基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置和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，公开了一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置包括：宽带混沌激光源，宽带混沌激光源发出的光束经分束器后分为两束，一束作为泵浦光经高速电光调制器、掺铒光纤放大器、光环形器后入射至传感光纤，高速电光调制器用于对泵浦光进行调制，产生与多普勒频移大小相等、方向相同的频率移动的泵浦光；另一束作为探测光依次经单边带调制器、可编程光延迟线、掺铒光纤放大器、可调带通滤波器、RF调制器后从传感光纤的另一端入射，在传感光纤中产生的布里渊散射信号从光环形器输出后被光电探测器探测经IQ解调器解调得到相移信息。本发明专利技术在抑制非局部效应的基础上实现高频高精度动态应变测量。部效应的基础上实现高频高精度动态应变测量。部效应的基础上实现高频高精度动态应变测量。

【技术实现步骤摘要】
基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置和方法


[0001]本专利技术涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置和方法。

技术介绍

[0002]近年来，布里渊分布式光纤传感技术由于同时具有分布式应变和温度测量能力，已在各结构健康监测领域得到广泛应用。当今社会，以人工智能监测网络为核心的“智慧城市”迅速建设，使得分布式光纤传感对动态应变测量需求愈来愈明显，为提高布里渊光纤传感测量速度，多种技术被相继提出。
[0003]其中，斜坡辅助技术由于具有结构简单，适应性强，速度快等优点而备受关注。例如：Enhancing strain dynamic range of slope
‑
assisted BOTDA by manipulating Brillouin gain spectrum shape (Yang G., et al., Optics Express, 26(25): 32599
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32607, 2018) 及本课题组Effect of chaotic time delay signature on Brillouin gain spectrum in the slope
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assisted chaotic BOCDA (Zhao L, et al., Optics Express, 28(12): 18189
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18201, 2020)、Dynamic strain measurement by a single
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slope
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assisted chaotic Brillouin optical correlation
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domain analysis(Wang Y., et al., Optics Letters, 45(7): 1822
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1825, 2020)。然而其测量精度取决于探测光功率的稳定性，而探测光功率的稳定性容易受到泵浦光功率波动和光纤损耗的影响。对此，何祖源等人于2019年提出双斜坡辅助（DSA）技术，实现了与泵浦光功率无关且对光纤损耗不敏感的测量，实验获得625 Hz的重复频率以及厘米级的空间分辨率。Urricelqui J.等人提出基于布里渊相移谱的BOTDA传感技术，有效避免了测量过程中泵浦光功率波动和光纤损耗的影响；该技术将动态应变实时转化为RF相移的变化，装置简单、成本低廉。但是上述方案用于测量动态应变时，施加的动态应变会引入多普勒频移（多普勒频移的大小取决于动态应变的频率和发生应变的光纤长度，甚至会超过待测信号强度），从而破坏分布式布里渊应变测量，对传感器性能产生干扰。因此该方案对分布式高频动态应变测量具有一定的局限性，不利于实际应用。又考虑到混沌激光具有类噪声、宽带、强抗干扰等特性，可以展宽相位谱，扩大线性区范围，进而扩大可测量的动态拉伸应变。
[0004]因此，需要专利技术一种新的混沌布里渊分布式动态应变测量技术，能在避免泵浦光功率波动和光纤损耗等对测量精度影响的前提下有效抑制多普勒频移的产生，实现高精度和高频率兼顾的动态应变测量。

