基於脈衝編碼和相干探測的botda系統的製作方法

2023-06-05 09:00:26

專利名稱：基於脈衝編碼和相干探測的botda系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統,屬於分布式光纖傳感技術領域。
背景技術：
基於光纖受激布裡淵散射的布裡淵光時域分析儀(Brillouin OpticalTime-Domain Analysis1BOTDA)是眾多分布式光纖傳感器中具有長距離、高測量精度溫度和應變測量能力的傳感技術，在大型土木工程、通信光纜、油氣管道等的結構健康監測中有著巨大的潛在用途。在這種技術中，當光纖中相向傳輸的兩束光波的頻率差在布裡淵增益範圍內時，它們通過聲波場發生受激布裡淵作用，由此兩束光之間發生能量轉移，當兩束光的頻率差等於光纖的布裡淵頻移(Brillouin frequency shift, BFS)時,能量轉移量最大，這個布裡淵頻移(BFS)與溫度和應變之間存在一個線性關係，因此通過測量兩束光波能量轉移量最大時的頻率差，進而測得布裡淵頻移(BFS)，根據布裡淵頻移(BFS)與溫度和應變之間存在一個線性關係就可以實現溫度和應變的分布式傳感。傳統的BOTDA系統一般採用直接探測方式，由於光纖非線性效應的存在，探測光和泵浦光所允許的最大光功率受到限制，因此BOTDA的傳感性能受到限制。基於直接探測方法的傳統BOTDA的有效傳感長度一般小於40km。此外，BOTDA存在由於需要雙端接入而帶來的當光纖鏈路中出現斷點時不能工作的缺點，這極大的限制了 BOTDA的應用場合。申請人:在公開號為CN102759371A的中國專利中已經提出了一種融合COTDR的長距離相干檢測布裡淵光時域分析儀代替傳統直接檢測的B0TDA，可以實現長距離的溫度或應變傳感，當傳感光纖出現斷點時，系統能對斷點進行定位。但是，該系統存在信噪比、空間解析度和測量精度不夠高的缺點。

發明內容
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本發明的目的是提出一種增益高、傳感距離長、系統信噪比和測量精度高的基於脈衝編碼和相干探測的具有斷點定位功能的BOTDA系統。本發明為達到上述目的，採用如下技術方案:一種基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，包括移頻器、窄線寬雷射器、第一保偏率禹合器、第二保偏稱合器、第一電光調製器、脈衝信號源、第二電光調製器、擾偏器、微波信號源、測試光纖、光環形器、3dB耦合器、平衡光電探測器、頻譜分析儀、數位訊號處理單元，窄線寬雷射器發出連續光經第一保偏耦合器分成兩路連續光:第一路連續光、第二路連續光，其中，第一路連續光經移頻器移頻後作為本振光；第二路連續光經第二保偏耦合器再分成兩路連續光:其中一路連續光經經由脈衝信號源控制的第一電光調製器調製成編碼泵浦脈衝，所述編碼泵浦脈衝光經擾偏器後由光環形器的第I埠注入，然後由光環形器的第2埠輸出至測試光纖的一端；另一路連續光經第二電光調製器移頻f 後作為探測信號光，移頻量f 的值由微波信號源控制，由第二電光調製器調製的探測信號光具有對稱的兩個探測邊帶，兩個探測邊帶從測試光纖的另一端注入，與相向傳輸的編碼泵浦脈衝光在測試光纖中發生受激布裡淵散射作用，經過受激布裡淵作用後的探測信號光經光環形器的第3埠進入3dB耦合器與所述本振光相干混頻後由平衡探測器進行相干檢測，平衡探測器輸出的中頻電信號由頻譜分析儀觀測和採集，數位訊號處理單元對電頻譜分析儀採集到的中頻電信號進行解碼、累加處理得到布裡淵增益譜，並對所獲得的布裡淵增益譜進行洛倫茲擬合得到沿光纖的布裡淵頻移分布，在根據布裡淵頻移與溫度和應變的解調關係，實現光纖分布式溫度或應變的傳感。進一步的，所述平衡探測器是頻率響應大於12GHz的光電探測器。進一步的，所述移頻器的頻移量超過80MHz。 進一步的，所述第一電光調製器調製輸出的編碼泵浦脈衝是Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈衝光。本發明的基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，當所述測試光纖出現斷點時，所述第一電光調製器調製輸出的Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈衝光作為探測信號光，其後向的瑞利散射光經光環形器的第3埠進入3dB耦合器與所述本振光相干混頻後由平衡探測器進行相干檢測，此時所述電頻譜分析儀採用「Zero-Span」模式提取中頻fIF=f\的中頻信號，經多次累加平均後得到瑞利散射的OTDR功率分布曲線，實現斷點檢測功能。