CN109556659B - 一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法，其包括以下步骤：A：将一激光器输出的光信号分成两路分别调制成两路脉冲光信号作为泵浦脉冲信号；B：其中一路泵浦脉冲信号反射返回传感光纤与另一路泵浦脉冲信号相向传输在传感光纤中相遇产生受激布里渊散射形成动态光栅；C：将另一激光器输出的光信号调制成探测脉冲光后进入传感光纤，对被布里渊动态光栅反射后的探测脉冲光进行信号转换与采集；D：调节另一激光器输出信号的频率后重复步骤C，计算布里渊动态光栅反射谱中心频率，将其用于传感光纤上温度和应变的传感；E：完成传感光纤上应变的和温度的测量；本发明具有单端探测，布线更灵活高效，适用范围广等优点。

Description

一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法

技术领域

本发明涉及一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法。

背景技术

伴随着光纤通信技术的发展而发展起来的光纤传感技术目前已广泛应用于大型基础设施、航空航天、工业控制等诸多领域；分布式光纤传感技术是近三十年发展起来的新型传感技术；其基本原理是利用瑞利、拉曼、布里渊散射等效应并结合光时域反射技术对传感光纤上的任意位置进行温度、应变等物理量的测量。

分布式布里渊动态光栅自2008年由K.Y.Song提出，已获得广泛的研究并有不少相关专利的申请；申请号为201510821264.8的专利“一种布里渊动态光栅产生装置及方法”、申请号为201610094933.0的专利“实时动态分布式布里渊光纤传感装置及方法”和申请号为201611002982.3的专利“基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统”等许多专利对分布式布里渊动态光栅传感技术的发展与完善做出了许多贡献；但是，目前这些系统都是基于双端探测的传感系统，在实际使用中需要将两路泵浦光源置于传感光纤两端，降低了传感光纤布线的灵活性；或者需要采用双芯光纤，传感距离减少一半，这限制了布里渊动态光栅传感系统的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法。

本发明解决其技术问题所采用的第一种技术方案是：

一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法，其包括以下步骤：

A：将一激光器输出的光信号分成两路分别调制成两路脉冲光信号作为泵浦脉冲信号，所述两路泵浦脉冲信号频率相差布里渊频移；

B：所述两路泵浦脉冲信号分时进入传感光纤，其中一路泵浦脉冲信号反射返回传感光纤与另一路泵浦脉冲信号相向传输在传感光纤中相遇产生受激布里渊散射形成动态光栅；

C：将另一激光器输出的光信号调制成探测脉冲光后进入传感光纤，对被布里渊动态光栅反射后的探测脉冲光进行信号转换与采集；

D：调节另一激光器输出信号的频率后重复步骤C以重构布里渊动态光栅反射谱信号，计算得出布里渊动态光栅反射谱中心频率，将其用于传感光纤上温度和应变的传感；

E：根据布里渊动态光栅反射谱中心频率v_BDG和应变ε的关系：v_BDG＝v_BDG0+C_vεε，完成传感光纤上应变ε的测量，根据布里渊动态光栅反射谱中心频率v_BDG和温度T的关系：v_BDG＝v_BDG0+C_νTT，完成传感光纤上温度T的测量，其中，v_BDG0为初始布里渊动态光栅反射谱中心频率，C_vε是应变系数，C_νT是温度系数。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，通过控制所述两路泵浦脉冲信号的脉冲宽度控制所述布里渊散射形成动态光栅的长度。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，通过调节所述两路泵浦脉冲信号的延时控制所述布里渊散射形成动态光栅的位置。

