基于低頻任意波的光學(xué)捷變頻技術(shù)的動(dòng)態(tài)分布式布里淵傳感裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種低成本、高可靠性的動(dòng)態(tài)布里淵傳感技術(shù)，屬于光學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來光纖傳感發(fā)展迅速，布里淵光時(shí)域分析技術(shù)炬OTDA)得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研 究與應(yīng)用，布里淵光時(shí)域分析技術(shù)可W對(duì)溫度和應(yīng)變進(jìn)行傳感與測(cè)量，具有空間分辨率高、 傳感距離遠(yuǎn)、實(shí)現(xiàn)分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)和輸油管道監(jiān) 測(cè)等。
[0003] 布里淵光時(shí)域分析技術(shù)利用光纖中受激布里淵散射（SB巧該一非線性效應(yīng)對(duì)光 纖所受外界應(yīng)變和溫度進(jìn)行傳感。相向傳輸?shù)睦燮止馀c探測(cè)光通過受激布里淵散射進(jìn)行能 量傳遞，探測(cè)光被放大的程度取決于累浦光與探測(cè)光之間的頻率差值。一般石英光纖布里 淵頻移在llGHz左右，溫度和應(yīng)變都會(huì)改變布里淵頻移，對(duì)探測(cè)光進(jìn)行頻率掃描就可得到 布里淵增益譜，根據(jù)對(duì)應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度或應(yīng)變的大小。累浦光采用脈沖光該樣就可W 分布式測(cè)量光纖沿線上每點(diǎn)的信息。
[0004] 但是傳統(tǒng)的布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)由于掃描頻率所需時(shí)間較長(zhǎng)，無法測(cè)量信號(hào)的 瞬時(shí)變化，只能測(cè)量靜態(tài)或緩變的信號(hào)。為了解決該一問題，實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)用于 對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的分布式監(jiān)測(cè)，需要采用基于任意波技術(shù)的捷變頻技術(shù)。該技術(shù)的核屯、器件是 任意波發(fā)生器（ArbitraryWave化rmGenerator)。由于普通光纖布里淵頻移在11細(xì)Z左 右，所W-般需要同等帶寬的任意波發(fā)生器。高帶寬的任意波發(fā)生器成本極高，并且高頻設(shè) 備極易損壞和受外界干擾，極大地限制了該種方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)采用=種方案來克服采用捷變頻技術(shù)時(shí)存在的技術(shù)問題，前兩種方案采 用的的是應(yīng)用任意波形發(fā)生器將探測(cè)光快速掃頻的方式。
[0006] 第一種方案采用微波矢量發(fā)生器與雙通道500MHz的AWG的I/Q升頻方法實(shí)現(xiàn) 對(duì)布里淵增益譜的快速掃描（Yai;rPeled，AviMotil，andMoshe"Fur, "I^astBrillouin opticaltimedomainanalysisfordynamicsensing,"Vol20N0.SOpticalExpress 8584, 2012)。該種方法降低所用AWG的帶寬為500MHz，但其采用的I/Q升頻技術(shù)成本也比 較高。第二種方案采用強(qiáng)度調(diào)制器的二階邊頻作為探測(cè)光，該樣將所需的AWG帶寬從布里 淵頻移大小降低一半（比如2013年6月13日申請(qǐng)的、公開號(hào)為CN103335666A的中國(guó)專利 "動(dòng)態(tài)分布式布里淵光纖傳感裝置及方法"）。有效降低所需AWG的帶寬，但仍在5. 5GHz左 右。
