基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，该系统将激光器输出的激光信号分成两路，一路激光信号利用微波源进行调制形成探测光，利用第一滤波器滤除探测光的高频部分，随后将滤波后的探测光传输给传感光纤；另一路激光信号，首先采用任意波形发生器按照预设规则产生对应的输出波形，利用输出波形对该路激光信号进行调制，形成泵浦脉冲，基于受激布里渊散射，泵浦脉冲中部分能量转移到探测光中，随后对泵浦脉冲和探测光中的频差进行扫描，从而获得传感光纤的布里渊增益谱，拟合得到布里渊频移，由此可以减少布里渊光时域分析系统的测量时间，实现布里渊光时域的动态分析。

Dynamic Brillouin light time-domain analysis system based on pump pulse sweep

The present invention provides a dynamic pump pulse Brillouin optical time domain frequency sweep analysis system based on the system, the laser output signal is divided into two parts, a laser source modulation signal using microwave probe formed using the first filter, high frequency probe, then detect the filtered light transmission to the sensing fiber another way; the laser signal, the arbitrary waveform generator according to the preset rules to generate the corresponding output waveform, modulation of the laser signal by the output waveform, the formation of the pump pulse, stimulated Brillouin scattering based on cloth, part of the energy transferred to the pump pulse in optical detection, then the pump pulse and probe light. The frequency difference scanning to obtain the Brillouin gain spectrum of the fiber sensor, by fitting the Brillouin frequency shift, which can reduce the Brillouin optical time The measurement time of the system is analyzed, and the dynamic analysis of Brillouin light time domain is realized.

【技术实现步骤摘要】
基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统
本专利技术属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统。
技术介绍
分布式光纤传感是一种新型的传感技术，传感距离可以从几百米到上百公里。分布式光纤传感因具有抗电磁干扰、高的灵敏度以及长的传感距离等优点在石油管道监护、周界安放等领域得到了广泛的应用。分布式光纤传感中应用较广的一类是布里渊光时域分析系统，布里渊光时域分析时基于受激布里渊散射的一种分析方式。具体地，探测光和泵浦光分别在传感光纤的两端输入，当两束光的频差在传感光纤的布里渊增益谱范围内时，一部分泵浦光的能量就会转移到探测光。通过对两束光的频差进行扫描，就可以得到光纤的布里渊增益谱，从而拟合得到布里渊频移；由于传感光纤的布里渊频移与光纤受到的温度、应变呈线性关系，因此通过探测传感光纤的布里渊频移就可以测量光纤周围的温度和应变。然而，布里渊光时域分析的扫频是一个相对缓慢的过程，同时又需要多次测量平均以提高信噪比，因此布里渊光时域系统多用于静态探测。振动信号是健康监测、石油化工安全监测等领域获取有效信息的重要途径之一，因此传统的布里渊光时域分析系统不能满足日益增长的动态测量需求。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，以解决目前分布式光纤传感器无法进行动态测量的问题。