進一步的,所述數位訊號處理單元控制著脈衝信號源產生Hadamard序列或Golay互補序列的編碼電脈衝，並對頻譜分析儀作同步控制。進一步的，通過調節所述微波信號源調製頻率f 的值，實現布裡淵頻譜的掃頻測量。進一步的，該系統同時採用了脈衝編碼技術和相干探測技術兩種技術。本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:本發明同時採用了脈衝編碼技術和相干檢測方法，可提高BOTDA系統的信噪比、改善溫度和應變的測量精度和增加傳感距離；採用Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈衝光，在提高系統信噪比同時又可通過減小編碼脈衝的碼元寬度來提高系統的空間解析度，碼元寬度可以小到與光纖聲子壽命IOns相當，對應空間解析度可達到Im ;採用相干探測使得系統具有斷點監測功能，能有效克服傳統BOTDA需要雙端接入帶來出現斷點不能工作的缺點，增強傳感系統的適應能力和實用性。本發明實現長距離的溫度或應變傳感，當傳感光纖出現斷點時，系統具有對斷點進行定位的功能，同時具有高的空間解析度、測量精度高，傳感距離長，信噪比高。


圖1是本發明基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統示意圖。圖中:9、移頻器；10、窄線寬雷射器；11、第一保偏耦合器；12、第二保偏耦合器；13、第一電光調製器；14、脈衝信號源；15、第二電光調製器；16、擾偏器；17、微波信號源；18、測試光線；19、光環形器；20、3dB耦合器；21、平衡光電探測器；22、電頻譜分析儀；23、
數位訊號處理單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步詳細說明和描述。如圖1所示，一種基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統包括移頻器9、窄線寬雷射器10、第一保偏稱合器11、第一保偏稱合器、第一電光調製器13、脈衝信號源14、第二電光調製器12、擾偏器16、微波信號源17、測試光纖18、光環形器19、3dB稱合器20、平衡光電探測器21、頻譜分析儀22和數位訊號處理單元23。假設3dB線寬小於IMHz的窄線寬雷射器10出射光的頻率為&，雷射器發出連續光經第一保偏耦合器11分成兩路連續光:第一路連續光經移頻器9移頻後作為後續相干探測的本振光；第二路連續光經第二保偏耦合器12再分成兩路連續光:其中一路連續光經由脈衝信號源14控制的第一電光調製器調13製成Hadamard序列或Golay互補序列的編碼脈衝，編碼長度根據實際情況由脈衝信號源14設定，所述編碼泵浦脈衝光經擾偏器16後由光環形器19的第I埠注入，然後由光環形器19的第2埠輸出至測試光纖18的一端；另一路連續光經第二電光調製器15移頻f 後作為探測信號光，移頻量f的值由微波源17控制，由第二電光調製器15調製的探測信號光具有對稱的兩個探測邊帶，兩個探測邊帶從測試光纖的另一端注入，與相向傳輸的編碼泵浦脈衝光在測試光纖中發生受激布裡淵散射作用，經過受激布裡淵作用後的探測信號光經光環形器19的第3埠進入3dB耦合器20與所述本振光相干混頻後由平衡光電探測器21進行相干檢測。根據相干檢測原理，平衡光電探測器21輸出拍頻信號的光電流為:
權利要求
1.基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，包括窄線寬雷射器(10)、第一保偏耦合器(11)、第二保偏稱合器(12)、微波信號源(17)、測試光纖(18)、光環形器(19)、3dB稱合器(20)、平衡光電探測器(21)、擾偏器(16)、電頻譜分析儀(22)和數位訊號處理單元(23)，窄線寬雷射器(10)發出連續光經第一保偏耦合器(11)分成兩路連續光:第一路連續光、第二路連續光，其特徵在於=BOTDA系統還包括移頻器(9)、第一電光調製器(13)、脈衝信號源(14)、第二電光調製器(15)其中: 第一路連續光經移頻器(9)移頻f I後作為本振光； 第二路連續光經第二保偏耦合器(12)再分成兩路連續光:其中一路連續光經由脈衝信號源(14)控制的第一電光調製器(13)調製成編碼泵浦脈衝，所述編碼泵浦脈衝光經擾偏器(16)後由光環形器(19)的第I埠注入，然後由光環形器(19)的第2埠輸出至測試光纖(18)的一端；另一路連續光經第二電光調製器(15)移頻f 後作為探測信號光，移頻量f 的值由微波信號源(14)控制，由第二電光調製器(15)調製的探測信號光具有對稱的兩個探測邊帶，兩個探測邊帶從測試光纖(18)的另一端注入，與相向傳輸的編碼泵浦脈衝光在測試光纖(18)中發生受激布裡淵散射作用，經過受激布裡淵作用後的探測信號光經光環形器(19)的第3埠進入3dB耦合器(20)與所述本振光相干混頻後由平衡光電探測器(21)進行相干檢測，平衡光電探測器(21)輸出的中頻電信號由電頻譜分析儀(22)觀測和採集，數位訊號處理單元(23)對電頻譜分析儀(22)採集到的中頻電信號進行解碼、累加處理得到布裡淵增益譜；並對所獲得的布裡淵增益譜進行洛倫茲擬合得到沿光纖的布裡淵頻移分布，在根據布裡淵頻移與溫度和應變的解調關係，實現光纖分布式溫度或應變的傳感。
