一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及分布式光纖傳感系統，具體是一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法。
【背景技術】
[0002]分布式光纖傳感系統因具有分布式測量、監測距尚長、空間分辨率尚、響應時間快、抗電磁干擾等優勢，已被廣泛應用于航空航天、石油化工、電力工業、核工業、土木工程及軍事等領域。目前，分布式光纖傳感系統依據光纖中的散射機制可分為如下三種:基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統、基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統、基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統。其中，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統由于其在溫度和應變測量上所能達到的測量精度、傳感距離、空間分辨率相比另外兩種分布式光纖傳感系統具有明顯的優勢，并且能實現對溫度和應變的同時測量，而成為該領域的研究熱點。
[0003]在現有技術條件下，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統可分為如下兩種:基于布里淵光時域的分布式光纖傳感系統、基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統。其中，基于布里淵光時域的分布式光纖傳感系統因其自身原理所限，存在空間分辨率低、測量時間長的問題，導致其適用范圍嚴重受限(例如，其不適用于飛機機翼、火箭和風力渦輪葉片等結構狀態的分布式傳感檢測)。基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統又可分為如下兩種:基于布里淵光相干域反射(BOCDR, Brillouin Optical Correlat1n DomainReflectometry)的分布式光纖傳感系統、基于布里淵光相干域分析(BOCDA, BrillouinOptical Correlat1n Domain Analysis)的分布式光纖傳感系統。相較于基于布里淵光時域的分布式光纖傳感系統，基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統可以明顯提高空間分辨率。例如，日本東京大學的Kazuo Hotate等人提出利用正弦信號對光源進行頻率調制，可以構造成相干峰具有周期性的相干函數，從而實現傳感距離為100m、空間分辨率為40cm 的 BOCDR 系統(Optics Express, 2008, vol.16, n0.16, 12148)。又例如，日本東京大學的Kazuo Hotate等人利用正弦信號頻率調制光源輸出，構建了傳感距離為20m、空間分辨率為 1cm 的 BOCDA 系統(Photonics Technology Letters, 2007, vol.19, n0.23,1928)。然而，基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統因其自身原理所限，存在無法兼顧空間分辨率和傳感距離的問題。
[0004]為了克服基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統無法兼顧空間分辨率和傳感距離的問題，中國專利ZL201310045097.3公開了一種基于混沌激光信號相干法的分布式光纖傳感裝置及其測量方法。然而，該裝置及其測量方法因其自身原理所限，存在傳感距離嚴重受限、空間分辨率低的問題，具體闡述如下:一方面，該裝置及其測量方法是基于傳感光纖中的自發布里淵散射過程實現的，由于傳感光纖中的自發布里淵散射產生的斯托克斯光信號功率比較低，導致其傳感距離會受到嚴重限制。另一方面，在該裝置及其測量方法中，散射回的斯托克斯光信號相對于作為參考信號的混沌激光信號，其光譜寬度產生了明顯窄化，導致其空間分辨率大幅降低。
[0005]基于此，有必要發明一種全新的分布式光纖傳感系統，以解決現有分布式光纖傳感系統無法兼顧空間分辨率和傳感距離、傳感距離嚴重受限、空間分辨率低的問題。
【發明內容】
[0006]本發明為了解決現有分布式光纖傳感系統無法兼顧空間分辨率和傳感距離、傳感距離嚴重受限、空間分辨率低的問題，提供了一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法。
[0007]本發明是采用如下技術方案實現的:一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置，包括混沌激光器、I X 2光纖耦合器、高速電光調制器、微波信號源、第一光放大器、光隔離器、光擾偏器、可變光延遲線、低速電光調制器、第二光放大器、光環行器、傳感光纖、光電探測器、鎖相放大器、信號發生器、數據采集卡、計算機；
其中，混沌激光器的出射端與1X2光纖耦合器的入射端連接；
