本发明专利技术属于分布式光纤传感监测技术领域，公开了一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器；窄线宽激光器发出的激光经分光器分为两束，一束依次经电光调制器、第一环形器、掺铒光纤放大器、光扰偏器后进入传感光纤，另一束依次经脉冲光放大器、光带通滤波器、第二环形器后从另一端进入传感光纤，传感光纤的输出信号经第二环形器、线阵CCD式棱镜光谱仪后被计算机接收；噪声源和微波信号源输出的信号经合路器后与电光调制器的射频输入端连接，光纤布拉格光栅滤波器与第一环形器的反射端连接。本发明专利技术可以快速解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小，进而实现动态应变的实时测量，解决了传统BOTDA系统中平均和扫频过程耗时的问题。
A scan free BOTDA device based on noise modulation
【技术实现步骤摘要】
一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置
本专利技术属于分布式光纤传感监测
，具体涉及一种基于噪声调制的免扫频快速BOTDA装置。
技术介绍
随着分布式光纤传感器在各大领域中的广泛应用，人们对传感器的测量性能提出了更高要求，例如，对快速动态应变的实时解调和测量，对超长距离温度或应变信息的高精度、快速监测等。目前，基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器主要有布里渊光时域分析传感器（BOTDA）和布里渊光相干域分析技术传感器（BOCDA）。其中，BOTDA传感器由于其测量距离长的优势成为一大研究热点，且发展相对成熟，但其在超长距离测量中采集数据量大，解调算法繁杂，导致耗时长；同时在快速动态应变的测量中，无法实现实时的传感和监测。考虑到传统BOTDA系统中，使用扫频法获得分布式布里渊增益谱，由于受限于电学调制信号的频率切换时间和切换步进，极大的延迟了采集时间（Diaz,S,FoalengMafang,S,Lopez-Amo,M,etal.AHigh-PerformanceOpticalTime-DomainBrillouinDistributedFiberSensor.IEEESensorsJournal,8(7):1268-1272.）。研究人员提出了多种避免对探测光扫频的方法，例如基于光学啁啾链技术的免扫频快速BOTDA技术，其中将多个光学啁啾脉冲段首尾串联作为探测光，与泵浦光发生受激布里渊散射效应，每个啁啾脉冲段内均可产生一个布里渊增益谱，从而可以快速获取光纤沿线的布里渊频移（DengwangZ,YongkangD,BenzhangW,etal.Single-shotBOTDAbasedonanopticalchirpchainprobewavefordistributedultrafastmeasurement.Light:Science&Applications,2018,7(4):296-306.）；基于数学光频梳技术的免扫频BOTDA，将多个功率相等的频梳分量加载到探测光上，与泵浦光通过受激布里渊散射效应产生的变化可由每个频梳分量直接反映，因此可实现光纤布里渊频移的快速获取（JinC,GuoN,FengY,etal.Scanning-freeBOTDAbasedonultra-finedigitalopticalfrequencycomb.OpticsExpress,2015,23(4):5277-5284.）。综上，以上两种实现免扫频的技术均是将探测光谱在时间域上进行展宽，在传感光纤中与单发的泵浦光发生受激布里渊散射效应产生一系列布里渊增益谱，进而实现沿线布里渊频移的快速提取，但其中对探测光的调制技术较为复杂。
技术实现思路
为了解决传统的BOTDA技术受频率切换、扫频个数等因素的限制，导致测量延迟且耗时长，无法实现快速动态应变的测量的问题，本专利技术提出了一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置及方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，包括窄线宽激光器、分光器、电光调制器、光纤布拉格光栅滤波器、第一光环行器、掺铒光纤放大器、光扰偏器、传感光纤、第二光环行器、合路器、噪声源、微波信号源、脉冲调制器、脉冲光放大器、光带通滤波器、线阵CCD式棱镜光谱仪、计算机；窄线宽激光器的输出端与分光器的输入端连接；分光器的第一输出端与电光调制器的输入端连接；噪声源和微波信号源的输出端分别与合路器的输入端连接；合路器的输出端与高速电光调制器的射频输入端连接；电光调制器的输出端与第一光环行器的输入端连接；光纤布拉格光栅的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器的反射端连接；第一光环行器的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器的输入端连接；掺铒光纤放大器的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器的输入端连接；光扰偏器的输出端通过单模光纤跳线与传感光纤的输入端连接；传感光纤的输出端与第二光环行器的反射端连接；分光器的第二输出端与脉冲调制器的输入端连接；脉冲调制器的输出端与脉冲光放大器的输入端连接；脉冲光放大器的输出端通过与光带通滤波器的输入端连接；光带通滤波器的输出端与第二光环行器的输入端连接；第二光环行器的输出端与线阵CCD式棱镜光谱仪的输入端连接；线阵CCD式棱镜光谱仪的输出端与计算机连接；其中脉冲调制器的触发输出端与计算机连接。所述的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，还包括偏振控制器和偏压控制器，所述偏振控制器设置在分光器的第一输出端与电光调制器之间，用于调节进入电光调制器中的的探测光的偏振状态，使得探测光经过电光调制器后的输出光功率达到最大；所述偏压控制器的输出端与所述电光调制器的偏压输入端连接。所述分光器为1x2光纤耦合器，所述窄线宽激光器、1x2光纤耦合器、偏振控制器、电光调制器与第一光环行器之间依次通过单模光纤跳线连接，1x2光纤耦合器、脉冲调制器、脉冲光放大器、光带通滤波器、第二光环行器、线阵CCD式棱镜光谱仪之间依次通过单模光纤跳线连接。所述噪声源输出的噪声信号的频率范围为10.6GHz~10.8GHz。所述脉冲调制器为程控可控脉冲调制器；所述计算机用于通过程序控制实现线阵CCD式棱镜光谱仪的数据采集过程与脉冲调制器触发同步。