[0007] 第=種是將探測(cè)光采用梳狀頻譜的調(diào)制方式避免頻率掃描的動(dòng)態(tài)測(cè)量方案（比 如2012年4月6日申請(qǐng)的、公開號(hào)為CN102645236B的中國(guó)專利"基于梳狀頻譜連續(xù)探測(cè)光 的B0TDA系統(tǒng)"）。但布里淵增益譜的測(cè)量需要采用外差探測(cè)的方法，外差探測(cè)過程中需要 一個(gè)本振電信號(hào)的掃描，電掃描需要一定的時(shí)間，因此該方案實(shí)際測(cè)量時(shí)間仍然較長(zhǎng)，無法 真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有采用基于任波技術(shù)的捷變頻技術(shù)對(duì)瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行分 布式監(jiān)測(cè)時(shí)存在成本高、系統(tǒng)復(fù)雜的問題，提供了一種基于低頻任意波的光學(xué)捷變頻技術(shù) 的動(dòng)態(tài)分布式布里淵傳感裝置及方法。
[0009] 本發(fā)明所述基于低頻任意波的光學(xué)捷變頻技術(shù)的動(dòng)態(tài)分布式布里淵傳感裝置，它 包括激光器、禪合器、微波源、任意函數(shù)發(fā)生器、任意波發(fā)生器、光隔離器、數(shù)據(jù)采集模塊、第 一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第S偏振控制器PC3、第四偏振控制器PC4、第一光 強(qiáng)度調(diào)制器IM1、第二光強(qiáng)度調(diào)制器IM2、滲巧光纖放大器邸FA、環(huán)形器R1、單邊帶強(qiáng)度調(diào)制 器SSBM和待測(cè)保偏光纖PMF;
[0010] 激光器發(fā)出的激光束通過禪合器分成兩束激光；
[0011] 其中一束激光經(jīng)過第一偏振控制器PC1進(jìn)入第一光強(qiáng)度調(diào)制器IM1，第一光強(qiáng)度 調(diào)制器IM1在微波源的控制下對(duì)輸入的激光進(jìn)行上、下邊頻調(diào)制，上、下邊頻調(diào)制后的光束 經(jīng)第二光強(qiáng)度調(diào)制器IM2調(diào)制輸出方形脈沖光，該方形脈沖光光經(jīng)由光纖布拉格光柵FBG 濾除下邊頻，濾除下邊頻的光束經(jīng)過滲巧光纖放大器邸FA放大后輸出的光束作為累浦光， 該累浦光經(jīng)過第S偏振控制器PC3進(jìn)入環(huán)形器R1的1 口，從環(huán)形器R1的2 口輸出至待測(cè) 保偏光纖PMF中；
[0012] 另一束激光經(jīng)過第二偏振控制器PC2進(jìn)入單邊帶強(qiáng)度調(diào)制器SSBM，單邊帶強(qiáng)度調(diào) 制器SSBM在任意波發(fā)生器的控制下對(duì)輸入光束進(jìn)行下邊頻調(diào)制，單邊帶強(qiáng)度調(diào)制器SSBM 輸出的光束作為探測(cè)光，所述探測(cè)光經(jīng)過光隔離器和第四偏振控制器PC4,從另一個(gè)方向進(jìn) 入待測(cè)保偏光纖PMF中；
[0013] 在待測(cè)保偏光纖PMF中，滿足布里淵放大條件的探測(cè)光和累浦光發(fā)生布里淵放大 過程；經(jīng)布里淵放大的探測(cè)光進(jìn)入環(huán)形器R1的2 口，并從環(huán)形器R1的3 口輸出至數(shù)據(jù)采集 模塊；
[0014] 任意波發(fā)生器同步觸發(fā)任意函數(shù)發(fā)生器向第二光強(qiáng)度調(diào)制器IM2提供方形脈沖 調(diào)制信號(hào)；任意波發(fā)生器同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)。
[0015] 基于低頻任意波的光學(xué)捷變頻技術(shù)的動(dòng)態(tài)分布式布里淵傳感裝置的方法，該方法 包括W下步驟：
[0016] 步驟一、禪合器將激光束均分成兩束，其中一束激光利用步驟二生成累浦光，另一 束激光利用步驟=生成探測(cè)光；累浦光和探測(cè)光均在任意波發(fā)生器的控制下完成，任意波 發(fā)生器發(fā)出S路控制信號(hào)，分別為給單邊帶強(qiáng)度調(diào)制器SSBM的射頻信號(hào)、給任意函數(shù)發(fā)生 器的觸發(fā)信號(hào)和給數(shù)據(jù)采集模塊的觸發(fā)信號(hào)；
