基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感器及传感方法

摘要

本发明公开了基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感器及传感方法，该传感器包括激光光源、泵浦端电光调制器、探针端电光调制器、可调双脉冲发生器和信号采集处理模块，方法是：分别控制入射到传感光纤的泵浦光脉冲和探针光脉冲的入射时刻，让它们在传感光纤的不同位置相遇，产生布里渊慢光效应，导致探针光被延迟，探针光被延迟量与传感光纤中泵浦光和探针光相遇位置所处的环境参数相关。通过信号采集处理模块获得探针光的延迟量，最终计算出泵浦光和探针光相遇位置的传感光纤所处的环境参数的值，从而实现分布式传感。本发明适用于需要长距离、海量监测点的光纤分布式传感的领域。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感器及传感方法。

背景技术

光纤布里渊效应是激光在光纤中产生频移的效应，它是光纤分布式传感网络常用的组网方法的基础。利用光纤布里渊分布式传感系统，可以对光纤沿线的温度和应力做监控。在大型土木工程、能源线路等领域有非常广泛的应用前景。目前光纤布里渊分布式传感系统的信号都是在频域内解调的，由于布里渊频移非常高（一般大于10GHz），光的传播速度又非常快，这种分布式检测想要做到高空间分辨率，必须实现高速的频率测量，然而做到这一点非常困难。因此目前光纤布里渊分布式传感的技术难度很大，价格非常昂贵。

光纤受激布里渊慢光效应是一类非线性效应，是某段光纤中发生布里渊效应时，通过该段光纤的特定波长的激光发生传播速度变化的现象。激光传播速度变化量和该段光纤所处的环境参数相关，因此只要测得这个延迟量就能解调出光纤沿线的环境参数。

综上，考虑利用光纤受激布里渊慢光效应实现分布式传感，进而使信号能够在时域内解调具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感器，该传感器通过设置一可调双脉冲发生器来调节泵浦光和探针光的时间差，进而控制二者在传感光纤中相遇的位置，实现分布式检测，相较于现有传感器，具有系统结构简单，设备成本低的优点。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述分布式光纤传感器的传感方法。该传感方法通过检测发生受激布里渊慢光效应的激光在光纤中传播的延迟，可以从时域上进行传感信号的解调，具有解调速度快、技术实现容易的特点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感器，包括激光光源、光纤耦合器、传感光纤、泵浦端电光调制器、探针端电光调制器、可调双脉冲发生器和信号采集处理模块，其中激光光源发出的激光经过光纤耦合器分成两路，其中一路经过泵浦端电光调制器后入射到传感光纤中，另一路经过探针端电光调制器调制后入射到传感光纤中；所述可调双脉冲发生器分别与泵浦端电光调制器、探针端电光调制器连接，用于控制二者入射到传感光纤的泵浦光脉冲和探针光脉冲的入射时刻；所述信号采集处理模块与可调双脉冲发生器连接，用于采集产生布里渊慢光效应后的探针光的延迟量，进而得到当前光纤所处的环境参数，完成检测。通过设置可调双脉冲发生器这一结构，可以控制从泵浦端电光调制器、探针端电光调制器这两个电光调制器出射的泵浦光和探针光的时间差，从而控制它们在传感光纤中相遇的位置，产生布里渊慢光效应，导致探针光被延迟，信号采集处理模块通过采集探针光的延迟量即可实现分布式检测。

具体的，所述分布式光纤传感器还包括掺铒光纤放大器、光纤环形器、光电接收器，所述激光光源发出的激光经过光纤耦合器后，其中一路进入泵浦端电光调制器得到脉冲泵浦光，然后脉冲泵浦光进入掺铒光纤放大器进行放大，然后经过光纤环形器入射到传感光纤中；所述光纤环形器通过光电接收器与信号采集处理模块相连。

