[发明专利]基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法

说明书

本发明涉及分布式光纤传感领域，公开了一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法，装置包括无时延宽带混沌激光源、光纤耦合器、电光调制器、微波信号源、可编程光延迟发生器、连续光放大器、传感光纤、半导体光放大器、脉冲信号发生器、脉冲光放大器、光环形器、波分复用器、第一光电探测器、可调谐光滤波器、第二光电探测器和高速数据采集与分析系统。本发明利用无时延宽带混沌激光消除混沌布里渊增益谱双峰效应，拓宽动态应变测量范围；利用双斜坡辅助技术和混沌后向拉曼散射补偿提高了动态应变测量精度，实现长传感距离、高测量精度兼顾的分布式光纤动态应变监测系统。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的高速发展，国家重大设施基础安全保障、智慧海洋环境安全保障、重大地质灾害快速识别与风险防控、深地探测及环保工程等传感监测技术迎来空前的发展契机与挑战。分布式光纤传感技术由于可实现恶劣环境下温度、应变等多参量的长距离、高精度、强抗干扰测量而备受青睐，为满足现代监测网络对动态变化参量的实时监测需求，分布式光纤动态应变监测技术日益成为当下研究热点。

目前，基于瑞利散射的相位敏感型光时域反射技术（Φ-OTDR）通过脉冲光后向瑞利信号的相位变化解调光纤沿线任意位置处的动态应变，原理简单、结构方便，得到广泛的研究与应用；但是该技术易受外界环境影响导致测量精度较差，同时，Φ-OTDR技术多用于光纤振动位置的定性测量，难以准确解调应变大小与频率。因此，基于布里渊散射的动态应变测量技术得到迅速发展，主要包括：基于光学捷变频/啁啾链的布里渊光时域分析技术（A. Voskoboinik, et al., Opt. Express 19, B842, 2011; D. Zhou, et al., LightSci. Appl. 7, 32, 2018）、基于高速压控振荡器的布里渊光相干域技术（Y. Mizuno, et al., Light Sci. Appl. 5, e16184, 2016; B. Wang, et al., Opt. Express 26,6916, 2018），该类技术通过探测光频的快速扫描实现与应变变化相匹配的增益谱快速解调，系统复杂度较高，且动态应变大小与频率相矛盾、测量精度低；基于斜坡辅助的布里渊光时域分析技术（Y. Peled, et al., Opt. Express, 21, 10697, 2013）、基于宽频混沌激光的动态应变监测技术（ZL201810408414.6），该类技术将动态应变实时转化为探测光功率的变化，装置简单、成本低廉、适应性强，然而探测光功率易受泵浦光功率波动、光纤损耗等因素的影响，监测距离短、测量精度低。

综上所述，布里渊分布式光纤传感技术在动态应变测量领域具有很高的发展潜力，亟需一项长距离、高精度的分布式光纤动态应变监测技术。

发明内容

本发明是为解决现有动态应变测量技术无法实现长监测距离与高测量精度兼顾的大范围实时监测的困难，提供了一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测方法，包括以下步骤：

将同一激光器输出的无时延宽带混沌激光分为两束，分别作为探测光和泵浦光；

通过双频啁啾边带调制将探测光与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱上升沿斜坡与下降沿斜坡的线性区，然后将探测光和泵浦光从传感光纤两束输入传感光纤；

采集并处理传感光纤中输出的混沌拉曼斯托克斯光信号，同时传感光纤中输出的采集经布里渊放大后的混沌探测光中的斯托克斯光；