[0017] 步驟二、其中一束激光經(jīng)第一偏振控制器PC1調(diào)節(jié)偏振態(tài)后進(jìn)入第一光強(qiáng)度調(diào)制 器IM1，微波源控制第一光強(qiáng)度調(diào)制器IM1調(diào)制入射激光的上下邊頻，入射激光的頻率向 上、下各頻移fw，頻移后的激光經(jīng)第二光強(qiáng)度調(diào)制器IM2調(diào)制輸出方形脈沖光，該方形脈沖 光經(jīng)由光纖布拉格光柵FBG濾除下邊頻，濾除下邊頻的光束經(jīng)過滲巧光纖放大器邸FA放大 后輸出的光束作為累浦光；累浦光為由N個(gè)相同的周期T的脈沖序列；其中，fw為微波源的 微波調(diào)制頻率；
[001引步驟S、另一束激光經(jīng)第二偏振控制器PC2調(diào)節(jié)偏振態(tài)后進(jìn)入單邊帶強(qiáng)度調(diào)制器 SSBM，單邊帶強(qiáng)度調(diào)制器SSBM在任意波發(fā)生器的控制下對(duì)輸入光束進(jìn)行下邊頻調(diào)制，單邊 帶強(qiáng)度調(diào)制器SSBM輸出的光束作為探測(cè)光；
[0019] 步驟四、步驟二生成的累浦光從一個(gè)方向進(jìn)入待測(cè)保偏光纖PMF中；步驟=生成 的探測(cè)光從另一個(gè)方向進(jìn)入待測(cè)保偏光纖PMF中；在待測(cè)保偏光纖PMF中，滿足布里淵放大 條件的探測(cè)光和累浦光發(fā)生布里淵放大過程；經(jīng)布里淵放大的探測(cè)光經(jīng)環(huán)形器輸出至數(shù)據(jù) 采集模塊；
[0020] 步驟五、根據(jù)返回探測(cè)器的時(shí)間確定SBS作用在光纖中的位置，當(dāng)完成一個(gè)頻率 掃描周期T的掃描后，獲取該頻率狀態(tài)下的待測(cè)保偏光纖PMF上每一個(gè)空間點(diǎn)上的布里淵 增益光譜；
[0021] 步驟六、根據(jù)布里淵頻移Ub與應(yīng)變e的線性函數(shù)關(guān)系UB=UB0+C；e，完成待測(cè) 保偏光纖PMF在該頻率狀態(tài)下的應(yīng)變的測(cè)量，
[00巧其中，Ub。是待測(cè)光纖自由狀態(tài)的布里淵頻移，Cs是應(yīng)變系數(shù)。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用單邊帶調(diào)制的方法產(chǎn)生幾百兆赫茲的下邊帶作為探測(cè) 光，該樣就可W采用低帶寬的幾百兆赫茲的任意波形發(fā)生器獲得捷變頻探測(cè)光。采用低頻 的光學(xué)捷變頻技術(shù)、W及基于該技術(shù)的動(dòng)態(tài)分布式布里淵光纖傳感裝置及方法，降低了儀 器成本并且提高系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明所述基于低頻任意波的光學(xué)捷變頻技術(shù)的動(dòng)態(tài)分布式布里淵傳感 裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是探測(cè)光和累浦光的時(shí)序圖；
[0026] 圖3是探測(cè)光與累浦光頻率關(guān)系圖；
[0027] 圖4是測(cè)量應(yīng)力時(shí)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[002引【具體實(shí)施方式】一；下面結(jié)合圖1至圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于低 頻任意波的光學(xué)捷變頻技術(shù)的動(dòng)態(tài)分布式布里淵傳感裝置，它包括激光器1、禪合器2、微 波源3、任意函數(shù)發(fā)生器4、任意波發(fā)生器5、光隔離器6、數(shù)據(jù)采集模塊7、第一偏振控制器 PC1、第二偏振控制器PC2、第S偏振控制器PC3、第四偏振控制器PC4、第一光強(qiáng)度調(diào)制器 IM1、第二光強(qiáng)度調(diào)制器IM