基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪

摘要

本发明提供了一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，属于分布式光纤传感领域。本发明的激光器模块输出激光信号作为载波，上支路中，高频脉冲段模块将产生的高频微波信号裁剪为脉冲段，并驱动电光调制器1将脉冲段加载到载波上，经过掺铒光纤放大器对输出光进行光功率放大，通过环形器的1‑2端口进入光学滤波器1，将一阶上边带滤出作为泵浦光，通过环形器的2‑3端口进入待测光纤；下支路中，将需要的啁啾链波形预编写入啁啾链模块的内存中，啁啾链模块输出的电学啁啾链信号驱动电光调制器2，将电学啁啾链信号加载到载波上，输出光通过光学滤波器2滤出一阶下边带作为探测光，最后，探测光进入待测光纤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，属于分布式光纤传感领域。

背景技术

传感器广泛应用于现代工业和人类生活的各个领域，传统的电学传感器将被测信息按照一定的规律转化为电学信号，该类型传感器易受电磁干扰，不耐腐蚀，信息容量小，这限制了其性能和应用范围。而光纤传感器因其灵敏度高，测量速度快，信息容量大，成本低，抗电磁干扰、耐腐蚀，适用于较恶劣的环境等优点，具有广泛的应用前景。

近年来，基于受激布里渊散射效应的布里渊光时域分析仪得到国内外学者的广泛研究，该分析仪信噪比高，分布式测量，空间分辨率高，测量距离长等优势。

传统的布里渊光时域分析仪，操作原理主要采用“泵浦-探测法”。通常，一束高频率且高功率的脉冲光作为泵浦光，另外一束低频率且弱功率的连续光作为探测光，两束光波分别从待测光纤的两端注入。当两束光波的频率差接近待测光纤的布里渊频移(Brillouin frequency shift，BFS)时，由于光纤中的受激布里渊散射(StimulatedBrillouin scattering,SBS)效应，光功率会从高频的泵浦脉冲光转移到低频的探测光。由于泵浦光是脉冲光，通过对探测光扫频就可以获得分布式布里渊增益谱(Brillouin gainspectrum，BGS)，对于本征BGS是呈现出洛伦兹线型的。然后，可以通过洛伦兹曲线拟合算法或高斯曲线拟合算法获得光纤的分布式的BFS。BFS和光纤的应变或温度成线性关系，因此，可以通过解调BFS来计算出对应的应变或温度。由于有限的光波频率切换时间和较多的扫频个数，该布里渊光时域分析仪的分布式应变或温度的测量时间通常需要数秒到几分钟，这极大地限制了动态测量时的采样率。

