基于ase噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分布式光纖傳感系統(tǒng)，具體是一種基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感系統(tǒng)因具有分布式測量、監(jiān)測距尚長、空間分辨率尚、響應(yīng)時(shí)間快、抗電磁干擾等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電力工業(yè)、核工業(yè)、土木工程及軍事等領(lǐng)域。目前，分布式光纖傳感系統(tǒng)依據(jù)光纖中的散射機(jī)制可分為如下三種:基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)、基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)、基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)。其中，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)由于其在溫度和應(yīng)變測量上所能達(dá)到的測量精度、傳感距離、空間分辨率相比另外兩種分布式光纖傳感系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，并且能實(shí)現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的同時(shí)測量，而成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)條件下，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)可分為如下兩種:基于布里淵光時(shí)域的分布式光纖傳感系統(tǒng)、基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)。其中，基于布里淵光時(shí)域的分布式光纖傳感系統(tǒng)因其自身原理所限，存在空間分辨率低、測量時(shí)間長的問題，導(dǎo)致其適用范圍嚴(yán)重受限(例如，其不適用于飛機(jī)機(jī)翼、火箭和風(fēng)力渦輪葉片等結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分布式傳感檢測)。基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)又可分為如下兩種:基于布里淵光相干域反射(BOCDR, Brillouin Optical Correlat1n DomainReflectometry)的分布式光纖傳感系統(tǒng)、基于布里淵光相干域分析(BOCDA, BrillouinOptical Correlat1n Domain Analysis)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。相較于基于布里淵光時(shí)域的分布式光纖傳感系統(tǒng)，基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)可以明顯提高空間分辨率。例如，日本東京大學(xué)的Kazuo Hotate等人提出利用正弦信號對光源進(jìn)行頻率調(diào)制，可以構(gòu)造成相干峰具有周期性的相干函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)傳感距離為100m、空間分辨率為40cm 的 BOCDR 系統(tǒng)(Optics Express, 2008, vol.16, n0.16, 12148)。又例如，日本東京大學(xué)的Kazuo Hotate等人利用正弦信號頻率調(diào)制光源輸出，構(gòu)建了傳感距離為20m、空間分辨率為 1cm 的 BOCDA 系統(tǒng)(Photonics Technology Letters, 2007, vol.19, n0.23,1928)。然而，基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)因其自身原理所限，存在無法兼顧空間分辨率和傳感距離的問題。
[0004]為了克服基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)無法兼顧空間分辨率和傳感距離的問題，中國專利ZL201310045097.3公開了一種基于混沌激光信號相干法的分布式光纖傳感裝置及其測量方法。然而，該裝置及其測量方法因其自身原理所限，存在空間分辨率低、光源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)過程費(fèi)時(shí)、實(shí)現(xiàn)成本高的問題，具體闡述如下:一方面，該裝置及其測量方法是基于混沌激光信號實(shí)現(xiàn)的，由于混沌激光信號需要采用光注入、光反饋聯(lián)合擾動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，導(dǎo)致混沌激光信號中會(huì)含有光注入、光反饋引入的周期信號，由此破壞了混沌激光信號的低相干態(tài)，從而導(dǎo)致空間分辨率低。另一方面，在該裝置及其測量方法中，若要產(chǎn)生光譜可調(diào)節(jié)、相干長度可控的混沌激光信號，不僅需要采用光注入、光反饋聯(lián)合擾動(dòng)半導(dǎo)體激光器，而且需要配合調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)，由此導(dǎo)致光源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)過程費(fèi)時(shí)、實(shí)現(xiàn)成本高。
[0005]基于此，有必要發(fā)明一種全新的分布式光纖傳感系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有分布式光纖傳感系統(tǒng)無法兼顧空間分辨率和傳感距離、空間分辨率低、光源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)過程費(fèi)時(shí)、實(shí)現(xiàn)成本高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有分布式光纖傳感系統(tǒng)無法兼顧空間分辨率和傳感距離、空間分辨率低、光源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)過程費(fèi)時(shí)、實(shí)現(xiàn)成本高的問題，提供了一種基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法。