2.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:所述平衡光電探測器(21)是頻率響大於12GHz的光電探測器。·
3.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:所述移頻器(9)的移頻量超過80MHz。
4.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:所述第一電光調製器(13)調製輸出的是Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈衝光。
5.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:所述數位訊號處理單元(23)控制著脈衝信號源(14)產生Hadamard序列或Golay互補序列的編碼電脈衝，並對電頻譜分析儀(22)作同步控制。
6.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:當所述測試光纖(18)不出現斷點時，所述平衡光電探測器(21)輸出拍頻信號的光電流為: idet(0 =xcos(27rfIFt + A#)其中，gSBS是受激布裡淵增益，R為平衡光電探測器的響應度，Pl和Pp分別是本振光的功率和探測光的功率，￡ 是拍頻信號頻率(也稱為中頻)，A Cj5是本振光和探測光的相位差。
7.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:所述電頻譜分析儀(22)的中心頻率設置在中頻fIF處，並採用「Zero-Span」模式，所述數位訊號處理單元(23)對所述電頻譜分析儀(22)採集到的中頻電信號進行解碼、累加處理後則可以獲取中頻fIF信號的時域功率曲線。
8.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:通過調節所述微波信號源(17)調製頻率f 的值，實現布裡淵頻譜的掃頻測量。
9.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:當所述測試光纖(18)出現斷點時，所述第一電光調製器(13)調製輸出的具有時間序列的Hadamard序列或Golay互補序列的編碼泵浦脈衝光作為探測信號光,其後向的瑞利散射光經所述光環形器(19)的第3埠進入3dB耦合器(20)與所述本振光相干混頻後由平衡光電探測器(21)進行相干檢測，此時所述電頻譜分析儀(22)採用「Zero-Span」模式提取中頻fIF=f\的中頻信號，經多次累加平均後得到瑞利散射的OTDR功率分布曲線，實現斷點檢測功能。
10.根據權利要求1所述基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，其特徵在於:系統同時採用了脈衝編碼 技術和相干探測技術兩種技術。
全文摘要
基於脈衝編碼和相干探測的BOTDA系統，包括窄線寬雷射器(10)、第一保偏耦合器(11)、第二保偏耦合器(12)、微波信號源(17)、測試光纖(18)、光環形器(19)、3dB耦合器(20)、平衡光電探測器(21)、擾偏器(16)、電頻譜分析儀(22)和數位訊號處理單元(23)，窄線寬雷射器(10)發出連續光經第一保偏耦合器(11)分成兩路連續光第一路連續光、第二路連續光，還包括移頻器(9)、第一電光調製器(13)、脈衝信號源(14)、第二電光調製器(15)。本發明同時採用了脈衝編碼技術和相干檢測方法，可提高BOTDA的信噪比、測量精度和增加傳感距離，並且系統具有斷點監測功能。
文檔編號G01D5/353GK103245370SQ201310124500
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月10日 優先權日2013年4月10日
發明者張旭蘋, 胡君輝, 夏嵐, 郭經紅, 梁雲, 李炳林 申請人:南京大學, 中國電力科學研究院