技术实现思路

[0005]为解决现有动态应变测量无法实现高频与高精度兼顾的测量问题，本专利技术提供了一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，包括：宽带混沌激光源，所述宽带混沌激光源发出的光束经分束
器后分为两束，一束作为泵浦光经高速电光调制器、掺铒光纤放大器、光环形器后入射至传感光纤，所述高速电光调制器用于对泵浦光进行调制，产生与多普勒频移大小相等、移动方向相同的频率移动的泵浦光，进而产生与非局部相移大小相等、方向相反的相位移动；另一束作为探测光依次经单边带调制器、可编程光延迟线、掺铒光纤放大器、可调带通滤波器、RF调制器后从传感光纤的另一端入射，所述单边带调制器用于对探测光进行调制，使其产生频率下移；所述RF调制器用于对频率下移后的探测光进行调制，使其产生包括原始载波频率和具有180
°
相位差的两个边带频率；在传感光纤中频率下移以及相位调制后的探测光与泵浦光作用发生受激布里渊散射，产生的布里渊散射信号从光环形器输出后被光电探测器探测；所述光电探测器探测到的信号经所述IQ解调器进行解调得到相移信息。
[0007]所述的一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，还包括任意波形发生器，所述任意波形波发生器的输出端与所述RF调制器和IQ解调器连接，用于驱动所述RF调制器对泵浦光进行调制，所述IQ解调器用于根据任意波形波发生器输出的同步信号对光电探测器的探测信号进行解调。
[0008]所述宽带混沌激光源输出的宽带混沌激光的
‑
3dB光谱线宽大于5GHz、
‑
3dB功率谱带宽大于10GHz。
[0009]所述分束器为90:10的1
×
2光纤耦合器，其中，90%作为探测光，10%作为泵浦光。
[0010]所述的一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，还包括可调微波信号源，所述可调微波信号源用于输出的正弦信号驱动高速电光调制器。
[0011]所述的一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，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分束器和高速电光调制器之间，所述第二偏振控制器设置在分束器和单边带调制器之间。
[0012]所述的一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，还包括实时数字示波器，用于采集IQ解调器解调得到的相移信息。
[0013]此外，本专利技术还提供了一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量方法，采用所述的一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，对照无应变时的布里渊增益光谱和布里渊吸收光谱，调节高速电光调制器的调制频率，使布里渊增益谱和布里渊吸收光谱的中心峰位置保持不变。
[0014]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术通过对改变泵浦光频率，给探测光提供了与多普勒频移相反的频率移动，故产生与非局部相移相反的相位移动，通过叠加即可消除多普勒频移对系统的影响。经过后期算法运算得到相位角与布里渊频移之间的一一对应关系，从而在抑制非局部效应的基础上解调出待测应变，实现高频高精度动态应变测量。
[0015]2、本专利技术使用中心频率为ν0、
‑
3dB光谱线宽大于5GHz、
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3dB功率谱带宽大于10GHz的宽带混沌激光，宽带混沌激光可以展宽布里渊增益谱，相应的增益谱线宽也会增大。根据公式（5）可以看出，相位角随增益谱线宽的增大而减小，也就是相位角随布里渊频移的变化速度变慢。因此，宽带混沌激光可以展宽布里渊相位谱，扩大用于斜坡辅助的线性范围，进而扩大可测量动态应变范围。
[0016]3、传统基于双斜坡辅助的布里渊动态应变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，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）发出的光束经分束器（2）后分为两束，一束作为泵浦光经高速电光调制器（4）、掺铒光纤放大器（6）、光环形器（7）后入射至传感光纤（9），所述高速电光调制器（4）用于对泵浦光进行调制，产生与多普勒频移大小相等、移动方向相同的频率移动的泵浦光，进而产生与非局部相移大小相等、方向相反的相位移动；另一束作为探测光依次经单边带调制器（13）、可编程光延迟线（15）、掺铒光纤放大器（16）、可调带通滤波器（17）、RF调制器（18）后从传感光纤（9）的另一端入射，所述单边带调制器（13）用于对探测光进行调制，使其产生频率下移；所述RF调制器（18）用于对频率下移后的探测光进行调制，使其产生包括原始载波频率和具有180
°
相位差的两个边带频率；在传感光纤（9）中频率下移以及相位调制后的探测光与泵浦光作用发生受激布里渊散射，产生的布里渊散射信号从光环形器（7）输出后被光电探测器（8）探测；所述光电探测器（8）探测到的信号经所述IQ解调器（10）进行解调得到相移信息。2.根据权利要求1所述的一种基于混沌布里渊相位谱的高频动态应变测量装置，其特征在于，还包括任意波形发生器（19），所述任意波形波发生器（19）的输出端与所述RF调制器（18）和IQ解调器（10）连接，用于驱动所述RF调制器（18）对泵浦光进行调制，所述IQ解调器（10）用于根据任意波形波发生器（19）输出的同步信号对光电探测器的探测信号进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明江，郭阳，王亚辉，胡鑫鑫，刘慧，牛林洮，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：