1X2光纖耦合器的第一個出射端通過單模光纖跳線與高速電光調制器的入射端連接；高速電光調制器的出射端通過單模光纖跳線與第一光放大器的入射端連接；微波信號源的信號輸出端與高速電光調制器的信號輸入端連接；第一光放大器的出射端通過單模光纖跳線與光隔離器的入射端連接；光隔離器的出射端通過單模光纖跳線與光擾偏器的入射端連接；光擾偏器的出射端與傳感光纖的一端連接；
1X2光纖耦合器的第二個出射端通過單模光纖跳線與可變光延遲線的入射端連接；可變光延遲線的出射端通過單模光纖跳線與低速電光調制器的入射端連接；低速電光調制器的出射端通過單模光纖跳線與第二光放大器的入射端連接；第二光放大器的出射端通過單模光纖跳線與光環行器的入射端連接；光環行器的反射端與傳感光纖的另一端連接；光環行器的出射端通過單模光纖跳線與光電探測器的入射端連接；光電探測器的信號輸出端與鎖相放大器的信號輸入端連接；鎖相放大器的信號輸出端與數據采集卡的信號輸入端連接；信號發生器的信號輸出端分別與低速電光調制器的信號輸入端和鎖相放大器的參考信號端連接；數據采集卡的信號輸出端與計算機的信號輸入端連接。
[0008]—種亞暈米空間分辨率的分布式光纖傳感方法(該方法在本發明所述的一種亞_米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置中實現)，該方法是采用如下步驟實現的:
a.混沌激光器發出的混沌激光信號經1X2光纖耦合器分為兩路:第一路混沌激光信號作為探測光信號，第二路混沌激光信號作為栗浦光信號；探測光信號先經過高速電光調制器，并被微波信號源輸出的正弦信號調制，使得探測光信號的頻移接近于布里淵頻移，然后依次經第一光放大器、光隔離器、光擾偏器進行放大、隔離、擾偏后進入傳感光纖；栗浦光信號先經可變光延遲線進行延遲，然后經過低速電光調制器，并被信號發生器輸出的方波信號調制，而后依次經第二光放大器、光環行器進行放大、環行后進入傳感光纖；
b.探測光信號和栗浦光信號在傳感光纖中的某一位置處發生受激布里淵散射作用，由此產生斯托克斯光信號；斯托克斯光信號和栗浦光信號發生干涉拍頻作用，由此產生拍頻光信號；拍頻光信號經光環行器進行環行后進入光電探測器，并經光電探測器轉換為電信號；電信號經過鎖相放大器，并被信號發生器輸出的方波信號鎖相放大，然后經數據采集卡進行A/D轉換后進入計算機，并經計算機進行分析，由此得到探測光信號和栗浦光信號在傳感光纖中發生受激布里淵散射作用的位置處的溫度和應變信息；通過可變光延遲線可以調節栗浦光信號的光程，使得探測光信號和栗浦光信號在傳感光纖中的不同位置處發生受激布里淵散射作用，由此得到傳感光纖中任意位置處的溫度和應變信息。
[0009]與現有分布式光纖傳感系統相比，本發明所述的一種亞暈米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法具有如下優點:其一，與基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統相比，本發明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法是利用混沌激光信號進行分布式光纖傳感檢測，由于混沌激光信號是一種低相干態的激光信號，只能和其完全復制的光信號產生相干作用，因此本發明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法的空間分辨率僅由混沌激光信號的相干長度決定，而與傳感距離無關，由此其能夠完全兼顧空間分辨率和傳感距離，從而徹底克服了基于布里淵光相干域的分布式光纖傳感系統無法兼顧空間分辨率和傳感距離的問題。其二，與中國專利ZL201310045097.3公開的一種基于混沌激光信號相干法的分布式光纖傳感裝置及其測量方法相比，本發明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法具有如下優點:一方面，該裝置及方法是基于傳感光纖中的受激布里淵散射過程實現的，由于傳感光纖中的受激布里淵散射產生的斯托克斯光信號相對于自發布里淵散射產生的斯托克斯光信號功率更高，使得傳感距離得到了極大擴展。另一方面，在該裝置及方法中，由于斯托克斯光信號和栗浦光信號之間的干涉拍頻過程和受激布里淵散射過程同時進行，不僅使得斯托克斯光信號在傳輸過程中其光譜不會受到光纖傳輸特性的影響，而且使得斯托克斯光信號的光譜寬度不會產生窄化現象，由此使得空間分辨率得到了大幅提高(試驗表明，本發明所述的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置及方法的傳感距離可達到幾百公里，空間分辨率可達到亞毫米量級)。
[0010]本發明有效解決了現有分布式光纖傳感系統無法兼顧空間分辨率和傳感距離、傳感距離嚴重受限、空間分辨率低的問題，適用于分布式光纖傳感領域。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明的一種亞毫米空間分辨率的分布式光纖傳感裝置的結構示意圖。
[0012]圖中:1-混沌激光器，2-1X2光纖耦合器，3-高速電光調制器，4-微波信號源，5-第一光放大器，6-光隔離器，7-光擾偏器，8-可變光延遲線，9-低速電光調制器，10-第二光放大器，11