本发明解决其技术问题所采用的第二种技术方案是：

一种单端探测布里渊动态光栅传感的装置，其包括脉冲信号源、第一激光器、光纤分束器、第一电光调制器、微波信号源、滤波器、第一掺饵光纤放大器、第二电光调制器、高速光开关、第三电光调制器、第二掺饵光纤放大器、保偏隔离器、第一光纤偏振器、偏振分束合束器、传感光纤、第二光纤偏振器、保偏后向反射器、第二激光器、第四电光调制器、第三掺饵光纤放大器、保偏环形器、第三光纤偏振器、光电探测器和数据采集模块；所述第一激光器输出端与光纤分束器输入端相连，光纤分束器的第一输出端与第一电光调制器的输入端相连，微波信号源输出端与电光第一电光调制器的微波输入端相连，第一电光调制器输出端与滤波器输入端相连，滤波器输出端与第一掺饵光纤放大器输入端相连，第一掺饵光纤放大器输出端与第二电光调制器输入端相连，脉冲信号源的第一输出端与第二电光调制器偏压输入端相连，第二电光调制器输出端与高速光开关输入端相连；光纤分束器的第二输出端与第三电光调制器输入端相连，脉冲信号源的第二输出端与第三电光调制器偏压输入端相连，第三电光调制器输出端与高速光开关的第二输入端相连；高速光开关输出端与第二掺饵光纤放大器输入端相连，第二掺饵光纤放大器输出端与保偏隔离器输入端相连，保偏隔离器输出端与第一光纤偏振器输入端相连，第一光纤偏振器输出端与偏振分束合束器慢轴输入端相连，偏振分束合束器输出端与传感光纤一端相连，传感光纤另一端与第二光纤偏振器输入端相连，第二光纤偏振器输出端与保偏后向反射器输入端相连；所述第二激光器输出端与第四电光调制器输入端相连，脉冲信号源第三输出端与第四电光调制器偏压输入端相连，第四电光调制器输出端与第三掺饵光纤放大器输入端相连，第三掺饵光纤放大器输出端与保偏环形器1端相连，保偏环形器2端与第三光纤偏振器输入端相连，第三光纤偏振器输出端与偏振分束合束器快轴输入端相连；保偏环形器3端与光电探测器输入端相连，光电探测器输出端与数据采集模块输入端相连，数据采集模块同步输出端与脉冲信号源同步输入端相连。

在另一较佳实施例中，所述第二电光调制器和第三电光调制器输出的脉冲信号的输出时间存在时间差，所述时间差通过所述脉冲信号源对于所述第二电光调制器和第三电光调制器的不同驱动时间进行调节。

在另一较佳实施例中，所述第二电光调制器和所述第三电光调制器输出的脉冲信号通过所述高速光开关分时输出，其中，所述第二电光调制器输出的脉冲信号比所述第三电光调制器输出的脉冲信号先通过所述高速光开关输出。

在另一较佳实施例中，所述脉冲信号源产生的用于驱动第四电光调制器的脉冲信号的上升沿的时间点紧跟所述脉冲信号源产生的用于驱动第三电光调制器的脉冲信号的下降沿。

在另一较佳实施例中，所述第二激光器采用频率可调节的窄线宽激光器。

本发明的有益效果是：

1、采用布里渊动态光栅传感装置结构属于单端探测，在不降低传感距离的情况下，使传感光纤在实际工程中布线更灵活高效，进一步扩展了该传感系统的实用范围。

2、通过控制两路泵浦脉冲信号的脉冲宽度控制布里渊散射形成动态光栅的长度，通过调节两路泵浦脉冲信号的延时控制布里渊散射形成动态光栅的位置，实现任意长度的布里渊光栅出现在光纤上的任意位置。

3、通过采用保偏后向反射器使一路泵浦脉冲反射回传感光纤与另一路泵浦脉冲相遇发生受激布里渊散射形成布里渊动态光栅；通过采用的光纤偏振器可防止探测脉冲光信号反射回传感光纤进而影响传感信号的检测。

3、通过采用频率可调节的窄线宽第二激光器注入不同频率的探测光，重构布里渊动态光栅反射谱信号，计算得出布里渊动态光栅反射谱中心频率，将其用于传感光纤上温度和应变的传感。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的系统框图。