为了减少光波频率切换时间，有一种方案采用了捷变频技术，它是利用高性能的电学数字式任意波形发生器(Arbitrary waveform generator,AWG)取代传统的微波源实现快速扫频探测光的频率。具体方法是将扫频波形首尾串联写入AWG的内存中，其输出的电信号即为捷变频信号，同时驱动电光调制器加载到单频载波光，在最小工作点状态，形成一阶上下边带，最后，通过光学滤波器滤出一阶下边带作为探测光。每一个光波频率段对应一个泵浦脉冲光，当探测光的扫频范围覆盖光纤的BFS，则AWG内存中的捷变频信号输出之后即可获得分布式的BGS。(Peled Yair,Motil Avi,and Tur Moshe,“Fast Brillouinoptical time domain analysis for dynamic sensing,”Optics.Express,20,8584-8591,2012.)。这种方案虽然减小了光波频率切换的时间，但是扫频的个数并没有减少，而且扫频间隔通常为4MHz左右。为了减少扫频个数，有一种方案是采用了斜坡辅助法解调BFS。(Bernini Romeo,Minardo Aldo,and Zeni Luigi,“Dynamic strain measurement inoptical fibers by stimulated Brillouin scattering,”Optics.Letters,34,2613-2615,2009.)。具体原理是将BGS的单侧斜坡看作为线性段，如果光纤的应变或温度改变，则整个BGS会随之移动改变，即布里渊信号的强度随着应变的变化而变化。首先，测量完整的BGS，拟合出单侧斜坡的线性函数；然后，将泵浦光与探测光的频率差固定在BGS的斜坡中心位置；最后，通过采集的分布式布里渊信号，将强度值带入线性函数即可解调出对应的应变值。该方案单发泵浦脉冲光即可测量完成，采样率只受限于光纤的长度，但其动态范围受限于BGS的线宽(35MHz左右)。为了扩大动态范围，有一种方案结合了斜坡法和捷变频技术。(Ba Dexin,Wang Benzhang,Zhou Dengwang,et al,“Distributed measurement ofdynamic strain based on multi-slope assisted fast BOTDA,”Optics.Express,24,9781-9793,2016.)。利用捷变频技术可以使得探测光的扫频间隔达到80MHz，在众多频率点数据中，选取强度最大的两个相邻频率点数据解调BFS。虽然动态范围可以随着扫频个数增加而扩大，但这也降低了动态测量时的采样率。另一种方案，利用光学频率梳技术实现单发测量。(Fang Jian,Xu Pengbai,Dong Yongkang,et al,“Single-shot distributedBrillouin optical time domain analyzer,”Opt.Express,25,15188-15198,2017.)。具体方案是将连续的探测光在频域中调制成频率梳状光谱线，由于SBS作用，频率梳的放大部分对应BGS。这样只需要单发泵浦脉冲光就可以获得分布式的BGS，采样率只受限于光纤的长度。但是该方法需要对时域探测光信号做复杂的FFT变换，这会极大地限制了系统的空间分辨率。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪包括激光器模块、高频脉冲段模块、电光调制器1、掺铒光纤放大器、环形器、光学滤波器1、啁啾链模块、电光调制器2、光学滤波器2、探测采集模块，

激光器模块输出激光信号作为载波，传输至上支路和下支路，

上支路中，高频脉冲段模块将产生的高频微波信号裁剪为脉冲段，并驱动电光调制器1将脉冲段加载到载波上，电光调制器1设置在最低工作点，则电光调制器1输出的输出光包含载波和一阶上、下边带，经过掺铒光纤放大器对输出光进行光功率放大，然后，通过环形器的1-2端口进入光学滤波器1，光学滤波器1将一阶上边带滤出作为泵浦光，通过环形器的2-3端口进入待测光纤，泵浦光为上变频的脉冲光；

下支路中，将需要的啁啾链波形预编写入啁啾链模块的内存中，高频脉冲段模块同步触发啁啾链模块，啁啾链模块输出的电学啁啾链信号驱动电光调制器2，电光调制器2将电学啁啾链信号加载到载波上，电光调制器2设置在最低工作点，则电光调制器2输出的输出光包含载波和一阶上、下边带，输出光通过光学滤波器2滤出一阶下边带作为探测光，最后，探测光进入待测光纤，探测光通过环形器的3-4端口进入探测采集模块进行处理，探测光为啁啾链探测光。

本发明一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述高频微波信号的频率为ν_mw，脉冲段宽度T_p。

本发明一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述泵浦光的频率为ν_p＝ν₀+ν_mw。

本发明一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，调节频率参数，使得上变频的脉冲光和啁啾链探测光在光纤中发生SBS作用。

本发明一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述激光器模块为窄线宽激光器，输出激光波长在1550nm。

本发明一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪能够实现分布式应变和温度的超快测量，只需要单发泵浦脉冲光即可测量出待测光纤的分布式BGS，其采样频率只和待测光纤长度、信号平均次数有关；泵浦光为上变频的脉冲光，极大地降低了啁啾链模块的带宽要求，有利于降低成本；采用智能化的空间分辨率配置，由于啁啾段的时间长度对应本发明的空间分辨率，在实际操作时，根据不同的测量环境及条件，可以通过预编写各个啁啾段的长度来实现空间分辨率的智能化配置；智能化的动态范围配置，根据实际测量需求，通过预编写各个啁啾段的啁啾量来实现可调谐的动态范围。

附图说明

图1为本发明基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪的结构示意图。

图2为本发明基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪的泵浦脉冲光和啁啾链探测光的频域关系示意图。

