一种BOTDR系统及提升该系统寿命的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种BOTDR系统及提升该系统寿命的方法，BOTDR系统包括光源模块、第一耦合器、电光调制模块、脉冲发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光偏振扰动模块、第二耦合器、第三耦合器、第一光探测模块、扫频模块、信号处理模块、第二光探测模块、反馈模块和电流控制模块。本发明专利技术通过增加反馈模块，利用不同入纤功率分次测量整条传感光纤的不同部分，并在远离光源光纤段的测量过程中刻意令靠近光源入射端的光纤段产生受激布里渊散射现象，通过对分次测量结果的分别拟合和整体拼接，得到整条传感光纤的有效布里渊峰值频率谱线。本发明专利技术解决了因辐射引起的损耗增大而导致的测量距离减少的问题，增加了BOTDR系统在空间辐射环境下的使用寿命。

A BOTDR system and a method to improve the life of the system

The invention discloses a method for BOTDR system and improve the system of life, the BOTDR system includes a light source module, a first coupler, electro-optic modulation module, pulse generator module, pulse amplification module, optical circulator, optical polarization disturbance module, second couplers, third couplers, the first light detection module, signal processing module, frequency sweep second optical module, detection module, feedback module and current control module. By adding the feedback module, different parts of the whole measurement sensing fiber with different input power, and in the process of measurement, away from the light source fiber segment to make close to the optical section incident light end of the stimulated Brillouin scattering phenomenon, through several times the measurement results were fitted and the whole assembly, effective Brillouin the peak frequency of the whole optical fiber sensor obtained spectral line. The invention solves the problem of reducing the measurement distance caused by the increase of radiation loss, and increases the service life of the BOTDR system under the space radiation environment.

【技术实现步骤摘要】
一种BOTDR系统及提升该系统寿命的方法
本专利技术属于分布式光纤传感器
，特别涉及了一种BOTDR系统及提升该系统寿命的方法。
技术介绍
布里渊光时域反射技术(BOTDR)是一种分布式光纤传感技术，其原理基于自发布里渊散射。系统光源从光纤的一端射入脉冲光，并从同一端探测脉冲光的背向自发布里渊散射谱。通过分析该谱线可获得光纤上的传感信息。布里渊散射是由光纤中的光场和其诱导的声场的相互作用引起的，布里渊散射光相对于入射光有一个频率上的偏移，被称作布里渊频移。而BOTDR则利用该布里渊频移分析传感信息：布里渊频移与光纤温度和所受的应变有关，且频移大小与光纤的温度变化及所受的轴向应变成正比关系。随着航天领域科学技术的逐步发展，恶劣的空间环境下航天器件的监测保护也越来越得到重视。然而，传统的传感技术手段却难以满足该领域对航天器材轻量化的要求。BOTDR技术具有抗电磁干扰，重量轻，误差小，分辨率高，布设简单，成本低廉等优点。其最早应用于航天领域，在发达国家陆续应用于电力、通讯、工程等方向的监测。从九十年代起，我国就开始进行光纤传感技术的应用研究。