长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置

摘要

本发明提供长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置，包括相位调制器和多频率信号发生模、强度调制器、微波开关、电脉冲发生模块、微波信号发生模块等部件；利用包含多频率成分的信号发生模块调制探测连续光的相位，使得探测连续光中产生多光频成分，通过控制探测连续光各光频成份的幅度来调节对应的布里渊增益谱幅度，拼接出所需谱宽和谱型的布里渊增益谱，在无损系统信噪比和响应速度的情况下，实现极大扩展动态应变测量范围；将产生布里渊放大效应两束光的频差固定在布里渊增益拼接谱斜边线性区域中间，把布里渊增益拼接谱的漂移转化为探测光功率的波动，实现长距离分布式大测量范围高响应速度光纤动态、静态应变的定量测量。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤动态应变测量技术领域，具体涉及长距离分布式大测 量范围快速响应光纤动态应变传感装置。

背景技术

由动态应变引起的设备和建筑物受损越来越多，尤其在地震高发区，振动和 冲击波等对大坝、桥梁以及房屋等的破坏非常严重，因此迫切需要具有快速响应 的动态应变传感网络。由于光纤具有损耗小、耐高温、耐腐蚀、绝缘、抗电磁干 扰等显著优势，且对研究结构的健康状况、安全性、稳定性和完整性影响较小， 因此本质上光纤传感技术成为构建分布式动态应变监测的最优选择。

目前，实现分布式光纤动态应变传感技术的研究主要有如下几类：一是基于 光纤光栅动态应变传感技术（详见A.Cusano,et al.,Sens.Actuator A-Phys.110,276 (2004)），外界动态应变或振动引起光纤光栅反射波长的动态漂移，但构建超大 规模光纤光栅动态应变传感网络的技术难度和成本很高；二是基于光纤干涉结构 的动态应变传感技术（详见Tapanes Edward E.,US Patent,20030198425,(2003)）， 利用干涉结构将光纤受外界动态应变或振动扰动的相位调制转化为光功率或者 其他参量的变化，但干涉结构需要相移器和闭环控制系统来实时稳定最佳工作 点，系统稳定性和定位精度较差；三是基于瑞利散射的分布式动态应变传感技术， 其中较为成功的技术是相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)（详见Z.Pan,et al., Proc.of SPIE8421,842129(2012)；Z.Qin,et al.,Opt.Express20,20459(2012)）， 通过测量光脉冲覆盖区域内瑞利散射光的干涉叠加效果来解调动态扰动，但此方 案对缓变扰动感知困难，且无法实现动态应变幅度的定量测量。

对于连续分布式传感，布里渊型分布式光纤传感技术可对光纤沿线上任意位 置处的应力变形和温度进行连续测量，经过二十几年的发展，基于布里渊非线性 效应的分布式光纤传感技术优势得到了充分展示并取得到了广泛应用。但是，这 种常规基于重构布里渊增益谱分布的方案，本质上在响应速度方面还无法满足动 态应变信号传感的迫切需求。国际上一些研究小组在常规布里渊分布式光纤传感 技术基础上，有针对性的探索相关技术来实现分布式动态应变传感。相关探索主 要集中在以下两个方面：

一方面是提高响应速度。2009年，A.Minardo等人提出了一种频差斜边偏置 探测的方案（详见R.Bernini,et al.,Opt.Lett.34,2613(2009)），实现将布里渊增 益谱的漂移转化为探测光功率的波动，从而大大提高系统响应速度到98Hz，但 此方案动态应变测量的范围小于±350με（形变范围±0.035%）。2011年，A. Voskoboinik等人提出一种无扫频重构布里渊增益谱的方案（详见A.Voskoboinik, et al.,US Patent,US20130025374A1,(2013)），实现无需扫描即可覆盖传感频谱， 因此响应速度也可达到几十Hz量级，但此方案技术方案动态应变测量范围也只 能达到±900με。2012年，A.Loayssa等人提出一种基于布里渊相移分析型的分布 式动态应变测量方案（详见J.Urricelqui,et al.,Opt.Express20,26942(2012)），通 过解调应变导致布里渊增益的相位变化来实现动态应变传感，此方案中应变传感 范围也仅达到±1280με。这些技术方案尽管有效提高了系统对动态应变的响应速 度到100Hz左右，但是应变传感范围小于±1000με，无法满足实际应用对大测量 范围的需求（±4000με以上）。

