本发明专利技术属于分布式光纤传感技术领域，公开了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法，装置包括宽带混沌激光源、可调衰减器、偏振控制器、第一环行器、半导体激光器、分光器、光延迟发生器、光隔离器、传感光纤、单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器、光滤波器、光电探测器、锁相放大器、计算机；本发明专利技术利用注入锁定混沌激光激发窄带相关峰，抑制了宽带混沌激光源引入的强度噪声，提高了测量信噪比，可实现长距离、高空间分辨率、高测量精度兼顾的分布式温度、应变监测。测。测。
【技术实现步骤摘要】
基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法
[0001]本专利技术属于分布式光纤传感
，具体是一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法。
技术介绍
[0002]分布式光纤传感器具有体积小而轻、灵敏度高、抗电磁干扰强、传感传输集于一身等优势，在大型结构健康监控、油气管道运输安全、地质灾害检测和医疗检测等领域有着广泛的应用。基于布里渊(Brillouin)散射的分布式光纤传感技术不仅能够实现对温度、应变、振动多个外界参量的同时测量，而且测量精度高、传感距离长，受到众多研究者的青睐。
[0003]传统的布里渊传感装置存在长传感距离、高分辨率、高精度三者不可兼得的问题。对于光时域方案(BOTDA)，通过脉冲飞行时间定位，仅扫描一次就可测定整个光纤的受激布里渊增益；理论上空间分辨率为脉冲宽度的一半，随着空间分辨率的提高，展宽的布里渊增益谱(BGS)将严重影响系统的测量精度；随着传感距离的增加，泵浦脉冲光在传播过程中由于脉冲畸变引起的自相位调制等非线性效应使脉冲频谱与BGS展宽，宽线宽的增益谱对应的频率精度较低。目前已经在布里渊光时域分析系统中实现了150km的温度或应变传感；然而由于声子寿命的限制，理论上布里渊光时域方案的空间分辨率难以突破1m。对于光相关域方案(BOCDA)，利用窄带相关峰可实现毫米量级的高空间分辨率传感，理论上空间分辨率为自相关曲线宽度的一半，随着相关峰变窄，泵浦光与探测光的拍频谱展宽导致增益谱的展宽，短相关峰内的微弱布里渊增益极易被噪声淹没；随着传感距离的增加，非相关位置处弱受激布里渊放大逐渐积累，严重限制了系统的性能；然而为了避免不同相关峰之间的增益串扰，原理上系统传感距离被限制在相邻相关峰的间隔内，同时调制器件的带宽限制也阻碍了空间分辨率的进一步提升。
[0004]基于混沌激光、放大自发辐射(ASE)等本征低相干、类噪声的宽带激光作为光源，待测光纤中只存在一个相关峰可解决传感距离与空间分辨率的矛盾，且不需要对激光进行高速率的外部调制，可消除对射频信号和调制带宽的限制，更容易实现毫米级空间分辨率。然而，ASE光源的功率谱密度很低，导致系统信噪比差、传感距离仅有数十厘米。基于宽带混沌激光的布里渊光相关域测量技术中(中国专利技术专利ZL201310045097.3，基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法)，混沌激光功率时序呈现大幅度、无规则振荡，峰峰值约为普通单频激光的7倍左右，在光功率解调布里渊增益谱时会引入大量的强度噪声，导致微弱受激布里渊增益几乎被噪声淹没，系统信噪比严重受限。
[0005]分布式布里渊光纤传感装置的性能由传感距离、空间分辨率、布里渊频移不确定度三者决定，最终取决于测量的信噪比。因此，需要对现有技术中的布里渊光传感装置进行改进以提高系统信噪比，进而实现长距离、高空间分辨率、高测量精度兼顾的分布式光纤传感。
技术实现思路
[0006]为解决现有技术长传感距离、高空间分辨率、高精度难以兼顾的问题，本专利技术通过提高布里渊传感系统的信噪比，提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，包括：宽带混沌激光源、可调衰减器、偏振控制器、第一环行器、半导体激光器、分光器、光延迟发生器、光隔离器、传感光纤、单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器、光滤波器、光电探测器、锁相放大器、计算机；
[0008]所述宽带混沌激光源输出的宽带混沌激光依次经可调衰减器、偏振控制器、第一环行器后注入半导体激光器使其输出宽带混沌激光，所述半导体激光器的输出的宽带混沌激光经第一环形器后，再经分光器分为两束，其中一束作为探测光依次经光延迟发生器、光隔离器后进入传感光纤的一端，另一束作为泵浦光经依次单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器后进入传感光纤另一端使探测光发生布里渊散射；
[0009]所述光延迟发生器用于调节探测光的光程，光隔离器用于隔离从传感光纤输出的泵浦光；所述单边带调制器用于对所述泵浦光进行单边带调制使泵浦光的频率上移v
B
并扫频，半导体光放大器用于将泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间的脉冲光，低噪声放大器用于对单边带的泵浦光进行放大；
[0010]从传感光纤另一端输出的探测光依次经第二环行器、光滤波器后被光电探测器探测并转化为电信号后发送至锁相放大器，锁相放大器对信号进行锁相放大后发送至计算机进行数据处理得到布里渊增益谱。
[0011]所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，还包括宽带微波信号源和脉冲信号发生器，所述宽带微波信号源用于输出宽带微波信号驱动所述单边带调制器，所述脉冲信号发生器用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器。