而在所有分布式光纤传感技术中，BOTDR凭借其能测量温度、应变和其他多种物理量，同时还具有空间分辨率高、传感距离远等优势，能及时发现大规模结构中的问题和隐患，因而被广泛运用在安全性监测中。在宇宙恶劣的辐射环境下，电离辐射产生辐射效应对BOTDR系统影响，可通过对光电器件的加固来改善，但光纤作为BOTDR系统的传感部件必须长时间暴露在辐射环境下。在辐射的影响下，光纤内部会产生色心，这会对光纤的传感能力产生一定影响，比较明显的影响就是损耗的增加。虽然可以通过增加探测光的脉冲宽度或功率的方法来提高入纤光信号的能量，从而增加系统的传感范围，但是增大光脉冲的宽度会导致系统的空间分辨率下降；而对于提高入纤光功率，受限于布里渊受激阈值的存在，当探测光功率小于布里渊受激阈值时，布里渊后向散射光的能量与探测光的能量呈线性关系。当探测光功率超过受激布里渊受激阈值时，探测光能量转移至布里渊斯托克斯光，使布里渊斯托克斯光的能量增大，而探测光能量会迅速衰减，最终导致系统的动态范围下降。因此迫切需要研究提出一种提高BOTDR在辐射环境下使用寿命的方法。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种BOTDR系统及提升该系统寿命的方法，解决因空间辐射环境导致光纤产生色心效应，而使传感光纤的传输损耗增大，BOTDR系统传感距离减小。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种工作于空间辐射环境下的BOTDR系统，包括光源模块、第一耦合器、电光调制模块、脉冲发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光偏振扰动模块、第二耦合器、第三耦合器、第一光探测模块、扫频模块、信号处理模块、第二光探测模块、反馈模块和电流控制模块；光源模块发出连续光，第一耦合器将该连续光分成能量不等的两路连续光，其中能量较高的一路连续光输入电光调制模块，能量较低的一路连续光作为相干本振光输入光偏振扰动模块，电光调制模块根据脉冲发生模块产生的脉冲电信号将输入的连续光调制成脉冲光信号，该脉冲光信号经光脉冲放大模块放大后注入光纤，通过环形器获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号，第二耦合器将环形器输出的后向布里渊散射光信号与光偏振扰动信号模块输出的随机分布的本振光信号进行耦合相干，输出布里渊散射光信号，第三耦合器将该布里渊散射光信号分成能量不等的两路光信号，其中能量较高的光信号经第一光探测模块的光电转换后得到布里渊散射电信号，再经扫频模块扫频、信号处理模块滤波放大，获得对应的后向布里渊散射电信号，另一路能量较低的光信号经第二光探测模块输入反馈模块，反馈模块通过控制电流控制模块实现对光源模块发出的光源信号功率的控制。进一步地，所述反馈模块的工作过程如下：(a)在光源功率未提升时，获取分割点A：布里渊散射谱的功率随距离增加而减少，当某位置处布里渊散射谱的功率接近本底噪声功率，即无法正常通过洛伦兹拟合时，将此位置标记为A；(b)控制光源电流来提升光源功率，并在该过程中，判断A点是否发生受激：若A点产生受激现象，则A点附近的功率不是按固定衰减系数衰减，而是产生剧烈的抖动，当A点发生受激现象后，需要回调光源功率直到A点不产生受激；(c)提升光源功率后，判断待测距离的最远点B是否存在有效的布里渊散射信号：若B处的信号功率没有被噪声淹没，即能够正确进行洛伦兹拟合，则表示此时B处存在有效传感信号。进一步地，第一耦合器将光源模块发出的连续光分成能量比为9:1的两路连续光。进一步地，第三耦合器将输入的布里渊散射光信号分成能量比为95:5的两路光信号。进一步地，所述第一光探测模块采用APD雪崩二极管。一种提升上述BOTDR系统寿命的方法，包括以下步骤：(1)利用BOTDR系统获取分割点A及第一段光纤的光谱：设O点为光纤的信号入射端，探测光脉冲的功率为P0，B点为要求探测的最远端，初始光源功率P0要在保证不产生受激现象的前提下尽可能提升，以提升传感效果；在辐射前系统的最大探测范围为OC，当系统受到辐射后，传感光纤的损耗会增加，导致系统接收不到B点有效的布里渊散射信号，此时先保持入射光功率P0不变，记录此时能够获得有效布里渊散射信号的最远点A，同时获取OA段光纤的背向布里渊散射谱线；(2)对步骤(1)中得到的OA段光纤的布里渊散射谱线进行拟合处理，从而得到该段光纤的布里渊峰值频率；(3)提升入射光信号功率，获取A点之后第二段光纤的光谱：逐渐提升光源功率，直到能够保证：点A处不产生受激布里渊散射，且B点处存在有效的布里渊散射信号；此时停止提升光源功率，并利用该功率使用BOTDR系统测量，获得A点和B点之间纤段的有效传感数据；(4)对步骤(3)中得到的AB光纤段的背向布里渊散射谱线进行拟合处理，从而得到该段光纤的布里渊谱线的峰值频率；(5)对步骤(2)和步骤(4)中得到的布里渊谱线的峰值频率进行拼接处理，从而得到整段传感光纤OB的布里渊峰值频率信息；(6)回调光源功率至原功率P0，返回步骤(1)。