另一方面的研究集中在扩大动态应变测量范围。2011年，在前述的频差斜边 偏置探测方案基础上，Q.Cui等人采用6.5ns脉宽的脉冲光作为泵浦脉冲，使得布 里渊增益谱谱宽展宽到160MHz，从而实现将应变测量范围扩展到±1600με（详 见Q.Cui,et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.23,1887(2011)），但此技术方案牺牲了 系统响应速度和信号信噪比。2012年，Y.Peled等人采用任意波形发生器驱动电 光调制器的方案，实现高速重构布里渊增益谱的分布（详见Y.Peled,et al.,Opt. Express20,8584(2012)），但信号处理时却需耗时提取应变相关的布里渊频移信 息，因此此方案在获得更大的应变传感范围时牺牲系统的响应速度，不利于动态 应变的高速解调。这些技术方案尽管可有效扩展动态应变的测量范围到±2000με 左右，但是牺牲了传感系统信噪比，使得响应速度只能达到10Hz左右，无法满 足实际应用对高响应速度的需求（100Hz）。

上述所有的分布式光纤动态应变测量技术方案，包括光纤光栅型、干涉结构 型以及瑞利散射型，都因为具有难以构建大型传感网络、系统工作状态不稳定或 者难以定量测量等缺点，而无法满足实际应用的需求。而最有潜力的基于布里渊 效应的动态应变传感方案中，也没有发明一种能同时兼顾大测量范围和高响应速 度的技术。

发明内容

为了克服目前技术存在的缺点和不足，充分利用基于布里渊效应的长距离连 续分布式测量的技术优势，又进一步解决实现大测量范围和高响应速度的动态应 变传感，本发明提供长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置， 具体技术方案如下。

长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置，其包括：窄线宽 激光器、光纤耦合器、强度调制器、锁定放大器、微波开关、电脉冲发生模块、 微波信号发生模块、第一光纤环形器、光纤光栅、第二光纤环形器、相位调制器、 多频率信号发生模块、传感光纤、光电探测器、信号高速并行处理单元；窄线宽 激光器的尾纤输出和光纤耦合器的输入端口相连，实现将激光分成两路，其中一 路经光纤耦合器的第一输出端口与强度调制器的输入端口相连，强度调制器的 DC电压偏置端口与锁定放大器连接，实现最佳工作点的自动反馈稳定控制，强 度调制器的射频输入端口与微波开关的输出端相连，微波开关的输入端与微波信 号发生模块连接，微波开关的输入端与电脉冲发生模块连接；强度调制器调制得 到的高消光比宽带移频泵浦脉冲光由强度调制器的输出端口输出，并连接到第一 光纤环形器的输入端口，第一光纤环形器还有一端口与实现滤波的光纤光栅相 连，第一光纤环形器的输出端口与第二光纤环形器的输入端口相连，实现将泵浦 脉冲光注入到传感光纤中；光纤耦合器分光的另一路经其第二输出端口与相位调 制器的输入端口相连，相位调制器的射频输入端口与多频率信号发生模块连接， 相位调制器的输出端口输出包含多频率成份的探测连续光并注入到传感光纤中； 探测连续光与泵浦脉冲光在传感光纤中相向传输后与第二光纤环形器的另一端 口相连，第二光纤环形器的输出端口连接光电探测器的输入端口，光电探测器的 输出端口与信号高速并行处理单元相连，实现传感信号的解调。它可以实现分布 式光纤动态应变传感监测，其传感范围可达10km以上，空间分辨率1～10m，动 态应变测量范围可达±5000με，动态应变响应速率可达100Hz以上。

