图。
25.图3是本发明的布里渊增益谱的斜坡功率与布里渊拍频谱的峰值功率测量原理图。
26.图4为使用本发明方法获得的温度和应变沿光纤的分布。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
28.一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪，包括激光器、隔离器、耦合器、参考支路、探测支路、光电探测器和处理模块；
29.所述激光器发出连续激光作为探测光，依次经过隔离器和耦合器后分入探测支路和参考支路；
30.在探测支路中，将光波调制为双波长脉冲光波后进行去噪和扰乱偏振态处理后注
入传感光纤；
31.双波长脉冲光波在传感光纤中前向传播的同时，产生对应的后向布里渊散射光，并且布里渊散射光之间相互作用形成布里渊拍频谱；
32.后向布里渊散射光通过环形器后，经过放大和滤波，与参考支路耦合成一路传输至光电探测器；
33.光电探测器探测后向布里渊散射光得到对应点信号并将电信号送入处理模块中处理并分析，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
34.实施例中，所述探测支路包括光调制器、第一光放大器、第一光滤波器、扰偏器、环形器、第二光放大器和第二光滤波器；
35.在探测支路中，光波首先经光调制器调制为双波长脉冲光波，然后经过第一光放大器放大及第一光滤波器去噪，再经扰偏器扰乱其偏振态后经环形器注入传感光纤。传感光纤产生的的后向布里渊散射光依次经过环形器、第二光放大器和第二光滤波器，与参考支路耦合成一路传输至光电探测器。
36.实施例中，所述处理模块对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，获得沿传感光纤的布里渊拍频谱峰值的功率分布，获得沿传感光纤的布里渊增益谱的斜坡功率分布，利用布里渊拍频谱峰值功率分布和布里渊增益谱斜坡功率分布与温度和应变的关系，来获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
37.实施例中，所述处理模块为数据采集处理系统或频谱分析仪。
38.实施例中，所述光调制器采用电光调制器或声光调制器。
39.实施例中，所述激光器波长在c波段选择。
40.参见图1，实施例中，一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪，包括激光器、隔离器、耦合器、参考支路、探测支路、光电探测器和处理模块；
41.所述探测支路包括光调制器、第一光放大器、第一光滤波器、扰偏器、环形器、第二光放大器和第二光滤波器；
42.其运行过程为：
43.激光器发出连续激光作为探测光，依次经过隔离器和耦合器后分入探测支路和参考支路；
44.在探测支路中，光波首先经光调制器调制为双波长脉冲光波，然后经过第一光放大器放大及第一光滤波器去噪，再经扰偏器扰乱其偏振态后经环形器注入传感光纤；
45.双波长脉冲光波在传感光纤中前向传播的同时，产生对应的后向布里渊散射光，并且布里渊散射光之间相互作用形成布里渊拍频谱；
46.后向布里渊散射光依次经过环形器、第二光放大器和第二光滤波器，与参考支路耦合成一路传输至光电探测器，光电探测器探测后向布里渊散射光得到对应点信号并将电信号送入处理模块中处理并分析，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
47.如图2所示，波长为1550nm的激光器发出作为探测光的连续激光，经过光隔离器，被耦合器分为探测支路和参考支路。
48.在探测支路中，光波先经电光调制器调制为双波长光波，调制的射频信号频率为400mhz。
49.随后被声光调制器脉调制为30ns脉宽的脉冲光，经过第一光放大器放大及第一光
滤波器去噪，经扰偏器扰乱其偏振态后经环形器注入作为传感光纤的4.5km弯曲不敏感光纤(g.657)。
50.其中，g.657光纤只具有一个主要的声学激发模式，由双波长光波各自激发的布里渊散射光在后向传播过程中会相互作用而形成频率为800兆赫兹的布里渊拍频峰。
51.布里渊散射光经第二光放大器放大并经第二光滤波器滤除噪声后，与参考支路耦合成一路并被光电探测器接收变为电信号。
52.该电信号输入实时频谱分析仪处理，包括对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理。
53.在频率为800mhz处获得的沿传感光纤的布里渊拍频谱峰值功率分布，在频率为10.03ghz处获得沿传感光纤的布里渊增益谱斜坡功率分布。利用布里渊拍频谱的峰值功率分布和布里渊增益谱的斜坡功率分布与温度和应变的关系，来获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
54.图3为本发明的布里渊增益谱的斜坡功率与布里渊拍频谱的峰值功率测量原理图。图3中右边两个峰是由双波长光波各自激发出的布里渊增益峰。图3中左边的峰是布里渊拍频峰，是由右边两个布里渊增益峰相互作用形成的。p
slope
是在测量频率点vs的布里渊增益峰的斜坡功率，p
beat
是在测量频率点vf的布里渊拍频峰的峰值功率。
55.当温度或者应变改变时，布里渊增益峰的频率和功率会改变，影响布里渊拍频峰的功率，进而导致测量频率点的斜坡功率与峰值功率改变。
56.在对光纤位置为4299米到4343米的区域加温到54℃和对光纤位置为4369米到4385米的区域施加588με应变的条件下，利用本发明得到的沿光纤的温度和应变分布如图4所示。图4中实心圆点表示温度分布，空心圆点表示应变分布。
57.其中空间分辨率约为3m，与脉冲宽度30ns对应。
58.利用4299米到4343米加温区域的数据进行计算，得到温度不确定度为1.3℃，利用4369米到4385米施加应变区域的数据计算，得到应变不确定度为36.3με。
59.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。