图3为本发明基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪的泵浦脉冲光和啁啾链探测光的时域关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，包括激光器模块、高频脉冲段模块、电光调制器1、掺铒光纤放大器、环形器、光学滤波器1、啁啾链模块、电光调制器2、光学滤波器2、探测采集模块，

激光器模块输出激光信号作为载波，传输至上支路和下支路，

上支路中，高频脉冲段模块将产生的高频微波信号裁剪为脉冲段，并驱动电光调制器1将脉冲段加载到载波上，电光调制器1设置在最低工作点，则电光调制器1输出的输出光包含载波和一阶上、下边带，经过掺铒光纤放大器对输出光进行光功率放大，然后，通过环形器的1-2端口进入光学滤波器1，光学滤波器1将一阶上边带滤出作为泵浦光，通过环形器的2-3端口进入待测光纤，泵浦光为上变频的脉冲光；

下支路中，将需要的啁啾链波形预编写入啁啾链模块的内存中，高频脉冲段模块同步触发啁啾链模块，啁啾链模块输出的电学啁啾链信号驱动电光调制器2，电光调制器2将电学啁啾链信号加载到载波上，电光调制器2设置在最低工作点，则电光调制器2输出的输出光包含载波和一阶上、下边带，输出光通过光学滤波器2滤出一阶下边带作为探测光，最后，探测光进入待测光纤，探测光通过环形器的3-4端口进入探测采集模块进行处理，探测光为啁啾链探测光。

实施例二：如图1所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述高频微波信号的频率为ν_mw，脉冲段宽度T_p。

实施例三：如图1所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述泵浦光的频率为ν_p＝ν₀+ν_mw。

实施例四：如图1所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，调节频率参数，使得上变频的脉冲光和啁啾链探测光在光纤中发生SBS作用。

实施例五：如图1所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，所述激光器模块为窄线宽激光器，输出激光波长在1550nm。

实施例六：如图2所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，对泵浦脉冲光和啁啾链探测光的频域关系进行说明，每个光学啁啾段的频率分布为ν_i＝ν₁+η·t_i，其中，i＝1,2,3….N为频率点序列，η＝Δν_chirp/ΔT，啁啾段的时间为ΔT,总的啁啾频率量为Δν_chirp，探测光的频谱理想情况为频率梳状。实际操作中，待测光纤的BFS通常为11GHz左右，泵浦脉冲光被固定向上变频8GHz左右，这样可以将啁啾链模块的带宽要求降低到3GHz左右。通过调节啁啾范围，上变频的泵浦脉冲光和啁啾链探测光之间的扫频范围ν_chirp+ν_mw能够覆盖了光纤的BFS。

实施例七：如图3所示，本实施例所涉及的一种基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪，光学啁啾链是由M个啁啾段在时域中串联而成的，频率分布为锯齿波形或者三角波形，也可以生成更复杂的频率分布。光学啁啾链的时间长度为M·ΔT，略大于光波在待测光纤的往返时间2nL/c即可，其中n为待测光纤线芯折射率，L为光纤长度，c为真空中光速。两束光波相对注入待测光纤，泵浦脉冲光依次和探测光中的各个啁啾段发生SBS作用，输出的探测光中，每个啁啾段都能采集到一个完整的BGS，这样只需要单发泵浦脉冲光就可以测量出光纤的分布式BGS。因此，动态测量时，本发明的采样频率只和待测光纤长度、信号平均次数有关，而且能保持较高的空间分辨率。

实施例八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于用微波源和脉冲发生器取代高频脉冲段模块。微波源驱动电光调制器产生一阶上下边带对载频进行移频，脉冲发生器驱动电光调制器产生脉冲光，二者结合同样可以产生8GHz以上的上变频脉冲光

实施例九：本实施方式与实施方式一的不同之处在于用任意波形发生器取代啁啾链模块。

实施例十：本实施方式与实施方式一的不同之处在于用普通脉冲发生器取代高频脉冲段模块，产生没有变频的脉冲光作为泵浦光；同时用带宽高达11GHz的高性能任意波形发生器取代啁啾链模块，产生啁啾链型探测光

实施例十一：本实施方式与实施方式一的不同之处在于上下两个支路各用一个激光器模块。泵浦光就不需要高频移频，但需要增加锁频装置保持两个激光器模块的频率稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。