具体的，所述分布式光纤传感器还包括偏振控制器、正弦信号发生器、频移电光调制器、光纤滤波器、光纤隔离器和扰偏器，所述激光光源发出的激光经过光纤耦合器后，其中一路经过偏振控制器进入频移电光调制器，频移电光调制器受正弦信号发生器调制，经过频移电光调制器调制后的信号依次经光纤滤波器、探针端电光调制器、光纤隔离器和扰偏器后入射到传感光纤中。

更进一步的，所述激光光源为线宽小于1MHz的激光光源。例如单纵模激光光源等。

一种基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感方法，包括以下步骤：通过泵浦端电光调制器和探针端电光调制器分别控制入射到传感光纤的泵浦光脉冲和探针光脉冲的入射时刻，让它们在传感光纤的不同位置相遇，产生布里渊慢光效应，导致探针光被延迟；获得探针光的延迟量；根据探针光的延迟量与环境参数的关系，反推出泵浦光和探针光相遇位置的传感光纤所处的环境参数的大小。

具体的，包括以下步骤：

（1）将传感光纤置于待检测环境中，开启激光光源；

（2）激光光源发出的激光经过光纤耦合器分成两路，其中一路经过泵浦端电光调制器变成脉冲泵浦光，脉冲泵浦光经过掺铒光纤放大器放大后，再经过光纤环形器入射到传感光纤中；另一路经过偏振控制器、受正弦信号发生器调制的频移电光调制器后，发生上频移和下频移，发生频移的光经过光纤滤波器后，上频移和原来频率的光被滤掉，只剩下下频移的光，下频移的光经过探针端电光调制器、光纤隔离器和扰偏器后转换成脉冲探针光入射到传感光纤的另一端；

（3）通过改变可调双脉冲发生器两个通道脉冲的时间差，控制从泵浦电光调制器和探针电光调制器这两个电光调制器出射的泵浦光和探针光的时间差，从而控制泵浦光和探针光在传感光纤中相遇的位置；

（4）泵浦光和探针光在传感光纤上相遇，发生布里渊慢光现象，被延迟的探针光经过光纤环形器进入光电接收器，光电接收器进行光电转换后被信号采集处理模块接收到，信号采集处理模块的触发端同时接收可调双脉冲发生器发出的同步信号，通过这个同步信号作为时间基准，计算出探针光被延迟的时间量，从而反推出传感光纤所处的环境参数，实现光纤检测。

具体的，所述步骤（2）中，信号经过频移电光调制器后发生上频移和下频移的频移量等于正弦信号发生器的工作频率，正弦信号发生器的工作频率设定为传感光纤中布里渊频移量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明中泵浦光和探针光都是脉冲光，控制他们的出射时间就可以控制它们在传感光纤中相遇的位置，能够方便地实现对光纤中某些重点位置的重点监测。

2、本发明中利用布里渊慢光效应实现检测。信号的解调是通过测量探针光的时间延迟量在时域上实现的。而传统的分布式布里渊信号解调是在频域上实现的，高速的高分辨率频谱检测是非常困难的，一直是限制分布式布里渊系统商用的难题。本发明在时域上实现信号解调，能大大降低这个难度，更有利于推广使用。

3、本发明中利用布里渊慢光效应降低了光在光纤中传播的速度，提高了光纤对周围环境的感知能力，提高了系统测量灵敏度。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例基于受激布里渊慢光效应的分布式光纤传感器，包括单纵模激光光源1、光纤耦合器2、3个电光调制器（泵浦端电光调制器3、探针端电光调制器11、频移电光调制器8）、掺铒光纤放大器4、光纤环形器5、传感光纤6、偏振控制器7、正弦信号发生器9、光纤滤波器10、光纤隔离器12、扰偏器13、光电接收器14、信号采集处理模块15、可调双脉冲发生器16。其中，单纵模激光光源1、偏振控制器7、泵浦端电光调制器3的光输入端口分别与光纤耦合器2连接；泵浦端电光调制器3的电输入端口和可调双脉冲发生器16的泵浦信号输出口16-3连接；泵浦端电光调制器3的光输出端口和掺铒光纤放大器4的输入端口连接；掺铒光纤放大器4的输出端口和光纤环形器5的端口5-1连接，光纤环形器5的端口5-2和传感光纤6连接，光纤环形器5的端口5-3和光电接收器14的输入端口连接；光电接收器14的输出端口和信号采集处理模块15连接；信号采集处理模块15的电触发端口和可调双脉冲发生器16的触发信号输出端口16-2连接。偏振控制器7和频移电光调制器8的光输入端口连接，频移电光调制器8的电输入端口和正弦信号发生器9连接，频移电光调制器8的光输出端口和光纤滤波器10连接；光纤滤波器10和探针端电光调制器11的光输入端口连接；探针端电光调制器11的电输入端口和可调双脉冲发生器16的探针光信号输出口16-1连接，探针端电光调制器11的输出口和光纤隔离器12连接；光纤隔离器12和扰偏器13连接，扰偏器13和传感光纤6连接。

