本發(fā)明涉及分布式光纖傳感技術領域，特別是涉及一種斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置、布里淵光時域反射儀及布里淵頻移測量系統(tǒng)。

背景技術：

分布式光纖傳感技術可以對一段傳感光纖沿線所感受到的溫度或者擾動等待測物理量進行測量，并能對待測物理量的位置進行定位，從而獲得待測物理量沿傳感光纖的分布情況。由于分布式光纖傳感技術中的傳感光纖一般采用普通光纖，成本低，且其傳感距離長，因此受到了廣泛關注。

分布式光纖傳感技術主要利用了激光在光纖中的散射效應來進行傳感測量。瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射是廣泛應用的三種散射現象。其中，布里淵散射對溫度和應變都敏感，有希望可以實現對溫度和應變的長距離同時測量，因此更加受到重視。

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術主要有兩大系統(tǒng)架構：一種是布里淵光時域反射儀(brillouinopticaltimedomainreflectometry，簡稱botdr)，一種是布里淵光時域分析儀(brillouinopticaltimedomainanalyzer，簡稱botda)。botda架構需要從傳感光纖的兩端注入激光，因此在實際工程運用中受到一定限制。而botdr架構則只需要從傳感光纖的一端注入激光，在工程運用中更加方便，因此更具實用價值。

在botdr架構中，一個具有較強峰值功率的激光脈沖從傳感光纖的一端注入并沿著傳感光纖傳播。該激光脈沖會在所經過的光纖各處激發(fā)出向后傳播的自發(fā)布里淵散射信號。這個自發(fā)布里淵散射信號在激光脈沖的注入端被接收下來并進行分析，從而獲得傳感光纖沿線的待測物理量的值。一般而言，需要測量出該自發(fā)布里淵散射信號的中心頻率相對于激光脈沖的頻率的偏移量，也就是布里淵頻移量，從而通過該布里淵頻移量來反演待測物理量的值。有時候，自發(fā)布里淵散射信號的功率也能夠提供有關待測物理量有價值的信息，因此也需要進行測量。

在激光脈沖激發(fā)的自發(fā)布里淵散射信號中，包含有兩部分的信號：一是斯托克斯(stokes)光，二是反斯托克斯(anti-stokes)光。stokes光的中心頻率較激光脈沖的頻率低，而anti-stokes光的中心頻率較激光脈沖的頻率高。一般而言，stokes和anti-stokes光具有相同的布里淵頻移量，因此二者在光譜上對稱的分布在激光脈沖信號的兩側。但是，在botdr系統(tǒng)中，產生激光脈沖的激光器由于溫度或者注入電流擾動的影響，存在一定的頻率漂移。而布里淵散射信號經歷了一段光纖傳播的時間，當其回到激光脈沖注入端并被接收下來進行分析時，激光器的頻率可能已經發(fā)生了漂移，從而使得對stokes和anti-stokes光的布里淵頻移量的測量產生誤差。盡管激光器的頻率漂移相對于激光的頻率而言很小(相對值一般小于10^-7)，但是造成的測量值的誤差卻很顯著。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置，可準確測量stokes光和anti-stokes光。

為實現上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置，所述測量裝置與布里淵光時域反射儀連接，其中，所述測量裝置包括：

雙偏振相干接收機，分別對應所述布里淵光時域反射儀的光學環(huán)形器和激光器設置，用于接收從所述光學環(huán)形器中輸出的帶有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里淵散射光信號，以及接收從所述激光器中發(fā)出的本振光信號；并根據所述布里淵散射光信號和所述本振光信號獲得x偏振態(tài)的兩路正交電信號和y偏振態(tài)的兩路正交電信號；

第一射頻90°混合耦合器，與所述雙偏振相干接收機連接，用于接收所述x偏振態(tài)的兩路正交電信號，并根據所述x偏振態(tài)的兩路正交電信號得到斯托克斯光的x偏振態(tài)光信號分量和反斯托克斯光的x偏振態(tài)光信號分量；

第二射頻90°混合耦合器，與所述雙偏振相干接收機連接，用于接收所述y偏振態(tài)的兩路正交電信號，并根據所述y偏振態(tài)的兩路正交電信號得到斯托克斯光的y偏振態(tài)光信號分量和反斯托克斯光的y偏振態(tài)光信號分量。

