测量装置、布里渊光时域反射仪及布里渊频移测量系统

摘要

本发明公开一种斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置、布里渊光时域反射仪及布里渊频移测量系统，所述测量装置包括双偏振相干接收机，接收带有Stokes光和anti‑Stokes光的布里渊散射光信号，以及接收本振光信号；并根据布里渊散射光信号和本振光信号获得X偏振态的两路正交电信号和Y偏振态的两路正交电信号；第一射频90°混合耦合器接收X偏振态的两路正交电信号，根据X偏振态的两路正交电信号得到Stokes光的X偏振态光信号分量和anti‑Stokes光的X偏振态光信号分量；第二射频90°混合耦合器接收Y偏振态的两路正交电信号，并根据Y偏振态的两路正交电信号得到Stokes光的Y偏振态光信号分量和anti‑Stokes光的Y偏振态光信号分量，可准确测量Stokes光和anti‑Stokes光。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是涉及一种斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置、布里渊光时域反射仪及布里渊频移测量系统。

背景技术

分布式光纤传感技术可以对一段传感光纤沿线所感受到的温度或者扰动等待测物理量进行测量，并能对待测物理量的位置进行定位，从而获得待测物理量沿传感光纤的分布情况。由于分布式光纤传感技术中的传感光纤一般采用普通光纤，成本低，且其传感距离长，因此受到了广泛关注。

分布式光纤传感技术主要利用了激光在光纤中的散射效应来进行传感测量。瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射是广泛应用的三种散射现象。其中，布里渊散射对温度和应变都敏感，有希望可以实现对温度和应变的长距离同时测量，因此更加受到重视。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有两大系统架构：一种是布里渊光时域反射仪(Brillouin optical time domain reflectometry，简称BOTDR)，一种是布里渊光时域分析仪(Brillouin optical time domain analyzer，简称BOTDA)。BOTDA架构需要从传感光纤的两端注入激光，因此在实际工程运用中受到一定限制。而BOTDR架构则只需要从传感光纤的一端注入激光，在工程运用中更加方便，因此更具实用价值。

在BOTDR架构中，一个具有较强峰值功率的激光脉冲从传感光纤的一端注入并沿着传感光纤传播。该激光脉冲会在所经过的光纤各处激发出向后传播的自发布里渊散射信号。这个自发布里渊散射信号在激光脉冲的注入端被接收下来并进行分析，从而获得传感光纤沿线的待测物理量的值。一般而言，需要测量出该自发布里渊散射信号的中心频率相对于激光脉冲的频率的偏移量，也就是布里渊频移量，从而通过该布里渊频移量来反演待测物理量的值。有时候，自发布里渊散射信号的功率也能够提供有关待测物理量有价值的信息，因此也需要进行测量。

在激光脉冲激发的自发布里渊散射信号中，包含有两部分的信号：一是斯托克斯(Stokes)光，二是反斯托克斯(anti-Stokes)光。Stokes光的中心频率较激光脉冲的频率低，而anti-Stokes光的中心频率较激光脉冲的频率高。一般而言，Stokes和anti-Stokes光具有相同的布里渊频移量，因此二者在光谱上对称的分布在激光脉冲信号的两侧。但是，在BOTDR系统中，产生激光脉冲的激光器由于温度或者注入电流扰动的影响，存在一定的频率漂移。而布里渊散射信号经历了一段光纤传播的时间，当其回到激光脉冲注入端并被接收下来进行分析时，激光器的频率可能已经发生了漂移，从而使得对Stokes和anti-Stokes光的布里渊频移量的测量产生误差。尽管激光器的频率漂移相对于激光的频率而言很小(相对值一般小于10^-7)，但是造成的测量值的误差却很显著。

发明内容

本发明的目的是提供一种斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置，可准确测量Stokes光和anti-Stokes光。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置，所述测量装置与布里渊光时域反射仪连接，其中，所述测量装置包括：

双偏振相干接收机，分别对应所述布里渊光时域反射仪的光学环形器和激光器设置，用于接收从所述光学环形器中输出的带有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里渊散射光信号，以及接收从所述激光器中发出的本振光信号；并根据所述布里渊散射光信号和所述本振光信号获得X偏振态的两路正交电信号和Y偏振态的两路正交电信号；

第一射频90°混合耦合器，与所述双偏振相干接收机连接，用于接收所述X偏振态的两路正交电信号，并根据所述X偏振态的两路正交电信号得到斯托克斯光的X偏振态光信号分量和反斯托克斯光的X偏振态光信号分量；

第二射频90°混合耦合器，与所述双偏振相干接收机连接，用于接收所述Y偏振态的两路正交电信号，并根据所述Y偏振态的两路正交电信号得到斯托克斯光的Y偏振态光信号分量和反斯托克斯光的Y偏振态光信号分量。