具体实施方式

实施例，参见图1所示，本发明的一种单端探测布里渊动态光栅传感的装置，包括脉冲信号源1、第一激光器2、光纤分束器3、第一电光调制器4、微波信号源5、滤波器6、第一掺饵光纤放大器7、第二电光调制器8、高速光开关9、第三电光调制器10、第二掺饵光纤放大器11、保偏隔离器12、第一光纤偏振器13、偏振分束合束器14、传感光纤15、第二光纤偏振器16、保偏后向反射器17、频率可调节的窄线宽第二激光器18、第四电光调制器19、第三掺饵光纤放大器20、保偏环形器21、第三光纤偏振器22、光电探测器23和数据采集模块24；所述第一激光器2输出端与光纤分束器3输入端相连，光纤分束器3的第一输出端与第一电光调制器4的输入端相连，微波信号源5输出端与电光第一电光调制器的微波输入端相连，第一电光调制器4输出端与滤波器6输入端相连，滤波器6输出端与第一掺饵光纤放大器7输入端相连，第一掺饵光纤放大器7输出端与第二电光调制器8输入端相连，脉冲信号源1的第一输出端与第二电光调制器8偏压输入端相连，第二电光调制器8输出端与高速光开关9输入端相连；光纤分束器3的第二输出端与第三电光调制器10输入端相连，脉冲信号源1的第二输出端与第三电光调制器10偏压输入端相连，第三电光调制器10输出端与高速光开关9的第二输入端相连；高速光开关9输出端与第二掺饵光纤放大器11输入端相连，第二掺饵光纤放大器11输出端与保偏隔离器12输入端相连，保偏隔离器12输出端与第一光纤偏振器13输入端相连，第一光纤偏振器13输出端与偏振分束合束器14慢轴输入端相连，偏振分束合束器14输出端与传感光纤15一端相连，传感光纤15另一端与第二光纤偏振器16输入端相连，第二光纤偏振器16输出端与保偏后向反射器17输入端相连；所述第二激光器18输出端与第四电光调制器19输入端相连，脉冲信号源1第三输出端与第四电光调制器19偏压输入端相连，第四电光调制器19输出端与第三掺饵光纤放大器20输入端相连，第三掺饵光纤放大器20输出端与保偏环形器211端相连，保偏环形器212端与第三光纤偏振器22输入端相连，第三光纤偏振器22输出端与偏振分束合束器14快轴输入端相连；保偏环形器213端与光电探测器23输入端相连，光电探测器23输出端与数据采集模块24输入端相连，数据采集模块24同步输出端与脉冲信号源1同步输入端相连。

本实施例的实现传感的方法包括以下步骤：

步骤A：第一激光器2输出光信号经光纤分束器3均分成两路分别进入第一电光调制器4和第三电光调制器10，调节微波信号源5，使其输出微波信号为传感光纤15的布里渊频移，驱动第一电光调制器4产生双边带信号输出至滤波器6，调节滤波器6通带，输出高频边带信号进入第一掺饵光纤放大器7进行放大并输入第二电光调制器8，第二电光调制器8在脉冲信号源1驱动下，输出脉冲光信号作为第一泵浦脉冲信号；第三电光调制器10在脉冲信号源1驱动下产生脉冲光信号作为第二泵浦脉冲信号，第一泵浦脉冲信号和第二泵浦脉冲信号频率相差布里渊频移；