可選的，所述雙偏振相干接收機包括：

偏振分束器，對應所述光學環(huán)形器設置，用于將所述布里淵散射光信號號分為布里淵散射p光信號和布里淵散射s光信號；

第一分光器，對應所述激光器設置，用于將所述本振光信號分為本振p光信號和本振s光信號；

第一90°光學混頻器，對應所述偏振分束器和第一分光器設置，用于將所述布里淵散射p光信號和本振p光信號進行光學正交混頻處理獲得混頻p光信號；

第二90°光學混頻器，對應所述偏振分束器和第一分光器設置，用于將所述布里淵散射s光信號和本振s光信號進行光學正交混頻處理獲得混頻s光信號；

第一光電轉換單元和第二光電轉換單元分別與所述第一90°光學混頻器連接，用于將所述第一90°光學混頻器輸出的混頻p光信號進行光電轉換，得到x偏振態(tài)的兩路正交電信號；

第三光電轉換單元和第四光電轉換單元分別與所述第二90°光學混頻器連接，用于將所述第二90°光學混頻器輸出的混頻s光信號進行光電轉換，得到y(tǒng)偏振態(tài)的兩路正交電信號。

可選的，所述第一光電轉換單元和第二光電轉換單元分別包括連接在所述第一90°光學混頻器輸出端的兩個第一光電二極管，并且兩個所述第一光電二極管的輸出相減；

所述第三光電轉換單元和第四光電轉換單元分別包括并聯連接在所述第二90°光學混頻器輸出端的兩個第二光電二極管，并且兩個所述第二光電二極管的輸出相減。

可選的，所述雙偏振相干接收機為集成雙偏振相干接收機。

可選的，所述雙偏振相干接收機與激光器之間設置有分光器。

根據本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：

本發(fā)明斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置通過設置雙偏振相干接收機、第一射頻90°混合耦合器及第二射頻90°混合耦合器，可對布里淵光時域反射儀的光學環(huán)形器輸出的帶有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里淵散射光信號和激光器中發(fā)出的本振光信號進行處理，得到stokes光的x偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的x偏振態(tài)光信號分量以及stokes光的y偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的y偏振態(tài)光信號分量，從而實現stokes光和anti-stokes光的分離測量。

本發(fā)明的目的是提供一種布里淵光時域反射儀，可準確測量stokes光和anti-stokes光。

為實現上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種布里淵光時域反射儀，所述布里淵光時域反射儀包括依次連接的激光器、激光脈沖發(fā)生器、光學環(huán)形器及傳感光纖；其特征在于，所述布里淵光時域反射儀還包括：上述斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置；所述測量裝置分別對應所述光學環(huán)形器和激光器設置。

可選的，所述布里淵光時域反射儀還包括：

保偏耦合器，設置在所述激光器的輸出端，分別與所述激光脈沖發(fā)生器和所述測量裝置連接。

根據本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：

本發(fā)明布里淵光時域反射儀botdr通過設置斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置，可對布里淵光時域反射儀的光學環(huán)形器輸出的帶有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里淵散射光信號和激光器中發(fā)出的本振光信號進行處理，得到stokes光的x偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的x偏振態(tài)光信號分量以及stokes光的y偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的y偏振態(tài)光信號分量，從而實現stokes光和anti-stokes光的分離測量。

本發(fā)明的目的是提供一種布里淵頻移測量系統(tǒng)，可準確確定布里淵頻移值。

為實現上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種布里淵頻移測量系統(tǒng)，所述布里淵頻移測量系統(tǒng)包括：

上述斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置；

測量單元，分別與所述測量裝置的第一射頻90°混合耦合器和第二射頻90°混合耦合器連接，用于分別獲得斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率；

計算單元，與所述測量單元連接，用于根據所述斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率確定布里淵頻移值。

可選的，所述計算單元根據所述斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率確定布里淵頻移值具體包括：

計算所述斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率的平均值。

根據本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：

本發(fā)明布里淵頻移測量系統(tǒng)通過設置斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置可對布里淵光時域反射儀的光學環(huán)形器輸出的帶有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里淵散射光信號和激光器中發(fā)出的本振光信號進行處理，得到stokes光的x偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的x偏振態(tài)光信號分量以及stokes光的y偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的y偏振態(tài)光信號分量，從而實現stokes光和anti-stokes光的分離測量；同時通過設置測量單元和計算單元，根據stokes光和anti-stokes光的頻率確定布里淵頻移值，避免了激光器頻率漂移所產生的影響，提高準確度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置的結構示意圖；

圖2為具有本發(fā)明斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置的botdr系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例布里淵頻移測量系統(tǒng)的結構示意圖。