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、微波源、任意波形发生器、第一滤波器、环形器和传感光纤，所述激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述耦合器的第一输出端连接所述第一电光调制器的第一输入端，所述第一电光调制器的第二输入端连接所述微波源，输出端通过所述第一滤波器与所述传感光纤的第一端连接；所述耦合器的第二输出端连接所述第二电光调制器的第一输入端，所述第二电光调制器的第二输入端连接任意波形发生器，输出端连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述传感光纤的第二端，所述环形器的第三端与分析处理装置连接；所述激光器通过所述耦合器将其输出的激光信号分成两路，其中一路激光信号传输至所述第一电光调制器，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成探测光，所述第一滤波器滤除所述探测光的高频部分并将滤波后的探测光传输给所述传感光纤的第一端；另一路激光信号传输至所述第二电光调制器，所述第二电光调制器根据所述任意波形发生器的输出波形，将该路激光信号调制成泵浦脉冲，并通过所述环形器将所述泵浦脉冲传输给所述传感光纤的第二端；所述传感光纤根据所述泵浦脉冲以及所述滤波后的探测光，基于受激布里渊散射对外界环境进行感测并通过所述环形器将感测信号传输给所述分析处理装置，由所述分析处理装置对所述感测信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤感测到的时域信息；所述任意波形发生器的输出波形包括长脉冲和短脉冲，且其波形根据所述长脉冲和短脉冲的预设脉冲宽度、相邻脉冲之间的预设时间间隔以及所述扫描的起始频率、频率扫描步长来决定。在一种可选的实现方式中，所述相邻脉冲之间的预设时间间隔由所述传感光纤的长度决定，其大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间。在另一种可选的实现方式中，所述扫描的起始频率大于两倍的所述传感光纤的布里渊增益谱带宽。在另一种可选的实现方式中，所述任意波形发生器的输出波形VAWG表示为：其中fi＝f0+(i-1)fstep，V0表示所述输出波形的初始幅值，rect()表示矩形函数，t表示所述输出波形的对应时间，τ1表示所述输出波形中长脉冲的脉冲宽度，τ2表示所述输出波形中短脉冲的脉冲宽度，Tin表示所述输出波形中两个相邻脉冲之间的预设时间间隔，f0表示所述扫描的起始频率，fstep表示频率扫描步长。在另一种可选的实现方式中，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成双边带信号，所述第一滤波器滤除所述双边带信号的上边带保留下边带并将滤波后的双边带信号传输给所述传感光纤的第一端，且该路微波信号的频率在此过程中保持不变。在另一种可选的实现方式中，还包括第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤的第一端之间，所述第二偏振控制器设置在所述第二电光调制器与所述传感光纤的第二端之间；所述第一偏振控制器和第二偏振控制器都用于对输入至所述传感光纤的信号的偏振状态进行调整，以使该信号能够输入到所述传感光纤的慢轴。在另一种可选的实现方式中，还包括第一光放大器和第二光放大器，所述第一光放大器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤的第一端之间，所述第二光放大器设置在所述第二电光调制器与所述传感光纤的第二端之间；所述第一光放大器和第二光放大器都用于对输入至所述传感光纤的信号进行放大。在另一种可选的实现方式中，还包括隔离器，所述隔离器设置在所述第一电光调制器与所述传感光纤之间。在另一种可选的实现方式中，所述第二电光调制器输出的泵浦脉冲表示为：其中E0是第二电光调制器输入光场的复振幅，Ac为由于第二电光调制器有限消光比和偏置点漂移导致的残余载波的幅值。J2n+1是第一类贝塞尔函数，C＝πVAWG/2Vπ是调制系数，Vπ是第二电光调制器的半波电压，假设C较小，则只有一阶边带保留，高阶边带可以忽略。在另一种可选的实现方式中，所述第二电光调制器用于根据所述任意波形发生器的输出波形，对该路激光信号进行频移并将其转换为脉冲形式的泵浦脉冲，所述传感光纤为保偏光纤。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术针对微波源扫频速度较慢的特点(频率跳变时间在ms量级)，利用固定频率的微波信号通过电光调制器进行调制，产生低于泵浦光布里渊频移的探测光信号。同时，利用任意波形发生器扫频速度快的特点(频率跳变时间在ns量级)，对泵浦脉冲进行频率调制，只需要几百兆赫兹左右带宽的任意波形发生器就可以对泵浦—探测光之间的频差进行扫描，大大减少了对高带宽任意波形发生器及矢量微波信号发生器的需求，降低了成本。同时利用任意波形发生器产生的脉冲微波信号通过电光调制器对泵浦光进行调制，只需要一个电光调制器就将泵浦光转换成脉冲形式并进行移频，在降低了成本的同时还减小了泵浦光的损耗；2、本专利技术通过采用保偏光纤以抑制布里渊光时域分析系统中的偏振衰落现象，与传统采用扰偏器的方法相比，可以有效的降低信号采集时的平均次数，提高信噪比，提升系统的动态响应能力。3、本专利技术采用了差分脉冲对技术以提高布里渊光时域分析系统的空间分辨率。通过向传感光纤先后注入脉冲宽度差为纳秒级别的脉冲对，将系统的空间分辨率提高到厘米级，使得系统在具有高动态响应能力的同时具有较高的空间分辨率。