可选的，所述双偏振相干接收机包括：

偏振分束器，对应所述光学环形器设置，用于将所述布里渊散射光信号号分为布里渊散射P光信号和布里渊散射S光信号；

第一分光器，对应所述激光器设置，用于将所述本振光信号分为本振P光信号和本振S光信号；

第一90°光学混频器，对应所述偏振分束器和第一分光器设置，用于将所述布里渊散射P光信号和本振P光信号进行光学正交混频处理获得混频P光信号；

第二90°光学混频器，对应所述偏振分束器和第一分光器设置，用于将所述布里渊散射S光信号和本振S光信号进行光学正交混频处理获得混频S光信号；

第一光电转换单元和第二光电转换单元分别与所述第一90°光学混频器连接，用于将所述第一90°光学混频器输出的混频P光信号进行光电转换，得到X偏振态的两路正交电信号；

第三光电转换单元和第四光电转换单元分别与所述第二90°光学混频器连接，用于将所述第二90°光学混频器输出的混频S光信号进行光电转换，得到Y偏振态的两路正交电信号。

可选的，所述第一光电转换单元和第二光电转换单元分别包括连接在所述第一90°光学混频器输出端的两个第一光电二极管，并且两个所述第一光电二极管的输出相减；

所述第三光电转换单元和第四光电转换单元分别包括并联连接在所述第二90°光学混频器输出端的两个第二光电二极管，并且两个所述第二光电二极管的输出相减。

可选的，所述双偏振相干接收机为集成双偏振相干接收机。

可选的，所述双偏振相干接收机与激光器之间设置有分光器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置通过设置双偏振相干接收机、第一射频90°混合耦合器及第二射频90°混合耦合器，可对布里渊光时域反射仪的光学环形器输出的带有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里渊散射光信号和激光器中发出的本振光信号进行处理，得到Stokes光的X偏振态光信号分量和anti-Stokes光的X偏振态光信号分量以及Stokes光的Y偏振态光信号分量和anti-Stokes光的Y偏振态光信号分量，从而实现Stokes光和anti-Stokes光的分离测量。

本发明的目的是提供一种布里渊光时域反射仪，可准确测量Stokes光和anti-Stokes光。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种布里渊光时域反射仪，所述布里渊光时域反射仪包括依次连接的激光器、激光脉冲发生器、光学环形器及传感光纤；其特征在于，所述布里渊光时域反射仪还包括：上述斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置；所述测量装置分别对应所述光学环形器和激光器设置。

可选的，所述布里渊光时域反射仪还包括：

保偏耦合器，设置在所述激光器的输出端，分别与所述激光脉冲发生器和所述测量装置连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明布里渊光时域反射仪BOTDR通过设置斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置，可对布里渊光时域反射仪的光学环形器输出的带有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里渊散射光信号和激光器中发出的本振光信号进行处理，得到Stokes光的X偏振态光信号分量和anti-Stokes光的X偏振态光信号分量以及Stokes光的Y偏振态光信号分量和anti-Stokes光的Y偏振态光信号分量，从而实现Stokes光和anti-Stokes光的分离测量。

本发明的目的是提供一种布里渊频移测量系统，可准确确定布里渊频移值。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种布里渊频移测量系统，所述布里渊频移测量系统包括：

上述斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置；

测量单元，分别与所述测量装置的第一射频90°混合耦合器和第二射频90°混合耦合器连接，用于分别获得斯托克斯光和反斯托克斯光的频率；

计算单元，与所述测量单元连接，用于根据所述斯托克斯光和反斯托克斯光的频率确定布里渊频移值。

可选的，所述计算单元根据所述斯托克斯光和反斯托克斯光的频率确定布里渊频移值具体包括：

计算所述斯托克斯光和反斯托克斯光的频率的平均值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明布里渊频移测量系统通过设置斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置可对布里渊光时域反射仪的光学环形器输出的带有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里渊散射光信号和激光器中发出的本振光信号进行处理，得到Stokes光的X偏振态光信号分量和anti-Stokes光的X偏振态光信号分量以及Stokes光的Y偏振态光信号分量和anti-Stokes光的Y偏振态光信号分量，从而实现Stokes光和anti-Stokes光的分离测量；同时通过设置测量单元和计算单元，根据Stokes光和anti-Stokes光的频率确定布里渊频移值，避免了激光器频率漂移所产生的影响，提高准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置的结构示意图；

图2为具有本发明斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置的BOTDR系统的结构示意图；

图3为本发明实施例布里渊频移测量系统的结构示意图。

符号说明：

1—双偏振相干接收机，11—偏振分束器，12—第一分光器，13—第一90°光学混频器，14—第二90°光学混频器，15—第一光电转换单元，16—第二光电转换单元，17—第三光电转换单元，18—第四光电转换单元，2—第一射频90°混合耦合器，3—第二射频90°混合耦合器，4—激光器，5—激光脉冲发生器，6—光学环形器，7—传感光纤，8—第二分光器，91—测量单元，92—计算单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置，通过设置双偏振相干接收机、第一射频90°混合耦合器及第二射频90°混合耦合器，可对布里渊光时域反射仪的光学环形器输出的带有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里渊散射光信号和激光器中发出的本振光信号进行处理，得到Stokes光的X偏振态光信号分量和anti-Stokes光的X偏振态光信号分量以及Stokes光的Y偏振态光信号分量和anti-Stokes光的Y偏振态光信号分量，从而实现Stokes光和anti-Stokes光的分离测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置包括双偏振相干接收机(Dual Polarization Intradyne Coherent Receivers，简称ICR)1、第一射频90°混合耦合器2和第二射频90°混合耦合器3。