符號說明：

1—雙偏振相干接收機，11—偏振分束器，12—第一分光器，13—第一90°光學混頻器，14—第二90°光學混頻器，15—第一光電轉換單元，16—第二光電轉換單元，17—第三光電轉換單元，18—第四光電轉換單元，2—第一射頻90°混合耦合器，3—第二射頻90°混合耦合器，4—激光器，5—激光脈沖發(fā)生器，6—光學環(huán)形器，7—傳感光纖，8—第二分光器，91—測量單元，92—計算單元。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置，通過設置雙偏振相干接收機、第一射頻90°混合耦合器及第二射頻90°混合耦合器，可對布里淵光時域反射儀的光學環(huán)形器輸出的帶有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里淵散射光信號和激光器中發(fā)出的本振光信號進行處理，得到stokes光的x偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的x偏振態(tài)光信號分量以及stokes光的y偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的y偏振態(tài)光信號分量，從而實現stokes光和anti-stokes光的分離測量。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置包括雙偏振相干接收機(dualpolarizationintradynecoherentreceivers，簡稱icr)1、第一射頻90°混合耦合器2和第二射頻90°混合耦合器3。

其中，所述icr1分別對應所述布里淵光時域反射儀的光學環(huán)形器6和激光器4設置，用于接收從所述光學環(huán)形器6中輸出的帶有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里淵散射光信號，以及接收從所述激光器4中發(fā)出的本振光信號；并根據所述布里淵散射光信號和所述本振光信號獲得x偏振態(tài)的兩路正交電信號和y偏振態(tài)的兩路正交電信號；所述第一射頻90°混合耦合器2與所述icr1連接，用于接收所述x偏振態(tài)的兩路正交電信號，并根據所述x偏振態(tài)的兩路正交電信號得到斯托克斯stokes光的x偏振態(tài)光信號分量和反斯托克斯anti-stokes光的x偏振態(tài)光信號分量；所述第二射頻90°混合耦合器3與所述icr1連接，用于接收所述y偏振態(tài)的兩路正交電信號，并根據所述y偏振態(tài)的兩路正交電信號得到stokes光的y偏振態(tài)光信號分量和anti-stokes光的y偏振態(tài)光信號分量。

其中，所述icr1是一個光電混合器件，a端口接收布里淵散射光信號(signal)和b端口接收本振光信號(local)，經過偏振分集(polarizationdiversity)和光學正交混頻后，再進行光電轉換，從而獲得在兩個正交偏振態(tài)(即x偏振態(tài)和y偏振態(tài))上的輸出電信號。在每個偏振態(tài)上，又獲得兩個相位上正交的電信號輸出。

具體地，所述icr1包括偏振分束器11、第一分光器12、第一90°光學混頻器13、第二90°光學混頻器14、第一光電轉換單元15、第二光電轉換單16、第三光電轉換單元17及第四光電轉換單元18。

其中，所述偏振分束器11對應所述光學環(huán)形器6設置，用于將所述布里淵散射光信號號分為布里淵散射p光信號和布里淵散射s光信號；第一分光器12對應所述激光器4設置，用于將所述本振光信號分為本振p光信號和本振s光信號；所述第一90°光學混頻器13對應所述偏振分束器11和第一分光器12設置，用于將所述布里淵散射p光信號和本振p光信號進行光學正交混頻處理獲得混頻p光信號；所述第二90°光學混頻器14對應所述偏振分束器11和第一分光器12設置，用于將所述布里淵散射s光信號和本振s光信號進行光學正交混頻處理獲得混頻s光信號；所述第一光電轉換單元15和第二光電轉換單元16分別與所述第一90°光學混頻器13連接，用于將所述第一90°光學混頻器13輸出的混頻p光信號進行光電轉換，得到x偏振態(tài)的兩路正交電信號，通過c端口和d端口輸出；所述第三光電轉換單元17和第四光電轉換單元18分別與所述第二90°光學混頻器14連接，用于將所述第二90°光學混頻器14輸出的混頻s光信號進行光電轉換，得到y(tǒng)偏振態(tài)的兩路正交電信號，通過e端口和f端口輸出。其中，所述第一分光器12可為偏振分束器或保偏耦合器。

進一步地，所述第一光電轉換單元15和第二光電轉換單元16分別包括并聯連接在所述第一90°光學混頻器13輸出端的兩個第一光電二極管以及連接在兩個所述第一光電二極管之間的第一減法器；所述第三光電轉換單元17和第四光電轉換單元18分別包括并聯連接在所述第二90°光學混頻器14輸出端的兩個第二光電二極管以及連接在兩個所述第二光電二極管之間的第二減法器。