所述计算机用于根据线阵CCD式棱镜光谱仪采集到的受激布里渊增益谱，实时解调出传感光纤沿线温度或应变信息的位置和大小。本专利技术提供的一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置具有如下优点：1.本专利技术利用合路器实现噪声信号对探测光的同步调制，将探测光谱在频域上进行展宽，在传感光纤中与单发的泵浦光发生受激布里渊效应时无需扫频就能产生一系列完整的布里渊增益谱，可以快速的提取出光纤沿线的布里渊频移，与传统BOTDA技术中使用扫频法测量分布式布里渊增益谱的方法相比，避免了电学调制信号的频率切换时间和切换步进限制，从而可以实现快速动态应变的测量，同时可以极大地提高长距离温度或应变的测量效率；2.本专利技术通过合路器利用噪声信号对探测光进行同步调制，实现对光谱的展宽，与基于啁啾链的免扫频技术相比，避免了光学啁啾链调制中由于不同频率分量的振幅响应不均匀，会产生额外的噪声，进而提高测量精度；3.本专利技术中利用特定频段噪声信号对探测光信号调制，产生的是连续的宽谱探测光，所以其空间分辨率不受频率梳间隔和FFT的时间窗的限制，与基于光频梳的免扫频技术相比，可极大的提高系统空间分辨率。4.本专利技术相对于现有的免扫频技术，对探测光的调制机理上存在本质上的区别，现有技术中调制时是对探测光谱进行时间域上的展宽，而本专利技术是对探测光谱进行频域上的展宽。因此，现有的免扫频技术传感光纤某一位置的某一时刻泵浦光只与特定频率的探测光作用，而本专利技术中传感光纤某一位置的某一时刻泵浦光同时与特定频段的探测光作用，产生一系列完整的布里渊增益谱，从而极大缩减了整个待测光纤中的受激布里渊作用时间，实现更快的实时测量；同时由于调制技术简单，避免了现有免扫频技术中对探测光信号的复杂调制，简化了系统的复杂度。5.本专利技术采用线本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，包括窄线宽激光器（1）、分光器、电光调制器（5）、光纤布拉格光栅滤波器（6）、第一光环行器（7）、掺铒光纤放大器（8）、光扰偏器（9）、传感光纤（10）、第二光环行器（11）、合路器（12）、噪声源（13）、微波信号源（14）、脉冲调制器（15）、脉冲光放大器（16）、光带通滤波器（17）、线阵CCD式棱镜光谱仪（18）、计算机（19）；/n窄线宽激光器（1）的输出端与分光器的输入端连接；分光器的第一输出端与电光调制器（5）的输入端连接；噪声源（13）和微波信号源（14）的输出端分别与合路器（12）的输入端连接；合路器（12）的输出端与高速电光调制器（5）的射频输入端连接；电光调制器（5）的输出端与第一光环行器（7）的输入端连接；光纤布拉格光栅（6）的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器（7）的反射端连接；第一光环行器的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器（8）的输入端连接；掺铒光纤放大器（8）的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器（9）的输入端连接；光扰偏器（9）的输出端通过单模光纤跳线与传感光纤（10）的输入端连接；传感光纤（10）的输出端与第二光环行器（11）的反射端连接；/n分光器的第二输出端与脉冲调制器（15）的输入端连接；脉冲调制器的输出端（15）与脉冲光放大器（16）的输入端连接；脉冲光放大器（16）的输出端通过与光带通滤波器（17）的输入端连接；光带通滤波器（17）的输出端与第二光环行器（11）的输入端连接；第二光环行器（11）的输出端与线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的输入端连接；线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的输出端与计算机（19）连接；其中脉冲调制器（15）的触发输出端与计算机（19）连接。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于噪声调制的免扫频BOTDA装置，其特征在于，包括窄线宽激光器（1）、分光器、电光调制器（5）、光纤布拉格光栅滤波器（6）、第一光环行器（7）、掺铒光纤放大器（8）、光扰偏器（9）、传感光纤（10）、第二光环行器（11）、合路器（12）、噪声源（13）、微波信号源（14）、脉冲调制器（15）、脉冲光放大器（16）、光带通滤波器（17）、线阵CCD式棱镜光谱仪（18）、计算机（19）；
窄线宽激光器（1）的输出端与分光器的输入端连接；分光器的第一输出端与电光调制器（5）的输入端连接；噪声源（13）和微波信号源（14）的输出端分别与合路器（12）的输入端连接；合路器（12）的输出端与高速电光调制器（5）的射频输入端连接；电光调制器（5）的输出端与第一光环行器（7）的输入端连接；光纤布拉格光栅（6）的输出端通过单模光纤跳线与第一光环行器（7）的反射端连接；第一光环行器的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器（8）的输入端连接；掺铒光纤放大器（8）的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器（9）的输入端连接；光扰偏器（9）的输出端通过单模光纤跳线与传感光纤（10）的输入端连接；传感光纤（10）的输出端与第二光环行器（11）的反射端连接；
分光器的第二输出端与脉冲调制器（15）的输入端连接；脉冲调制器的输出端（15）与脉冲光放大器（16）的输入端连接；脉冲光放大器（16）的输出端通过与光带通滤波器（17）的输入端连接；光带通滤波器（17）的输出端与第二光环行器（11）的输入端连接；第二光环行器（11）的输出端与线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的输入端连接；线阵CCD式棱镜光谱仪（18）的输出端与计算机（19）连接；其中脉冲调制器（15）的触发输出端与计算机（19）...
【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，张倩，张明江，张建忠，乔丽君，高少华，赵婕茹，刘靖阳，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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