多点并行的高速混沌布里渊动态应变监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及分布式光纤传感领域，公开了一种多点并行的高速混沌布里渊动态应变监测装置及方法，装置包括宽带混沌激光源，宽带混沌激光源用于输出强周期宽带混沌激光，宽带混沌激光经分束器分为两束，一束作为探测光依次经单边带调制器、掺铒光纤放大器、可编程光延迟发生器后入射到传感光纤的一端；另一束作为泵浦光依次经半导体光放大器、脉冲光放大器后入射至传感光纤的另一端；从传感光纤另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器滤除斯托克斯光后被光电探测器探测，探测信号由数据采集单元采集，然后发送至计算机进行数据处理。本发明专利技术可以实现多点并行监测，可实现长距离高分辨率兼顾的大范围动态应变实时监测。

【技术实现步骤摘要】
多点并行的高速混沌布里渊动态应变监测装置及方法
本专利技术涉及分布式光纤传感领域，具体是一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置及方法。
技术介绍
隧道、桥梁、油气管道等大型民用基础设施的快速建设，电网、光网的大范围覆盖，为建设智慧城市提供有利条件的同时也对传感监测技术提出了更高的要求。分布式光纤传感由于体积小、质量轻、抗高温高压、抗电磁干扰等优点已经从众多传感监测技术中脱颖而出。为进一步推动社会可持续发展，避免巨大经济损失、保障人民生命财产安全，分布式光纤传感对动态监测技术的需求日渐上升。分布式光纤传感技术根据散射类型主要分为基于瑞利散射的分布式光纤传感、基于拉曼散射分布式光纤传感和基于布里渊散射分布式光纤传感。相比于其他两种技术，基于布里渊散射的传感系统可以实现光纤沿线温度和应变信息的同时监测，且测量精度高、距离长、空间分辨率高，因此其成为实现动态参量测量的一大研究热点。目前，研究人员已经通过快速扫描探测光频率解调布里渊增益谱，实现了分布式布里渊动态应变测量。例如：免扫频的布里渊光时域分析技术（A.Voskoboinik,etal.,Opt.Express2011,19(26):B842-B847,）以及快速捷变频的布里渊光时域分析技术（Y.Peled,etal.,Opt.Express2012,20(8):8584-8591,）。然而，上述技术使用高性能的任意波形发生器实现光波频率的快速切换，成本高不利于实际应用，且布里渊光时域系统利用光脉冲信号激发声波场，实现光纤沿线应变的定位和提取，受光纤声学声子寿命（10ns）的限制，空间分辨率难以突破1m。相比之下布里渊光相关域分析（BOCDA）技术利用连续光进行应变测量，空间分辨率可达厘米量级。例如：基于混沌激光的单斜率辅助BOCDA技术（Y.H.Wang,etal.,Opt.Lett.2020,45(7):1822-1825,）以及基于双斜率辅助的BOCDA技术（B.Wang,etal.,J.LightwaveTechnol.2019,37(18):4573-4583,）。动态应变实时转化为探测光功率的变化，装置简单、成本低廉、适应性强，然而系统通过控制单个相关峰来实现光纤沿线应变信息的定位，致使每次只能对光纤上一点进行测量，难以满足长距离高速动态应变测量需求。现有技术中，基于正弦调制结合时域数据处理的BOCDA技术中，相关峰的位置由正弦调制频率控制以实现传感位置的随机访问。通过改变调制频率，扫描各个相关峰的位置，对整个传感光纤（FUT）进行分布式测量。由于调制频率变化会引起各相关峰间距的改变，因此相关峰位置偏移量不是恒定的，其随相关峰阶数的增加而增加。这一特性会引入位置扫描误差，系统定位精度差，空间分辨率恶化。传统基于混沌光的传感技术，例如一种混沌布里渊光时域/相干域融合分析装置及方法（中国专利技术专利，ZL201710848003.4），基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法（中国专利技术专利，ZL201810408414.6），采用传统混沌激光（具有弱周期，时延特征信号弱）作为光源，传感光纤中仅存在唯一相关峰，只能实现光纤中的单点定位及测量，若要实现分布式测量则需要使单个相关峰扫描整个光纤，此过程相当耗时，难以实现高速的分布式动态应变测量。此外，时序信号的弱周期会在中心相关峰附近引入时延旁瓣峰，导致光纤中延迟时间相应位置激发产生周期性的本征布里渊增益（非峰值放大），该增益与中心相关峰位置处的增益共同作用于布里渊增益谱，使最终测得的布里渊增益谱在大应变情况下产生双峰，破坏了增益谱的线性区，动态应变范围受到极大的限制。因此，需要专利技术一种新的布里渊分布式动态应变测量技术，实现高空间分辨率，长距离，多点并行监测的高速动态应变测量。
技术实现思路
为了解决现有动态应变测量技术无法实现多点实时监测与高空间分辨率兼顾的问题，本专利技术是提供了一种多点并行的高速混沌布里渊动态应变监测装置及方法，旨在解决布里渊光相干域分析系统中仅能对单点进行测量导致的扫描慢、耗时长的问题，满足当前对分布式传感高分辨率、长距离、大动态范围、实时快速的应用需求。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，包括宽带混沌激光源，所述宽带混沌激光源用于输出强周期宽带混沌激光，所述宽带混沌激光经分束器分为两束，一束作为探测光依次经单边带调制器、掺铒光纤放大器、可编程光延迟发生器后入射到传感光纤的一端；另一束作为泵浦光依次经半导体光放大器、脉冲光放大器后入射至所述传感光纤的另一端；从传感光纤另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器滤除斯托克斯光后被所述光电探测器探测，探测信号由数据采集单元采集，然后发送至计算机进行数据处理；所述单边带调制器用于对所述探测光进行单边带调制，使其与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱线性区的上升沿或下降沿，所述可编程光延迟发生器用于调节探测光的光程；所述半导体光放大器用于将所述泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间τ的脉冲光。所述的一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，还包括宽带微波信号源和脉冲信号发生器，所述脉冲信号发生器用于驱动所述半导体光放大器，所述宽带微波信号源用于驱动所述单边带调制器。所述的一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，还包括光扰偏器、光隔离器和光环行器，所述光扰偏器和光隔离器设置在掺铒光纤放大器和传感光纤的一端之间；所述光环行器的第一端口与脉冲光放大器的输出端连接，第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口输出信号经所述可调谐光滤波器入射至光电探测器。所述分束器为1×2光纤耦合器，所述所述宽带混沌激光源1）的输出端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端通过单模光纤跳线与单边带调制器的输入端连接；单边带调制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光隔离器的输入端连接；光隔离器的输出端与传感光纤一端连接；1×2光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器的输入端连接；半导体光放大器的输出端通过单模光纤跳线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单模光纤跳线与光环行器的第一端口端连接；光环行器的第二端口与传感光纤的另一端连接，第三端口通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器的输入端连接；可调谐光滤波器的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器的输入端连接。所述宽带混沌激光源用于输出-3dB光谱线宽大于5GHz、-3dB功率谱带宽大于10GHz，的强周期宽带混沌激光，所述脉冲信号发生器的型号为Agilent-81150A，所述半导体光放大器为OAM-SOA-PL型高消光比半导体光放大器，传感光纤采用G652单模光纤或G655单模光纤。6、一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将同一激光器输出的强周期宽带混沌激光分为两束，分别作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，其特征在于，包括宽带混沌激光源（1），所述宽带混沌激光源（1）用于输出强周期宽带混沌激光，所述宽带混沌激光经分束器（2）分为两束，一束作为探测光依次经单边带调制器（3）、掺铒光纤放大器（5）、可编程光延迟发生器（6）后入射到传感光纤（13）的一端；另一束作为泵浦光依次经半导体光放大器（9）、脉冲光放大器（11）后入射至所述传感光纤（13）的另一端；从传感光纤（13）另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器（14）滤除斯托克斯光后被光电探测器（15）探测，探测信号由数据采集单元（16）采集，然后发送至计算机（17）进行数据处理；/n所述单边带调制器（3）用于对所述探测光进行单边带调制，使其与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱线性区的上升沿或下降沿，所述可编程光延迟发生器（6）用于调节探测光的光程；所述半导体光放大器（9）用于将所述泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间τ的脉冲光。/n