通過分別將兩個第一光電二極管和兩個第二光電二極管并聯設置，采用平衡探測的形式，可獲得x偏振態(tài)的兩路正交電信號和y偏振態(tài)的兩路正交電信號。

優(yōu)選的，所述icr1與激光器4之間設置有第二分光器8。其中，所述第二分光器8可為偏振分束器或者保偏耦合器。

其中，射頻90°混合耦合器則是一個四端口器件，兩個端口輸入，兩個端口輸出。經過所述icr1處理后的電信號，在輸出端分成兩組，每組對應了一個偏振態(tài)的輸出。每組中，又分別有兩個相位上正交的輸出(i電信號通過c端口輸出和q電信號通過d端口輸出)。當icr1的x偏振態(tài)當中的i電信號和q電信號分別被送入第一射頻90°混合耦合器2的兩個輸入端口，則在第一射頻90°混合耦合器的兩個輸出端口上分別輸出對應于stokes光和anti-stokes光的電信號，實現了對stokes和anti-stokes光的分離并測量。對icr1輸出的y偏振態(tài)當中的i電信號和q電信號分別被送入第二射頻90°混合耦合器3的兩個輸入端口，從而實現了對y偏振態(tài)的stokes和anti-stokes光的分離并測量。

如圖2所示，本發(fā)明提供一種布里淵光時域反射儀botdr，可準確測量stokes光和anti-stokes光。具體地，本發(fā)明布里淵光時域反射儀包括依次連接的激光器4、激光脈沖發(fā)生器5、光學環(huán)形器6、傳感光纖7以及上述斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置；所述測量裝置分別對應所述光學環(huán)形器和激光器設置。

優(yōu)選的，本發(fā)明布里淵光時域反射儀還包括第二分光器8，所述第二分光器8設置在所述激光器4的輸出端，分別與所述激光脈沖發(fā)生器5和所述測量裝置連接。

如圖3所示，本發(fā)明還提供一種布里淵頻移測量系統(tǒng)，可準確確定布里淵頻移值。具體地，本發(fā)明布里淵頻移測量系統(tǒng)包括上述斯托克斯光和反斯托克斯光的測量裝置；測量單元91和計算單元92。

其中，所述測量單元91分別與所述測量裝置的第一射頻90°混合耦合器2和第二射頻90°混合耦合器3連接，用于分別獲得stokes和anti-stokes光的頻率；所述計算單元92與所述測量單元91連接，用于根據所述stokes光和anti-stokes光的頻率確定布里淵頻移值。

進一步地，所述計算單元根據所述stokes和anti-stokes光的頻率確定布里淵頻移值具體包括：計算所述stokes光和anti-stokes光的頻率的平均值。

具體地，以icr1的c端口和d端口輸出的x偏振態(tài)電信號為例，則該電信號的x偏振態(tài)分量可被描述為：

a(t)＝aascos(ωast+θas)+ascos(ωst+θs)----------(1)；

其中aas和as分別為anti-stokes光和stokes光的幅度，ωas和ωs分別為anti-stokes光和stokes光的角頻率，θas和θs分別為anti-stokes光和stokes光的相位。從產生激光脈沖的激光器中經保偏耦合器輸出的一路連續(xù)波激光作為本振光輸入到icr1的b端口處，其x偏振態(tài)分量可被描述為：

b(t)＝alocos(ωlot+θlo)----------(2)；

其中alo、ωlo和θlo分別為本振光的幅度、角頻率和相位。經過icr1的光學混頻和光電轉換后，icr1在每個偏振態(tài)分量上輸出相互正交的i和q兩路電信號。假設x偏振態(tài)分量上的i和q兩路電信號分別從icr1的c和d端口輸出，則x偏振態(tài)分量的i電信號可表示為：

c(t)∝aloaassin[(ωas-ωlo)t+(θas-θlo)]-aloassin[(ωlo-ωs)t+(θlo-θs)]-------(3)；

而x偏振態(tài)分量的q電信號可表示為：

d(t)∝aloaascos[(ωas-ωlo)t+(θas-θlo)]+aloascos[(ωlo-ωs)t+(θlo-θs)]-------(4)；

當x偏振態(tài)分量的i和q兩路電信號被輸入到第一射頻90°混合耦合器2的兩個輸入端口時，在第一射頻90°混合耦合器的g端口的輸出為：

在第一射頻90°混合耦合器2的h端口輸出為：

可以看出，stokes光和anti-stokes光的x偏振態(tài)分量分別從第一射頻90°混合耦合器2的兩個輸出端口輸出。同樣的，對于stokes光和anti-stokes光的y偏振態(tài)分量經過icr1的e端口和f端口，并通過第二射頻90°混合耦合器3的j端口和k端口輸出。因此，實現了對stokes光和anti-stokes光的分離。

當stokes光和anti-stokes光被分離開后，通過測量單元91對stokes光和anti-stokes光的頻率分別進行測量。這時，分別測得的頻率是ωlo-ωs和ωas-ωlo。通過計算單元92計算這兩個頻率測量值的平均值作為布里淵頻移的測量值，也就是：

根據公式(7)可以看出，這個布里淵頻移的測量值ωb與激光器頻率ωlo無關，而只與stokes光和anti-stokes光的頻率有關，避免了激光器頻率漂移所帶來的影響，測量更加準確。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。