[0012]所述宽带微波信号源和脉冲信号发生器与所述锁相放大器连接，分别用于向锁相放大器同步输入宽带微波信号和脉冲信号。
[0013]泵浦光的上移频率v
B
约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽Δv
B
。
[0014]所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，还包括光扰偏器，光扰偏器设置在延迟发生器与光隔离器之间，用于对探测光的偏振态进行随机扰动。
[0015]所述分光器为光纤耦合器，所述宽带混沌激光源、可调衰减器、偏振控制器、第一环行器、半导体激光器、分光器、光延迟发生器、光隔离器、传感光纤、单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器、光滤波器、光电探测器之间通过单模光纤跳线连接。
[0016]传感光纤采用G652单模光纤或G655单模光纤，所述半导体光放大器为OAM
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SOA
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PL型高消光比半导体光放大器，低噪声放大器包括依次连接的第一级光放大器、滤波器和第二级光放大器，所述光延迟发生器为可编程光延迟发生器，所述光滤波器为可调谐光滤波器。
[0017]此外，本专利技术还提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感方法，根据所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置实现，包括以下步骤：
[0018]S1、通过可调衰减器、偏振控制器调节注入光的功率与偏振状态使半导体激光器输出低噪声宽带混沌激光；
[0019]S2、通过单边带调制器调节泵浦光的频率上移频率和扫频带宽；
[0020]S3、通过锁相放大器对光电探测器的探测信号进行相关放大，得到布里渊增益谱；
[0021]S4、通过光延迟发生器调节探测光的光程，使泵浦光和探测光在传感光纤沿线的各个位置处相遇进而发生受激布里渊放大作用，获取传感光纤沿线的布里渊增益谱；
[0022]S5、利用传感光纤沿线的布里渊增益谱计算整个传感光纤沿线的动温度、应变信息。
[0023]所述步骤S2中，泵浦光的上移频率v
B
约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽Δv
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，包括：宽带混沌激光源(1)、可调衰减器(2)、偏振控制器(3)、第一环行器(4)、半导体激光器(5)、分光器(6)、光延迟发生器(7)、光隔离器(9)、传感光纤(10)、单边带调制器(11)、半导体光放大器(13)、低噪声放大器(15)、第二环行器(16)、光滤波器(17)、光电探测器(18)、锁相放大器(19)、计算机(20)；所述宽带混沌激光源(1)输出的宽带混沌激光依次经可调衰减器(2)、偏振控制器(3)、第一环行器(4)后注入半导体激光器(5)使其输出宽带混沌激光，所述半导体激光器(5)的输出的宽带混沌激光经第一环形器(4)后，再经分光器(6)分为两束，其中一束作为探测光依次经光延迟发生器(7)、光隔离器(9)后进入传感光纤(10)的一端，另一束作为泵浦光经依次单边带调制器(11)、半导体光放大器(13)、低噪声放大器(15)、第二环行器(16)后进入传感光纤(10)另一端使探测光发生布里渊散射；所述光延迟发生器(7)用于调节探测光的光程，光隔离器(9)用于隔离从传感光纤(10)输出的泵浦光；所述单边带调制器(11)用于对所述泵浦光进行单边带调制使泵浦光的频率上移v
B
并扫频，半导体光放大器(13)用于将泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间的脉冲光，低噪声放大器(15)用于对单边带的泵浦光进行放大；从传感光纤(10)另一端输出的探测光依次经第二环行器(16)、光滤波器(17)后被光电探测器(18)探测并转化为电信号后发送至锁相放大器(19)，锁相放大器(19)对信号进行锁相放大后发送至计算机(20)进行数据处理得到布里渊增益谱。2.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，还包括宽带微波信号源(12)和脉冲信号发生器(14)，所述宽带微波信号源(12)用于输出宽带微波信号驱动所述单边带调制器(11)，所述脉冲信号发生器(14)用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器(13)。3.根据权利要求2所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，所述宽带微波信号源(12)和脉冲信号发生器(14)与所述锁相放大器连接，分别用于向锁相放大器同步输入宽带微波信号和脉冲信号。4.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，泵浦光的上移频率v
B
【专利技术属性】
技术研发人员：张明江，牛林洮，王亚辉，刘慧，陈靖，乔丽君，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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