[0007]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置，包括ASE噪聲源、可調(diào)諧光濾波器、I X 2光纖耦合器、第一光放大器、光擾偏器、光環(huán)行器、傳感光纖、第二光放大器、可變光延遲線、第三光放大器、2X2光纖耦合器、雙平衡光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)；
其中，ASE噪聲源的出射端通過單模光纖跳線與可調(diào)諧光濾波器的入射端連接；可調(diào)諧光濾波器的出射端通過單模光纖跳線與1X2光纖耦合器的入射端連接；
1X2光纖耦合器的第一個(gè)出射端通過單模光纖跳線與第一光放大器的入射端連接；第一光放大器的出射端通過單模光纖跳線與光擾偏器的入射端連接；光擾偏器的出射端通過單模光纖跳線與光環(huán)行器的入射端連接；光環(huán)行器的反射端與傳感光纖的一端連接；光環(huán)行器的出射端通過單模光纖跳線與第二光放大器的入射端連接；第二光放大器的出射端通過單模光纖跳線與2X2光纖耦合器的第一個(gè)入射端連接；
1X2光纖耦合器的第二個(gè)出射端通過單模光纖跳線與可變光延遲線的入射端連接；可變光延遲線的出射端通過單模光纖跳線與第三光放大器的入射端連接；第三光放大器的出射端通過單模光纖跳線與2X2光纖耦合器的第二個(gè)入射端連接；
2X2光纖耦合器的兩個(gè)出射端分別與雙平衡光電探測器的兩個(gè)入射端連接；雙平衡光電探測器的信號輸出端通過高頻同軸電纜與數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡的信號輸出端與計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接。
[0008]基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感方法(該方法在本發(fā)明所述的基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置中實(shí)現(xiàn))，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的:
a.ASE噪聲源發(fā)出的ASE噪聲光信號經(jīng)可調(diào)諧光濾波器進(jìn)行濾波后進(jìn)入I X 2光纖耦合器，并經(jīng)I X 2光纖耦合器分為兩路:第一路ASE噪聲光信號作為探測光信號，第二路ASE噪聲光信號作為參考光信號；探測光信號依次經(jīng)第一光放大器、光擾偏器、光環(huán)行器進(jìn)行放大、擾偏、環(huán)行后進(jìn)入傳感光纖，并在傳感光纖中的各個(gè)位置處產(chǎn)生后向布里淵散射光信號，后向布里淵散射光信號依次經(jīng)光環(huán)行器、第二光放大器進(jìn)行環(huán)行、放大后進(jìn)入2X2光纖耦合器；參考光信號依次經(jīng)可變光延遲線、第三光放大器進(jìn)行延遲、放大后進(jìn)入2X2光纖親合器；
b.探測光信號在傳感光纖中的某一位置處產(chǎn)生的后向布里淵散射光信號和參考光信號在2X2光纖耦合器中發(fā)生干涉拍頻作用，由此產(chǎn)生拍頻光信號；拍頻光信號經(jīng)雙平衡光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號；電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，并經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，由此得到傳感光纖中某一位置處的溫度和應(yīng)變信息；通過可變光延遲線可以調(diào)節(jié)參考光信號的光程，使得探測光信號在傳感光纖中的不同位置處產(chǎn)生的后向布里淵散射光信號和參考光信號在2X2光纖耦合器中發(fā)生干涉拍頻作用，由此得到傳感光纖中任意位置處的溫度和應(yīng)變信息。
[0009]與現(xiàn)有分布式光纖傳感系統(tǒng)相比，本發(fā)明所述的基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法具有如下優(yōu)點(diǎn):其一，與基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)相比，本發(fā)明所述的基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法是利用ASE噪聲光信號進(jìn)行分布式光纖傳感檢測，由于ASE噪聲光信號是一種低相干態(tài)的信號，其具有非常小的相干長度，因此本發(fā)明所述的基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法的空間分辨率僅由ASE噪聲光信號的相干長度決定，而與傳感距離無關(guān)，由此其能夠完全兼顧空間分辨率和傳感距離，從而徹底克服了基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統(tǒng)無法兼顧空間分辨率和傳感距離的問題。其二，與中國專利ZL201310045097.3公開的一種基于混沌激光信號相干法的分布式光纖傳感裝置及其測量方法相比，本發(fā)明所述的基于ASE噪聲相干探測的分布式光纖傳感裝置及方法具有如下優(yōu)點(diǎn):一方面，該裝置及方法是基于ASE噪聲光信號實(shí)現(xiàn)的，由于ASE噪聲光信號無需采用光注入、光反饋聯(lián)合擾動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，使得ASE噪聲光信號中不會(huì)含有光注入、光反饋引入的周期信號，因此ASE噪聲光信號的低相干態(tài)能夠得到保持，從而使得空間分辨率得到了大幅提高。另一方面，在該裝置及方法中，若要產(chǎn)生光譜可調(diào)節(jié)、相干長度可控的ASE噪聲光信號，只需采用摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器以及可調(diào)諧光濾波器，而既無需采用光注入、光反饋聯(lián)合擾動(dòng)半導(dǎo)體激光器，也無需配合調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)，由此使得光源結(jié)構(gòu)得到了大幅簡化、實(shí)現(xiàn)過程更省時(shí)、實(shí)現(xiàn)成本更低。
[0010]本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有分布式光纖傳感系統(tǒng)無法兼顧空間分辨率和傳感距離、空間分辨率低、光源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)過程費(fèi)時(shí)、實(shí)現(xiàn)成本高的問題，適用于分布式光纖