上述的长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置中，通过相 位调制器和多频率信号发生模块构建出一种布里渊增益拼接谱的光学结构，使用 包含多频率成分的多频率信号发生模块作用在相位调制器上，实现调制探测连续 光的相位，使得探测连续光中产生多光频成分，通过控制探测连续光各光频的幅 度来调节各自对应的布里渊增益谱幅度，拼接出所需谱宽和谱型的布里渊增益 谱，在无损系统信噪比和响应速度的情况下，实现极大扩展动态应变测量范围。

上述的长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置中，利用强 度调制器、锁定放大器、微波开关、电脉冲发生模块、微波信号发生模块、第一 光纤环形器、光纤光栅和第二光纤环形器构建泵浦脉冲光产生的光学结构，获取 高消光比微波移频泵浦脉冲光，进而将产生布里渊放大效应两束光的频差固定在 布里渊增益拼接谱斜边线性区域中间，把应变导致的布里渊增益拼接谱的漂移转 化为探测光功率的波动，可实现分布式动态、静态应变的定量测量。

进一步优选的，所述窄线宽激光器的线宽小于1MHz，工作在1550nm波段， 输出功率需达到20mW以上。

进一步优选的，所述光纤光栅为布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长选 择定制在泵浦光脉冲的微波宽带移频下频带范围内；通过温度或应变施加在光纤 光栅上，进行反射中心波长的调谐。

进一步优选的，所述光纤光栅此处光纤光栅也可由窄带滤波器替代。

进一步优选的，所述光电探测器响应带宽高于100MHz。

进一步优选的，所述信号高速并行处理单元采样速率为100MS/s以上。

所述的窄线宽激光器，要求线宽小于1MHz，。

进一步优选的，所述的光纤耦合器，为1×2三端口普通单模光纤耦合器， 工作在1550nm波段。

进一步优选的，所述的强度调制器，为电光强度调制器，工作在1550nm波 段，要求调制带宽大于11GHz。所述的锁定放大器，为电光调制器的偏置电压反 馈控制单元，反馈响应速率kHz量级。所述的微波开关，控制微波信号通道的 开启和关闭，响应速度小于1ns，隔离度达到-45dB。所述的微波信号发生模块， 频率范围10～13GHz。所述的电脉冲发生模块，脉宽10ns量级，重复频率10kHz 量级。

传统的布里渊光时域分析仪（BOTDA）的基本结构和原理是：处于传感光 纤两端的激光器分别将泵浦脉冲光与探测连续光相向注入传感光纤中，当泵浦脉 冲光与探测连续光的光频差处于光纤局部区域布里渊增益谱范围内时，在该区域 就会产生受激布里渊非线性放大效应，泵浦脉冲光与探测连续光之间发生能量转 移（对于损耗型BOTDA，能量从连续光转移到脉冲光）。根据泵浦脉冲光注入到 光纤中的传输时间Δt，即可定位布里渊非线性效应发生的具体位置（L＝c×Δt/n， 其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤折射率），据此实现传感的定位分析。 对连续光的频率在一定范围内进行高精度调谐，同时检测从光纤另一端透射出来 的探测连续光光功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的 频率差，由于光纤中的布里渊频移与温度、应变存在线性关系，如下公式所示， 根据布里渊增益谱即可得到各局部位置处的温度、应变信息，进而实现温度和应 变的分布式测量：

ν_B＝C_εΔε+C_TΔT+ν_BO

其中，ν_B为光纤在应变、温度扰动情况下的布里渊频移量，ν_BO为无扰动情 况下的初始布里渊频移量，C_ε为应变影响布里渊频移的线性系数，Δε为应变施加 量，C_T为温度影响布里渊频移的线性系数，ΔT为温度施加量。