进一步地，在步骤(3)中，如果提升光源功率后，OA段光纤也未发生受激现象，则可用提升功率后的全段光纤OB的布里渊散射谱线进行峰值频率的测量。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术通过在传统的BOTDR系统中添加反馈模块，利用不同的入纤功率分次测量整条传感光纤的不同部分，并在远离光源光纤段的测量过程中刻意令靠近光源入射端的光纤段产生受激布里渊散射现象。通过对分次测量结果的分别拟合和整体拼接，从而得到整条传感光纤的有效布里渊峰值频率谱线，根据布里渊频移与温度或者应变的关系实现对温度或者应变的传感。附图说明图1是本专利技术的系统组成框图；图2是光纤衰减随辐射剂量变换的示意图；图3是布里渊谱功率和传感距离的关系示意图；图4是提升入射光信号功率的示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。图1是本专利技术的BOTDR系统结构示意图，包括光源模块、第一耦合器、光偏振扰动模块、电光调制模块、脉冲发生模块、光脉冲放大模块、环形器、第二耦合器、第一光探测模块、扫频模块、信号处理模块、第三耦合器、第二光探测模块、反馈模块和电流控制模块，其中光源模块与第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工作于空间辐射环境下的BOTDR系统，其特征在于：包括光源模块、第一耦合器、电光调制模块、脉冲发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光偏振扰动模块、第二耦合器、第三耦合器、第一光探测模块、扫频模块、信号处理模块、第二光探测模块、反馈模块和电流控制模块；光源模块发出连续光，第一耦合器将该连续光分成能量不等的两路连续光，其中能量较高的一路连续光输入电光调制模块，能量较低的一路连续光作为相干本振光输入光偏振扰动模块，电光调制模块根据脉冲发生模块产生的脉冲电信号将输入的连续光调制成脉冲光信号，该脉冲光信号经光脉冲放大模块放大后注入光纤，通过环形器获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号，第二耦合器将环形器输出的后向布里渊散射光信号与光偏振扰动信号模块输出的随机分布的本振光信号进行耦合相干，输出布里渊散射光信号，第三耦合器将该布里渊散射光信号分成能量不等的两路光信号，其中能量较高的光信号经第一光探测模块的光电转换后得到布里渊散射电信号，再经扫频模块扫频、信号处理模块滤波放大，获得对应的后向布里渊散射电信号，另一路能量较低的光信号经第二光探测模块输入反馈模块，反馈模块通过控制电流控制模块实现对光源模块发出的光源信号功率的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种工作于空间辐射环境下的BOTDR系统，其特征在于：包括光源模块、第一耦合器、电光调制模块、脉冲发生模块、光脉冲放大模块、环形器、光偏振扰动模块、第二耦合器、第三耦合器、第一光探测模块、扫频模块、信号处理模块、第二光探测模块、反馈模块和电流控制模块；光源模块发出连续光，第一耦合器将该连续光分成能量不等的两路连续光，其中能量较高的一路连续光输入电光调制模块，能量较低的一路连续光作为相干本振光输入光偏振扰动模块，电光调制模块根据脉冲发生模块产生的脉冲电信号将输入的连续光调制成脉冲光信号，该脉冲光信号经光脉冲放大模块放大后注入光纤，通过环形器获得沿光纤分布的后向布里渊散射光信号，第二耦合器将环形器输出的后向布里渊散射光信号与光偏振扰动信号模块输出的随机分布的本振光信号进行耦合相干，输出布里渊散射光信号，第三耦合器将该布里渊散射光信号分成能量不等的两路光信号，其中能量较高的光信号经第一光探测模块的光电转换后得到布里渊散射电信号，再经扫频模块扫频、信号处理模块滤波放大，获得对应的后向布里渊散射电信号，另一路能量较低的光信号经第二光探测模块输入反馈模块，反馈模块通过控制电流控制模块实现对光源模块发出的光源信号功率的控制。2.根据权利要求1所述工作于空间辐射环境下的BOTDR系统，其特征在于：所述反馈模块的工作过程如下：(a)在光源功率未提升时，获取分割点A：布里渊散射谱的功率随距离增加而减少，当某位置处布里渊散射谱的功率接近本底噪声功率，即无法正常通过洛伦兹拟合时，将此位置标记为A；(b)控制光源电流来提升光源功率，并在该过程中，判断A点是否发生受激：若A点产生受激现象，则A点附近的功率不是按固定衰减系数衰减，而是产生剧烈的抖动，当A点发生受激现象后，需要回调光源功率直到A点不产生受激；(c)提升光源功率后，判断待测距离的最远点B是否存在有效的布里渊散射信号：若B处的信号功率没有被噪声淹没，即能够正确进行洛伦兹拟合，则表示此时B处存在有效传感信号。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李密，张艺卓，宋跃江，张旭苹，张宇昊，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32