本实施例所述传感器采用如下的传感方法：通过泵浦端电光调制器和探针端电光调制器分别控制入射到传感光纤的泵浦光脉冲和探针光脉冲的入射时刻，让它们在传感光纤的不同位置相遇，产生布里渊慢光效应，导致探针光被延迟；获得探针光的延迟量；根据探针光的延迟量与环境参数的关系，反推出泵浦光和探针光相遇位置的传感光纤所处的环境参数的大小。

具体的，包括以下步骤：

（1）将传感光纤6置于待检测环境中，开启单纵模激光光源1。

（2）单纵模激光光源1发出的激光经过光纤耦合器2分成两路，其中一路经过泵浦端电光调制器3变成脉冲泵浦光，脉冲泵浦光经过掺铒光纤放大器4放大后，再经过光纤环形器5入射到传感光纤6中；另一路经过偏振控制器7、受正弦信号发生器9调制的频移电光调制器8后，发生上频移和下频移。频移量等于正弦信号发生器9的工作频率，正弦信号发生器9的工作频率设定为传感光纤6中布里渊频移量。发生频移的光经过光纤滤波器10后，上频移和原来频率的光被滤掉，只剩下下频移的光。下频移的光经过探针端电光调制器11、光纤隔离器12和扰偏器13后转换成脉冲探针光入射到传感光纤的另一端。

（3）泵浦电光调制器3和探针电光调制器11都受可调双脉冲发生器16控制。通过改变可调双脉冲发生器16两个通道脉冲的时间差，可以控制从这两个电光调制器出射的泵浦光和探针光的时间差，从而控制它们在传感光纤6中相遇的位置。

（4）泵浦光和探针光在传感光纤6上相遇，发生布里渊慢光现象，探针光被延迟的时间受相遇位置的传感光纤6所处的环境参数影响。被延迟的探针光经过光纤环形器5进入光电接收器14，光电接收器14进行光电转换后被信号采集处理模块15接收到，信号采集处理模块15的触发端同时接收可调双脉冲发生器16发出的同步信号。通过这个同步信号作为时间基准，计算出探针光被延迟的时间量，从而反推出传感光纤6所处的环境参数，实现光纤检测。

本实施例中，单纵模激光光源1、光纤耦合器2、3个电光调制器（泵浦端电光调制器3、探针端电光调制器11、频移电光调制器8）、掺铒光纤放大器4、光纤环形器5、传感光纤6、偏振控制器7、正弦信号发生器9、光纤滤波器10、光纤隔离器12、扰偏器13、光电接收器14、信号采集处理模块15、可调双脉冲发生器16，均为现有的成熟产品，利用这些现有产品具有的功能，构建的本实施例所述系统，能够将传统的分布式布里渊信号解调从时域转换到频域，因此大大降低了系统信号解调的技术难度，并节省解调时间，具有较大的推广应用价值。

同时，本实施例所述的传感方法是基于现有技术中“通过布里渊慢光延迟量计算环境参数”的算法，虽然该算法是现有技术，但是将该算法实际应用于分布式光纤传感器进行传感尚无研究，因此本实施例在基于上述传感器装置的基础上实现的传感方法同样是具有重要的实用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。