这种传统的BOTDA方案，是通过激光器的调谐来扫描重构获取光纤沿线布 里渊增益谱ν_B的分布，进而实现温度和应变的分布式测量，一般所需频率调谐扫 描范围约为200MHz，调谐精度约为1MHz，对激光器的调谐性能要求很高，受 激光器调谐速度的限制以及信号处理时需要做多次累积平均以提高信噪比，实现 一次长距离分布式的完整解调和测量，一般至少需要几分钟的时间甚至更长，而 这种测量方式在速度上完全无法满足100Hz量级动态应变的快速响应需求。

v_B(t)＝C_εA_εcosft+v_BO

其中A_ε为动态应变的幅度，f为动态应变的频率，如上公式所示，这种动态 重构布里渊增益谱v_B(t)分布的方案，本质上很难实现动态应变的测量。因此如 前面背景技术中所述，有研究人员提出了一种频差斜边偏置探测的方案，将相对 传输的两束光的频差固定在无扰动时的布里渊增益谱左侧斜边线性区域中间，若 光纤局部有温度或者应变的扰动造成布里渊增益谱的漂移，这种方案就可以实现 将布里渊增益谱的漂移转化为探测光功率的波动（P(t)＝B_εcosft，其中P(t)为 动态应变造成的光功率波动，B_ε为应变造成光功率波动的线性系数），从而可以 避免重构布里渊增益谱v_B(t)，大大提高系统响应速度，使得长距离分布式动态 应变响应速度可以达到100Hz量级以上。但考虑到布里渊增益谱谱宽有限 （～35MHz），此方案动态应变测量的范围小于±350με(形变范围±0.035%)，这 种测量范围太小而无法满足绝大部分的实际工程需求。还有其他的一些方案，一 定程度上牺牲响应速度，扩大动态应变测量的范围，但暂时还没有一种技术能同 时兼顾高响应速度和大测量范围。

在本发明中，基于布里渊增益拼接谱的长距离分布式光纤动态应变传感技术 方案，利用包含多频率信号发生模块来调制探测连续光的相位，使得探测连续光 中产生多光频成分，通过控制探测连续光各光频的幅度来调节各自对应的布里渊 增益谱幅度，拼接出所需谱宽和谱型的布里渊增益谱，在无损系统信噪比和响应 速度的情况下，实现极大扩展动态应变测量范围；将产生布里渊放大效应两束光 的频差固定在布里渊增益拼接谱斜边线性区域中间，把布里渊增益拼接谱的漂移 转化为探测光功率的波动，可同时实现分布式动态、静态应变的定量测量。

与现有技术相比，本发明的特点和优点是：

(1)与传统方案如光纤光栅型、干涉结构型以及瑞利散射型的光纤动态应变 传感网络相比，本发明是基于受激布里渊非线性效应，不存在难以构建大型传感 网络、系统工作状态不稳定或者难以定量测量等缺点，可以有效实现长距离分布 式光纤应变的定量实时在线高速测量。

(2)与目前已有的布里渊型光纤动态应变传感技术相比，针对当前布里渊分 布式动态应变传感技术中测量范围和响应速度无法相互兼顾的缺点，本发明采用 布里渊增益拼接谱的技术，采取利用多重布里渊增益拼接谱同时实现大测量范围 和高响应速度的研究思路，可有效实现将动态应变测量范围扩展到±5000με以 上，同时系统响应速度完全可保证达到同类技术的最高层次。

(3)基于此技术，可以有效实现分布式光纤动态应变传感监测，其传感范围 可达10km以上，空间分辨率1～10m，动态应变测量范围可达±5000με，动态应 变响应速率可达100Hz以上。

附图说明

图1为本发明的泵浦脉冲光与探测连续光的频率设计的示意图。

图2为本发明的光纤布里渊增益拼接谱的原理示意图。

图3为本发明的基于布里渊增益拼接谱的长距离分布式大测量范围高响应 速度光纤动态应变传感装置结构图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保 护不限于此。