附图说明图1是本专利技术基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的一个实施例结构示意图；图2是本专利技术基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统的另一个实施例结构示意图；图3是第二电光调制器输出的泵浦脉冲的波形图；图4是230米传感光纤实验测得的探测光频移—距离—功率分布图；图5是拉伸光纤处的布里渊频移分布图；图6是拉伸光纤处未施加振动时，布里渊增益谱随时间的变化情况示意图；图7是拉伸光纤处施加振动时布里渊增益谱随时间的变化情况示意图。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、微波源、任意波形发生器、第一滤波器、环形器和传感光纤，所述激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述耦合器的第一输出端连接所述第一电光调制器的第一输入端，所述第一电光调制器的第二输入端连接所述微波源，输出端通过所述第一滤波器与所述传感光纤的第一端连接；所述耦合器的第二输出端连接所述第二电光调制器的第一输入端，所述第二电光调制器的第二输入端连接任意波形发生器，输出端连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述传感光纤的第二端，所述环形器的第三端与分析处理装置连接；所述激光器通过所述耦合器将其输出的激光信号分成两路，其中一路激光信号传输至所述第一电光调制器，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成探测光，所述第一滤波器滤除所述探测光的高频部分并将滤波后的探测光传输给所述传感光纤的第一端；另一路激光信号传输至所述第二电光调制器，所述第二电光调制器根据所述任意波形发生器的输出波形，将该路激光信号调制成泵浦脉冲，并通过所述环形器将所述泵浦脉冲传输给所述传感光纤的第二端；所述传感光纤根据所述泵浦脉冲以及所述滤波后的探测光，基于受激布里渊散射对外界环境进行感测并通过所述环形器将感测信号传输给所述分析处理装置，由所述分析处理装置对所述感测信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤感测到的时域信息；所述任意波形发生器的输出波形包括长脉冲和短脉冲，且其波形根据所述长脉冲和短脉冲的预设脉冲宽度、相邻脉冲之间的预设时间间隔以及所述扫描的起始频率、频率扫描步长来决定。...

【技术特征摘要】
1.一种基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，包括激光器、耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、微波源、任意波形发生器、第一滤波器、环形器和传感光纤，所述激光器的输出端与所述耦合器的输入端连接，所述耦合器的第一输出端连接所述第一电光调制器的第一输入端，所述第一电光调制器的第二输入端连接所述微波源，输出端通过所述第一滤波器与所述传感光纤的第一端连接；所述耦合器的第二输出端连接所述第二电光调制器的第一输入端，所述第二电光调制器的第二输入端连接任意波形发生器，输出端连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述传感光纤的第二端，所述环形器的第三端与分析处理装置连接；所述激光器通过所述耦合器将其输出的激光信号分成两路，其中一路激光信号传输至所述第一电光调制器，所述第一电光调制器根据所述微波源提供的微波信号，将该路激光信号调制成探测光，所述第一滤波器滤除所述探测光的高频部分并将滤波后的探测光传输给所述传感光纤的第一端；另一路激光信号传输至所述第二电光调制器，所述第二电光调制器根据所述任意波形发生器的输出波形，将该路激光信号调制成泵浦脉冲，并通过所述环形器将所述泵浦脉冲传输给所述传感光纤的第二端；所述传感光纤根据所述泵浦脉冲以及所述滤波后的探测光，基于受激布里渊散射对外界环境进行感测并通过所述环形器将感测信号传输给所述分析处理装置，由所述分析处理装置对所述感测信号进行扫频，以动态分析所述传感光纤感测到的时域信息；所述任意波形发生器的输出波形包括长脉冲和短脉冲，且其波形根据所述长脉冲和短脉冲的预设脉冲宽度、相邻脉冲之间的预设时间间隔以及所述扫描的起始频率、频率扫描步长来决定。2.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述相邻脉冲之间的预设时间间隔由所述传感光纤的长度决定，其大于2倍所述泵浦脉冲在所述传感光纤中的传输时间。3.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述扫描的起始频率大于两倍的所述传感光纤的布里渊增益谱带宽。4.根据权利要求1所述的基于泵浦脉冲扫频的动态布里渊光时域分析系统，其特征在于，所述任意波形发生器的输出波形VAWG表示为：其中fi＝f0+(i-1)fstep，V0表示所述输出波形的初始幅值，rect()表示矩形函数，t表示所述输出波形的对应时间，τ1表示所述输出波形中长脉冲的脉冲宽度，τ2表示所述输出波形中短脉冲的脉冲宽度，Tin表示所述输出波...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱涛，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50