[发明专利]基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本、高可靠性的动态布里渊传感技术，属于光学领域。

背景技术

近年来光纤传感发展迅速，布里渊光时域分析技术(BOTDA)得到国内外的广泛研究与应用，布里渊光时域分析技术可以对温度和应变进行传感与测量，具有空间分辨率高、传感距离远、实现分布式传感等优点。其广泛应用于建筑结构监测、火灾监测和输油管道监测等。

布里渊光时域分析技术利用光纤中受激布里渊散射(SBS)这一非线性效应对光纤所受外界应变和温度进行传感。相向传输的泵浦光与探测光通过受激布里渊散射进行能量传递，探测光被放大的程度取决于泵浦光与探测光之间的频率差值。一般石英光纤布里渊频移在11GHz左右，温度和应变都会改变布里渊频移，对探测光进行频率扫描就可得到布里渊增益谱，根据对应的系数转换为温度或应变的大小。泵浦光采用脉冲光这样就可以分布式测量光纤沿线上每点的信息。

但是传统的布里渊光时域分析系统由于扫描频率所需时间较长，无法测量信号的瞬时变化，只能测量静态或缓变的信号。为了解决这一问题，实现分布式动态传感技术用于对瞬态信号的分布式监测，需要采用基于任意波技术的捷变频技术。该技术的核心器件是任意波发生器(Arbitrary Waveform Generator)。由于普通光纤布里渊频移在11GHz左右，所以一般需要同等带宽的任意波发生器。高带宽的任意波发生器成本极高，并且高频设备极易损坏和受外界干扰，极大地限制了这种方法的实际应用价值。

现有技术采用三种方案来克服采用捷变频技术时存在的技术问题，前两种方案采用的的是应用任意波形发生器将探测光快速扫频的方式。

第一种方案采用微波矢量发生器与双通道500MHz的AWG的I/Q升频方法实现对布里渊增益谱的快速扫描(YairPeled，AviMotil，and Moshe Tur,“Fast Brillouin optical time domain analysis for dynamic sensing,”Vol 20NO.8Optical Express 8584,2012)。这种方法降低所用AWG的带宽为500MHz，但其采用的I/Q升频技术成本也比较高。第二种方案采用强度调制器的二阶边频作为探测光，这样将所需的AWG带宽从布里渊频移大小降低一半(比如2013年6月13日申请的、公开号为CN103335666A的中国专利“动态分布式布里渊光纤传感装置及方法”)。有效降低所需AWG的带宽，但仍在5.5GHz左右。

第三种是将探测光采用梳状频谱的调制方式避免频率扫描的动态测量方案(比如2012年4月6日申请的、公开号为CN102645236B的中国专利“基于梳状频谱连续探测光的BOTDA系统”)。但布里渊增益谱的测量需要采用外差探测的方法，外差探测过程中需要一个本振电信号的扫描，电扫描需要一定的时间，因此该方案实际测量时间仍然较长，无法真正实现动态测量。

发明内容

本发明目的是为了解决现有采用基于任波技术的捷变频技术对瞬态信号进行分布式监测时存在成本高、系统复杂的问题，提供了一种基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置及方法。

本发明所述基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置，它包括激光器、耦合器、微波源、任意函数发生器、任意波发生器、光隔离器、数据采集模块、第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第三偏振控制器PC3、第四偏振控制器PC4、第一光强度调制器IM1、第二光强度调制器IM2、掺铒光纤放大器EDFA、环形器R1、单边带强度调制器SSBM和待测保偏光纤PMF；

激光器发出的激光束通过耦合器分成两束激光；

其中一束激光经过第一偏振控制器PC1进入第一光强度调制器IM1，第一光强度调制器IM1在微波源的控制下对输入的激光进行上、下边频调制，上、下边频调制后的光束经第二光强度调制器IM2调制输出方形脉冲光，该方形脉冲光光经由光纤布拉格光栅FBG滤除下边频，滤除下边频的光束经过掺铒光纤放大器EDFA放大后输出的光束作为泵浦光，该泵浦光经过第三偏振控制器PC3进入环形器R1的1口，从环形器R1的2口输出至待测保偏光纤PMF中；

另一束激光经过第二偏振控制器PC2进入单边带强度调制器SSBM，单边带强度调制器SSBM在任意波发生器的控制下对输入光束进行下边频调制，单边带强度调制器SSBM输出的光束作为探测光，所述探测光经过光隔离器和第四偏振控制器PC4，从另一个方向进入待测保偏光纤PMF中；