一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪，包括顺序连接的窄线宽激光器、光放大单元、移频单元，脉冲调制单元、第一滤波单元、第二滤波单元、光电探测器、第三滤波单元、电信号调制单元。这种传感系统的优点是能够低成本的实现大范围动态应变监测。这种光时域反射仪低成本、结构简单、能实现大范围动态应变测量。现大范围动态应变测量。现大范围动态应变测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体是一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪。

技术介绍

[0002]光纤布里渊光时域反射仪BOTDR是一种基于自发布里渊散射效应的分布式传感技术，利用光纤中布里渊散射的频移量对温度与应变的线性依赖关系，可以实现温度和应变的连续性测量。BOTDR系统具有单端接入、对温度和应变反应灵敏等优点，在大型基础设施的结构健康监测方面有着巨大的应用前景，例如桥梁、隧道的健康监测系统。
[0003]斜坡辅助技术是基于传统布里渊分布式传感系统由于系统的采样时间过长而阻碍该系统无法用于动态应变测量所提出来的一种技术，该技术主要是利用布里渊光谱边带的近似线性区域，将布里渊频移的变化量转化为布里渊增益的变化，该技术省去了传统布里渊分布式传感系统中的扫频过程，从而提高了系统的采样频率，使系统能够实现动态应变的测量。但普通单模光纤的布里渊增益谱的近似线性区域通常只有近30MHz、能够监测的应变范围非常有限，从而对现实生活应用中存在较多大范围的动态应变测量有一定的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪。这种光时域反射仪低成本、结构简单、能实现大范围动态应变测量。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪， 包括顺序连接的窄带激光器、第一掺铒光纤放大器、第一光纤耦合器，其中：第一光纤耦合器的一个输出端口的光强度为原激光强度的90%，这个端口连接顺序连接与任意函数信号发生器连接的声光调制器、第二掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、第二光纤环形器，第一光纤环形器的a端连接第二掺铒光纤放大器、b端连接第一光纤布拉格光栅、c端连接第二光纤环形器的a端，第二光纤环形器的b端连接测试光纤，第二光纤环形器的c端连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器顺序连接光电探测器、频率均衡器和内设采集卡及数据处理程序的电信号调制单元，测试光纤还连接大应变施加单元；第一光纤耦合器的另一个输出端口的光强度为原激光强度的10%，这个端口连接顺序连接的光纤三环偏振控制器、与微波信号发生器连接的电光调制器、第三光纤环形器、光纤扰偏器和第二光纤耦合器，第三光纤环形器的a端连接电光调制器、b端连接第二光纤布拉格光栅、c端连接光纤扰偏器，第二光纤布拉格光栅外接给第二光纤布拉格光栅施加应变的位移平台；所述偏振控制器、电光调制器与驱动电光调制器的微波信号发生器和光纤扰偏器
构成移频单元；调制脉冲的声光调制器以及驱动声光调制器的任意函数信号发生器和第二掺铒光纤放大器构成脉冲调制单元；第一光纤环形器以及第一光纤布拉格光栅构成第一滤波单元；第三光纤环形器以及第二光纤布拉格光栅和给第二光纤布拉格光栅施加应变的位移平台构成第二滤波单元，均衡器构成第三滤波单元。
[0006]所述第一光纤耦合器的分光比为90%:10%，90%的一路光连接到与任意函数信号发生器相连的声光调制器的光路，10%的一路光连接到与任意函数信号发生器相连的声光调制器的光路。
[0007]所述第二光纤耦合器的分光比为50%:50%。
[0008]所述测试光纤为单模光纤。
[0009]所述大应变施加单元设有可调节运动半径0
‑
4cm的马达，马达置于测试光纤中间，马达一端与测试光纤进行固定使测试光纤处于紧绷状确保在进行大应变拉伸过程中光纤受到应变，马达另一端呈可调节运动半径状驱动光纤进行平行于地面的运动。
[0010]所述第二滤波单元是通过对布拉格光栅施加应变来改变布拉格光栅的透射谱，使瑞利散射光恰好处于透射谱外、布里渊散射光恰好处于透射谱内进行滤波。
[0011]所述均衡器为不同频率下滤波强度呈线性变化的频率均衡器即第三滤波单元为滤波强度随频率线性变化的带通滤波器、使发生应变处的布里渊频移量和探测强度之间呈线性关系。
