[发明专利]一种基于循环移频的BOTDR相干探测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于循环移频的新型BOTDR相干探测装置和方法。

背景技术

布里渊光时域反射(BOTDR)技术是近年来才发展起来的分布式光纤传感技术。它利用光纤的背向布里渊散射移频对光纤所受应变和温度十分敏感，而且具有较好线性关系的特性，对被测物进行分布式应变和温度的传感检测，具有可测量多个物理参量(如温度、应变、线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，特别是其通过一次测量可获取整个光纤区域内被测量的分布信息，并可将被测点的位置表达成被测量和时间的函数，从而对隐患和故障进行准确识别和定位，还可以通过光纤的合理架设对大型复杂结果进行二维和三维的连续分布式检测，在大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、体育馆、电力通信网络及油气管道等的安全健康检测和故障预警与评估中显示出十分诱人的前景。

目前的BOTDR探测技术主要有两大方式：直接探测方式和相干探测方式。其中直接探测技术是直接把脉冲信号通过环形器输入到传感光纤，然后通过对环形器中散射回来的布里渊散射光直接进行探测。这种方法及装置类似附图2所示，激光器产生连续的激光，通过耦合器1分光，一路作为本振光到耦合器2，另一路经过电光调制器(Electrooptical Modulator，EOM)调制产生脉冲光，射入到传感光纤后反射回布里渊散射光到耦合器2，被平衡探测器探测后经过信号调理电路调理后被采集卡采集，然后进行处理。这种利用多峰布里渊谱之间的相差，这就需要高带宽的光电探测器(Photoelectric Detector，PD)。光纤中自发布里渊散射的光功率非常弱，直接探测比较困难，这就导致直接探测方式测量精度有限。

相干探测是目前比较常用的探测方式，通过把本振光和信号光通过耦合器合在一起送到探测器中进行探测，可以使得最后探测器探测的中频交流分量与本振光功率和信号光功率的乘积的开方成正比，而不在是只与信号光功率成正比；另外采用平衡探测器和50/50耦合器来实现外差探测，可以是探测器输出电流幅度增加一倍，可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的探测灵敏度和共模抑制比，国内涂郭结等人的《Strain variation measurement with STFT based BOTDR sensing system》就使用了如附图2所示的系统结构。对于布里渊散射信号的探测，散射信号光与本振光之间存在与布里渊频移相同的频率差(对于1550nm光源，普通单模光纤的布里渊频移大约11GHz)，这时还是需要一个很大带宽的PD，从而提升了系统成本。目前常用的解决方法是对本振光或者探测光进行移频，一般选用微波源控制电光调制器(EOM)来对探测光进行频率上移或者对本振光进行频率下移，最后使得相干信号的频率在百兆Hz量级，从而降低了对PD带宽的要求，但是高频的微波源价格也比较昂贵且EOM的移频效率受工作点漂移的影响稳定性差。

另外日本Tsuneo Horiguchi等人在《Development of a Distributed Sensing Technique Using Brillouin Scattering》中提出一种如附图3所示的光纤移频BOTDR相干探测结构，这种结构是对探测光进行移频的相干自外差探测方式，激光器发射的连续模式光通过耦合器分成两束，一路作为本振光，一路作为探测光。探测光经过声光调制器1(Acoustic Optical Modulator，AOM)调制成脉冲光，然后通过耦合器把大部分光耦合进入移频回路，在AOM2中使脉冲光频率上移Δf，然后通过掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)放大后再经过耦合器，小部分光直接输出到EDFA放大后进入探测光纤，剩余大部分光再次进入移频回路，进行下一步移频，这个过程重复N次。最后在频率会达到f₀，这时就是达到要求的探测光，进入传感光纤后得到布里渊信号光和本振光一起相干然后对混频后的的信号进行处理，得到光纤沿线的布里渊频移，这种方式在保证高探测灵敏度的同时有利于降低系统成本。但是这种方式也有一个缺点，输出的探测光是频率间隔为Δf的光学梳，为了避免两束不同频率光之间的布里渊散射的相互影响，就要求Δf要大于布里渊散射谱宽(约为几百MHz)，这种结构浪费探测光的能量。

发明内容