【技术特征摘要】
1.一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，其特征在于，包括宽带混沌激光源（1），所述宽带混沌激光源（1）用于输出强周期宽带混沌激光，所述宽带混沌激光经分束器（2）分为两束，一束作为探测光依次经单边带调制器（3）、掺铒光纤放大器（5）、可编程光延迟发生器（6）后入射到传感光纤（13）的一端；另一束作为泵浦光依次经半导体光放大器（9）、脉冲光放大器（11）后入射至所述传感光纤（13）的另一端；从传感光纤（13）另一端输出的光信号，经可调谐光滤波器（14）滤除斯托克斯光后被光电探测器（15）探测，探测信号由数据采集单元（16）采集，然后发送至计算机（17）进行数据处理；
所述单边带调制器（3）用于对所述探测光进行单边带调制，使其与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱线性区的上升沿或下降沿，所述可编程光延迟发生器（6）用于调节探测光的光程；所述半导体光放大器（9）用于将所述泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间τ的脉冲光。


2.根据权利要求1所述的一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，其特征在于，还包括宽带微波信号源（4）和脉冲信号发生器（10），所述脉冲信号发生器（10）用于驱动所述半导体光放大器（9），所述宽带微波信号源（4）用于驱动所述单边带调制器（3）。


3.根据权利要求2所述的一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，其特征在于，还包括光扰偏器（7）、光隔离器（8）和光环行器（12），所述光扰偏器（7）和光隔离器（8）设置在掺铒光纤放大器（5）和传感光纤（13）的一端之间；所述光环行器（12）的第一端口与脉冲光放大器（11）的输出端连接，第二端口与传感光纤（13）的另一端连接，第三端口输出信号经所述可调谐光滤波器（14）入射至光电探测器（15）。


4.根据权利要求3所述的一种多点并行的高速布里渊混沌动态应变监测装置，其特征在于，所述分束器（2）为1×2光纤耦合器，所述所述宽带混沌激光源（1）的输出端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的输入端连接；1×2光纤耦合器的第一个输出端通过单模光纤跳线与单边带调制器（3）的输入端连接；单边带调制器（3）的输出端通过单模光纤跳线与掺铒光纤放大器（5）的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚辉，赵乐，张明江，胡鑫鑫，张建忠，乔丽君，王涛，高少华，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14