[0012]窄线宽激光器发出的激光经第一掺铒光纤放大器进行光放后第一光纤耦合器分为两路光，下路光(10%)与移频单元中的偏振控制器相连，移频单元的输出光中的频率谱包含激光自身的频率和两个频率边带，通过三环偏振控制器改变入射光的偏振态使得激光自身的频率点处的能量转移到两个频率边带令其频率边带能量增大，再经第二滤波单元滤掉相对频率较高的边带、留下频率较低的边带称为参考光进入光纤扰偏器后输出光从第二光纤耦合器的一端输入口进入第二光纤耦合器；上路光(90%)与脉冲调制单元相连调制成脉冲光并放大，紧接着进入第二滤波单元进行滤波操作，通过第一光纤环形器的a端口相连，测试光纤通过大应变施加单元通过可调节运动频率和可调节运动幅度的马达驱动光纤发生可调幅度的大应变运动，测试光纤中的布里渊散射光进入第一光纤环形器的b端口从第一光纤环形器的c端口经过第二光纤环形器连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的两个输出口与光电探测器输入端相连后从光电探测器输出端输出到第三滤波单元输入口使发生应变处的布里渊频移量和探测强度之间呈线性关系后从第三滤波单元输出口进入电信号调制单元进行数据采集处理。
[0013]光纤中应变引发的布里渊频移如公式（1）所示：（1），其中 和分别表示第i个入射光模式和第j个布里渊散射光模式的有效折射率， 表示光线内第k个声学模式的传播速度，为入射光的波长。
[0014]布里渊增益如公式（2）所示： （2），其中为三波耦合的效率，为布里渊增益谱的半高全宽。
[0015]本技术方案采用数据处理的斜坡辅助技术是为了解决传统布里渊分布式传感系统由于系统的采样时间过长而阻碍该系统无法用于动态应变测量的问题所提出来的一种技术，本技术方案通过利用布里渊增益谱边带的近似线性区域和布里渊频移形成近似线性的对应，将布里渊频移的变化量转化为布里渊增益的变化，省去了传统布里渊分布式传感系统中利用电光调制器扫频从而得出其当前时刻下布里渊增益谱后找到增益谱峰值点处对应的当前时刻下的布里渊频移的过程，节省了系统传感时间从而提高了系统的采样频率，使其系统能够实现动态应变的测量。
[0016]本技术方案将单模传感光纤的光信号转换为电信号并且通过与此传感光纤配套的频率均衡器通过频率均衡器中设置好的光强随频率的变化而线性变化的特性使布里渊增益谱上人为的改变一段强度和频率信号形成一个较好的线性关系，电光调制器确定频移量，由于待测光纤外界应变发生导致光纤内的布里渊频移量发生变化，此时在电光调制器选定的频移处探测的布里渊散射光强度信号可以线性的对应上由于外界应变而产生变化的布里渊增益谱发生的频移量，从而实现了布里渊散射光信号强度到布里渊增益谱频移量之间的线性变化，通过数据处理过程中利用斜坡辅助的方法巧妙地将BOTDR系统中通过监测布里渊频移量反映应变关系转换到了通过监测布里渊散射光信号强度变化反应应变的关系。
[0017]本技术方案通过斜坡辅助的方法结合布里渊光时域反射仪测量单模光纤中的大范围应变，通过较小的成本实现单模光纤上的大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单模光纤大动态应变分布式布里渊光时域反射仪，其特征在于，包括顺序连接的窄带激光器、第一掺铒光纤放大器、第一光纤耦合器，其中：第一光纤耦合器的一个输出端口连接顺序连接的与任意函数信号发生器连接的声光调制器、第二掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、第二光纤环形器，第一光纤环形器的a端连接第二掺铒光纤放大器、b端连接第一光纤布拉格光栅、c端连接第二光纤环形器的a端，第二光纤环形器的b端连接测试光纤，第二光纤环形器的c端连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器顺序连接光电探测器、频率均衡器和内设采集卡及数据处理程序的电信号调制单元，测试光纤还连接大应变施加单元；第一光纤耦合器的另一个输出端口连接顺序连接的光纤三环偏振控制器、与微波信号发生器连接的电光调制器、第三光纤环形器、光纤扰偏器和第二光纤耦合器，第三光纤环形器的a端连接电光调制器、b端连接第二光纤布拉格光栅、c端连接光纤扰偏器，第二光纤布拉格光栅外接给第二光纤布拉格光栅施加应变的位移平台；所述偏振控制器、电光调制器与驱动电光调制器的微波信号发生器和光纤扰偏器构成移频单元；调制脉冲的声光调制器以及驱动声光调制器的任意函数信号发生器和第二掺铒光纤放大器构成脉冲调制单元；第一光纤环形器以及第一光纤布拉格光栅构成第一滤波单元；第三光纤环形器以及第二光纤布拉格光栅和给第二光纤布拉格光栅施加应变的位移平台构成第二滤波单元，均衡器构成第三滤波单元。2.根据权利要求1所述的基于单...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡君辉，李添，刘戈，邹东江，韦若雪，陈贵光，范琳琳，潘福东，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：发明
国别省市：