一種亞毫米空間分辨率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)，具體是一種亞毫米空間分辨率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，并且能實現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的同時測量，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，存在傳感距離嚴(yán)重受限、空間分辨率低的問題，具體闡述如下:一方面，該裝置及其測量方法是基于傳感光纖中的自發(fā)布里淵散射過程實現(xiàn)的，由于傳感光纖中的自發(fā)布里淵散射產(chǎn)生的斯托克斯光信號功率比較低，導(dǎo)致其傳感距離會受到嚴(yán)重限制。另一方面，在該裝置及其測量方法中，散射回的斯托克斯光信號相對于作為參考信號的混沌激光信號，其光譜寬度產(chǎn)生了明顯窄化，導(dǎo)致其空間分辨率大幅降低。
[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、傳感距離嚴(yán)重受限、空間分辨率低的問題。

【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、傳感距離嚴(yán)重受限、空間分辨率低的問題，提供了一種亞毫米空間分辨率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)方案實現(xiàn)的:一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置，包括混沌激光器、I X 2光纖耦合器、高速電光調(diào)制器、微波信號源、第一光放大器、光隔離器、光擾偏器、可變光延遲線、低速電光調(diào)制器、第二光放大器、光環(huán)行器、傳感光纖、光電探測器、鎖相放大器、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)；
其中，混沌激光器的出射端與1X2光纖耦合器的入射端連接；
1X2光纖耦合器的第一個出射端通過單模光纖跳線與高速電光調(diào)制器的入射端連接；高速電光調(diào)制器的出射端通過單模光纖跳線與第一光放大器的入射端連接；微波信號源的信號輸出端與高速電光調(diào)制器的信號輸入端連接；第一光放大器的出射端通過單模光纖跳線與光隔離器的入射端連接；光隔離器的出射端通過單模光纖跳線與光擾偏器的入射端連接；光擾偏器的出射端與傳感光纖的一端連接；
1X2光纖耦合器的第二個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低速電光調(diào)制器的入射端連接；低速電光調(diào)制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另一端連接；光環(huán)行器的出射端通過單模光纖跳線與光電探測器的入射端連接；光電探測器的信號輸出端與鎖相放大器的信號輸入端連接；鎖相放大器的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端連接；信號發(fā)生器的信號輸出端分別與低速電光調(diào)制器的信號輸入端和鎖相放大器的參考信號端連接；數(shù)據(jù)采集卡的信號輸出端與計算機(jī)的信號輸入端連接。
[0008]—種亞暈米空間分辨率的分布式光纖傳感方法(該方法在本發(fā)明所述的一種亞_米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置中實現(xiàn))，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的:
a.混沌激光器發(fā)出的混沌激光信號經(jīng)1X2光纖耦合器分為兩路:第一路混沌激光信號作為探測光信號，第二路混沌激光信號作為栗浦光信號；探測光信號先經(jīng)過高速電光調(diào)制器，并被微波信號源輸出的正弦信號調(diào)制，使得探測光信號的頻移接近于布里淵頻移，然后依次經(jīng)第一光放大器、光隔離器、光擾偏器進(jìn)行放大、隔離、擾偏后進(jìn)入傳感光纖；栗浦光信號先經(jīng)可變光延遲線進(jìn)行延遲，然后經(jīng)過低速電光調(diào)制器，并被信號發(fā)生器輸出的方波信號調(diào)制，而后依次經(jīng)第二光放大器、光環(huán)行器進(jìn)行放大、環(huán)行后進(jìn)入傳感光纖；
b.探測光信號和栗浦光信號在傳感光纖中的某一位置處發(fā)生受激布里淵散射作用，由此產(chǎn)生斯托克斯光信號；斯托克斯光信號和栗浦光信號發(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)光環(huán)行器進(jìn)行環(huán)行后進(jìn)入光電探測器，并經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號；電信號經(jīng)過鎖相放大器，并被信號發(fā)生器輸出的方波信號鎖相放大，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計算機(jī)，并經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行分析，由此得到探測光信號和栗浦光信號在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射作用的位置處的溫度和應(yīng)變信息；通過可變光延遲線可以調(diào)節(jié)栗浦光信號的光程，使得探測光信號和栗浦光信號在傳感光纖中的不同位置處發(fā)生受激布里淵散射作用，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)明所述的一種亞暈米空間分辨率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)明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法是利用混沌激光信號進(jìn)行分布式光纖傳感檢測，由于混沌激光信號是一種低相干態(tài)的激光信號，只能和其完全復(fù)制的光信號產(chǎn)生相干作用，因此本發(fā)明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法的空間分辨率僅由混沌激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)明所述的一種亞毫米空間分辨率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傳感光纖中的受激布里淵散射過程實現(xiàn)的，由于傳感光纖中的受激布里淵散射產(chǎn)生的斯托克斯光信號相對于自發(fā)布里淵散射產(chǎn)生的斯托克斯光信號功率更高，使得傳感距離得到了極大擴(kuò)展。另一方面，在該裝置及方法中，由于斯托克斯光信號和栗浦光信號之間的干涉拍頻過程和受激布里淵散射過程同時進(jìn)行，不僅使得斯托克斯光信號在傳輸過程中其光譜不會受到光纖傳輸特性的影響，而且使得斯托克斯光信號的光譜寬度不會產(chǎn)生窄化現(xiàn)象，由此使得空間分辨率得到了大幅提高(試驗表明，本發(fā)明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法的傳感距離可達(dá)到幾百公里，空間分辨率可達(dá)到亞毫米量級)。
[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、傳感距離嚴(yán)重受限、空間分辨率低的問題，適用于分布式光纖傳感領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖中:1-混沌激光器，2-1X2光纖耦合器，3-高速電光調(diào)制器，4-微波信號源，5-第一光放大器，6-光隔離器，7-光擾偏器，8-可變光延遲線，9-低速電光調(diào)制器，10-第二光放大器，11