长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置的结构设计如图 3所示，窄线宽激光器1的尾纤输出和光纤耦合器2的输入端口2-1相连，将种 子激光分成两路，其中一路经光纤耦合器2的输出端口2-2与强度调制器3的输 入端口3-1相连，强度调制器3的DC电压偏置端口3-2与锁定放大器4连接， 实现强度调制器3最佳工作点的自动反馈稳定控制；强度调制器3的射频输入端 口3-3与微波开关5的输出端口5-3相连，微波开关5的输入端5-1与微波信号 发生模块7相连，微波开关5的输入端5-2与电脉冲发生模块6相连。经强度调 制器3调制得到的高消光比宽带移频泵浦脉冲光由输出端口3-4输出并连接到第 一光纤环形器8的输入端口8-1，第一光纤环形器8的端口8-2与实现滤波作用 的光纤光栅9相连，第一光纤环形器8的输出端口8-3与第二光纤环形器10的 输入端口10-1相连，实现将泵浦脉冲光注入到传感光纤13中。光纤耦合器2分 光的另一路经其输出端口2-3与相位调制器11的输入端口11-1相连，相位调制 器11的射频输入端口11-2与多频率信号发生模块12连接，包含多频率成份的 探测连续光经相位调制器11的输出端口11-3注入到传感光纤13中。探测连续 光与泵浦脉冲光在传感光纤13中相向传输，探测连续光传输经过传感光纤13 后与第二光纤环形器10的端口10-2相连，并通过第二光纤环形器10的输出端 口10-3连接到高速光电探测器14的输入端口14-1，高速光电探测器14的输出 端口14-2与信号高速并行处理单元15相连，实现传感信号的解调。

以下再对各器件模块的实现说明如下：

窄线宽激光器1，是基于布里渊增益拼接谱的分布式大测量范围高响应速度 光纤动态应变传感系统的种子光源。由于单模光纤布里渊增益谱谱宽为35MHz 左右，因此需要泵浦种子光源的线宽较窄。本发明中采用的光源为1550nm波段 窄线宽单频光纤激光器，其线宽为2kHz，激光功率可达到100mW以上（参考 本申请人已授权发明专利200810220661.X，201110280866.9，201110241520.8）； 也可以采用其他类型的商用窄线宽激光器，但要求线宽小于1MHz。

光纤耦合器2，普通单模光纤1550nm波段，1×2三端口，分光比需要根据 实际实施时的光功率设定。

强度调制器3，在装置中是实现获取高消光比、宽带移频泵浦脉冲光的调制 器件，工作在1550nm波段，可采用20GHz带宽铌酸锂电光强度调制器。

锁定放大器4，为电光调制器的偏置电压反馈控制单元，使其运转在最佳工 作点处，可采用商用kHz量级响应速率的锁定放大器。

微波开关5，在装置中是用于控制微波信号通道的开启和关闭，要求响应速 度小于1ns，隔离度达到-45dB以上，可选择符合参数要求的商用微波开关。

电脉冲发生模块6，在装置中是用于产生高对比度、窄脉宽的电脉冲，触发 控制微波开关的开启和关闭，要求产生的电脉冲脉宽达到10ns量级，脉冲重复 频率10kHz量级，可选择符合参数要求的商用脉冲信号发生器。

微波信号发生模块7，在装置中用于产生微波信号输出并作用到电光强度调 制器上，使得被调制的激光频率获得宽带移频，由于单模光纤布里渊频移约为 11GHz，因此微波信号发生模块可以采用频率范围10～13GHz的商用微波信号发 生器，其微波输出功率需要与所使用的强度调制器驱动相匹配。

第一光纤环行器8和第二光纤环行器10，均是一个三端口光纤环行器，单 向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。

光纤光栅9，布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长选择定制在泵浦光脉 冲的微波宽带移频下频带范围内；另外可通过温度或应变施加在光纤光栅上，进 行一定范围内的反射中心波长的调谐。此处光纤光栅也可由窄带滤波器替代。

相位调制器11，在装置中是实现获取包含多频率成份的探测连续光的调制 器件，工作在1550nm波段，可采用2.5GHz带宽铌酸锂电光相位调制器。

多频率信号发生模块12，在装置中是用于产生包含多频率成份的高频调制 正弦波电信号，其工作频段在750～1250MHz，多频率成分之间的间隔约为1MHz 以及多频率成分的数量可达500以上，该信号发生模块作用到电光相位调制器 上，使得被调制的激光频率移频后获得多频率成分，可以选择符合参数要求的商 用编程函数信号发生器。