步骤B：设置光开光切换周期，第一泵浦脉冲先通过高速光开关9，第二掺饵光纤放大器11放大后经保偏隔离器12和第一光纤偏振器13输入偏振分束合束器14慢轴端，在传感光纤15中传输至末端进入第二光纤偏振器16并经保偏后向反射器17反射回传感光纤15传输；第二泵浦脉冲再通过光开关经第二掺饵光纤放大器11放大后经保偏隔离器12和第一光纤偏振器13输入偏振分束合束器14慢轴输入端，在传感光纤15中与反射回来的第一泵浦脉冲相向传输，调节脉冲信号源1对于第二电光调制器8的驱动时间，可使得第一泵浦脉冲和第二泵浦脉冲在传感光纤15任意位置相遇发生受激布里渊散射形成布里渊动态光栅，通过控制第一泵浦脉冲信号和第二泵浦脉冲信号的脉冲宽度控制布里渊散射形成动态光栅的长度；

步骤C：第二激光器18是频率可调节窄线宽激光器，输出信号至第四电光调制器19，第四电光调制器19在脉冲信号源1驱动下，输出探测脉冲光经第三掺饵光纤放大器20放大后经保偏环形器21和第三光纤偏振器22输入偏振分束合束器14快轴端，进入传感光纤15，其进入传感光纤15的时间可通过脉冲信号源1调节，使探测脉冲上升沿紧跟第二泵浦脉冲下降沿，在布里渊动态光栅处反射回信号经偏振分束合束器14、第三光纤偏振器22和保偏环形器21进入光电探测器23进行光电转换，将转换后的电信号送入数据采集模块24转换成数字信号并保存；

步骤D：调节第二激光器18频率，重复步骤C，重构布里渊动态光栅反射谱信号，计算得出布里渊动态光栅反射谱中心频率，将其用于传感光纤15上温度和应变的传感；

步骤E：根据布里渊动态光栅反射谱中心频率v_BDG和应变ε的关系：v_BDG＝v_BDG0+C_vεε，完成传感光纤15上应变ε的测量，根据布里渊动态光栅反射谱中心频率v_BDG和温度T的关系：v_BDG＝v_BDG0+C_vTT，完成传感光纤15上温度T的测量，其中，v_BDG0为初始布里渊动态光栅反射谱中心频率，C_vε是应变系数，C_vT是温度系数。

本实施例采用布里渊动态光栅传感装置结构属于单端探测，在不降低传感距离的情况下，使传感光纤在实际工程中布线更灵活高效，进一步扩展了该传感系统的实用范围。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤A：将一激光器输出的光信号分成两路分别调制成两路脉冲光信号作为泵浦脉冲信号，两路泵浦脉冲信号频率相差布里渊频移；

步骤B：所述两路泵浦脉冲信号分时进入传感光纤，其中一路泵浦脉冲信号反射返回传感光纤与另一路泵浦脉冲信号相向传输在传感光纤中相遇产生受激布里渊散射形成动态光栅；

步骤C：将另一激光器输出的光信号调制成探测脉冲光后进入传感光纤，对被布里渊动态光栅反射后的探测脉冲光进行信号转换与采集；

步骤D：调节另一激光器输出信号的频率后重复步骤C以重构布里渊动态光栅反射谱信号，计算得出布里渊动态光栅反射谱中心频率，将其用于传感光纤上温度和应变的传感；

步骤E：根据布里渊动态光栅反射谱中心频率v_BDG和应变ε的关系：

v_BDG＝v_BDG0+C_vεε，完成传感光纤上应变ε的测量，根据布里渊动态光栅反射谱中心频率v_BDG和温度T的关系：v_BDG＝v_BDG0+C_vTT，完成传感光纤上温度T的测量，其中，v_BDG0为初始布里渊动态光栅反射谱中心频率，C_vε是应变系数，C_νT是温度系数。

2.根据权利要求1所述的一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法，其特征在于：步骤B中，通过控制所述两路泵浦脉冲信号的脉冲宽度控制所述布里渊散射形成动态光栅的长度。

3.根据权利要求1所述的一种单端探测布里渊动态光栅传感的方法，其特征在于：步骤B中，通过调节所述两路泵浦脉冲信号的延时控制所述布里渊散射形成动态光栅的位置。