传感光纤13，是整个分布式光纤动态应变传感系统的基本传感单元，外界 的动态应变作用到传感光纤上，影响此段光纤的布里渊增益谱，通过在终端解调 即可获取相关的应变及位置信息。在此系统中，可以采用商用G652型号的通信 单模光纤作为传感光纤。

光电探测器14，将光信号转换为电信号，可以选用响应带宽高于100MHz 的高速光电探测器。

信号高速并行处理单元15，是整个分布式光纤动态应变传感系统的信息获 取及处理部分，包括信号采集、数据传输、数据高速处理和传感结果显示及保存 多个部分，其中，为了获得高时间分辨率，需要采用高速数据采集卡，采样速率 需达到100MS/s以上，数据处理可以采取高速并行处理架构，实现实时信号传 输与处理。

所述窄线宽激光器1通过耦合器2分光成两路，其中一路经过强度调制器3 调制成高消光比、宽带移频泵浦脉冲光，其后经光纤光栅9滤波保留下移频光频 成分，经环行器10进入到传感光纤13中；另一路作为探测连续光进入相位调制 器11，使用多频率成分合成信号发生模块12驱动相位调制器11，探测连续光被 调制成包含多移频光频成分，利用其下频移频带中多光频对应的多布里渊增益谱 拼接裁剪出更宽更线性的布里渊增益谱。将泵浦脉冲光和探测连续光的频率差固 定在传感光纤13的布里渊增益拼接谱左侧线型谱斜边中间，当传感光纤13局部 受到动态应变扰动时，光纤局部布里渊增益拼接谱也会发生动态漂移，使用高速 光电探测器14探测光功率的波动即能解调出动态应变，无需重构光纤沿线的布 里渊增益谱，利用信号高速并行处理单元15实现大测量范围高响应速度的分布 式动态应变信号的解调。

在方案中，构建初始布里渊增益拼接谱是实现长距离分布式大测量范围高响 应速度的光纤动态应变传感的关键。其基本原理如下：首先是基于布里渊非线性 效应的泵浦脉冲光和探测连续光频率的设计，选择布里渊损耗型的频率配对方 式，也即探测连续光频率处于反斯托克斯频率，如图1所示，泵浦脉冲光频率为 v_p-，使用多频率合成信号发生器驱动电光相位调制器，设计多频率合成信号发 生器的工作频段（750～1250MHz）、多频率成分之间的间隔（～1MHz）以及多频 率成分的数量（～500），使得被调制成包含多移频光频成分的探测连续光下频移 频带中的某几阶光频与泵浦脉冲光正好处于布里渊非线性作用的频谱范围内；同 时，多频率合成信号发生器产生的每一阶频率信号的幅度可控，以实现探测光每 一阶光频的幅度可调。这部分设计合理可控的多频相位调制的下频移频带是构建 光纤布里渊增益拼接谱的关键。

其次是光纤布里渊增益拼接谱的设计，如图2所示，探测连续光中的每一阶 光频均对应一个布里渊增益谱，多光频频率间隔（～1MHz）与各自对应的多重布 里渊频谱中心频率间隔保持一致；布里渊增益谱的幅度由探测连续光和泵浦脉冲 光的非线性耦合作用决定，固定泵浦脉冲光的幅度，通过控制探测连续光各光频 的幅度来调节各自对应的布里渊增益谱幅度，多光频对应的多布里渊增益谱在频 域上非完全重叠，有效抑制多布里渊增益谱之间的弱耦合作用效应，可实现每一 阶的布里渊增益谱的幅度可控，合理设计各阶布里渊增益谱的中心频率和幅度， 在频域上可实现拼接出各种谱宽和谱型的布里渊增益谱，包括如图2所示动态应 变传感所需的大范围线性边带。