其中，所述ICR 1分别对应所述布里渊光时域反射仪的光学环形器6和激光器4设置，用于接收从所述光学环形器6中输出的带有斯托克斯光和反斯托克斯光的布里渊散射光信号，以及接收从所述激光器4中发出的本振光信号；并根据所述布里渊散射光信号和所述本振光信号获得X偏振态的两路正交电信号和Y偏振态的两路正交电信号；所述第一射频90°混合耦合器2与所述ICR1连接，用于接收所述X偏振态的两路正交电信号，并根据所述X偏振态的两路正交电信号得到斯托克斯Stokes光的X偏振态光信号分量和反斯托克斯anti-Stokes光的X偏振态光信号分量；所述第二射频90°混合耦合器3与所述ICR 1连接，用于接收所述Y偏振态的两路正交电信号，并根据所述Y偏振态的两路正交电信号得到Stokes光的Y偏振态光信号分量和anti-Stokes光的Y偏振态光信号分量。

其中，所述ICR 1是一个光电混合器件，A端口接收布里渊散射光信号(Signal)和B端口接收本振光信号(Local)，经过偏振分集(polarization diversity)和光学正交混频后，再进行光电转换，从而获得在两个正交偏振态(即X偏振态和Y偏振态)上的输出电信号。在每个偏振态上，又获得两个相位上正交的电信号输出。

具体地，所述ICR 1包括偏振分束器11、第一分光器12、第一90°光学混频器13、第二90°光学混频器14、第一光电转换单元15、第二光电转换单16、第三光电转换单元17及第四光电转换单元18。

其中，所述偏振分束器11对应所述光学环形器6设置，用于将所述布里渊散射光信号号分为布里渊散射P光信号和布里渊散射S光信号；第一分光器12对应所述激光器4设置，用于将所述本振光信号分为本振P光信号和本振S光信号；所述第一90°光学混频器13对应所述偏振分束器11和第一分光器12设置，用于将所述布里渊散射P光信号和本振P光信号进行光学正交混频处理获得混频P光信号；所述第二90°光学混频器14对应所述偏振分束器11和第一分光器12设置，用于将所述布里渊散射S光信号和本振S光信号进行光学正交混频处理获得混频S光信号；所述第一光电转换单元15和第二光电转换单元16分别与所述第一90°光学混频器13连接，用于将所述第一90°光学混频器13输出的混频P光信号进行光电转换，得到X偏振态的两路正交电信号，通过C端口和D端口输出；所述第三光电转换单元17和第四光电转换单元18分别与所述第二90°光学混频器14连接，用于将所述第二90°光学混频器14输出的混频S光信号进行光电转换，得到Y偏振态的两路正交电信号，通过E端口和F端口输出。其中，所述第一分光器12可为偏振分束器或保偏耦合器。

进一步地，所述第一光电转换单元15和第二光电转换单元16分别包括并联连接在所述第一90°光学混频器13输出端的两个第一光电二极管以及连接在两个所述第一光电二极管之间的第一减法器；所述第三光电转换单元17和第四光电转换单元18分别包括并联连接在所述第二90°光学混频器14输出端的两个第二光电二极管以及连接在两个所述第二光电二极管之间的第二减法器。

通过分别将两个第一光电二极管和两个第二光电二极管并联设置，采用平衡探测的形式，可获得X偏振态的两路正交电信号和Y偏振态的两路正交电信号。

优选的，所述ICR 1与激光器4之间设置有第二分光器8。其中，所述第二分光器8可为偏振分束器或者保偏耦合器。

其中，射频90°混合耦合器则是一个四端口器件，两个端口输入，两个端口输出。经过所述ICR 1处理后的电信号，在输出端分成两组，每组对应了一个偏振态的输出。每组中，又分别有两个相位上正交的输出(I电信号通过C端口输出和Q电信号通过D端口输出)。当ICR 1的X偏振态当中的I电信号和Q电信号分别被送入第一射频90°混合耦合器2的两个输入端口，则在第一射频90°混合耦合器的两个输出端口上分别输出对应于Stokes光和anti-Stokes光的电信号，实现了对Stokes和anti-Stokes光的分离并测量。对ICR 1输出的Y偏振态当中的I电信号和Q电信号分别被送入第二射频90°混合耦合器3的两个输入端口，从而实现了对Y偏振态的Stokes和anti-Stokes光的分离并测量。

如图2所示，本发明提供一种布里渊光时域反射仪BOTDR，可准确测量Stokes光和anti-Stokes光。具体地，本发明布里渊光时域反射仪包括依次连接的激光器4、激光脉冲发生器5、光学环形器6、传感光纤7以及上述斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置；所述测量装置分别对应所述光学环形器和激光器设置。

优选的，本发明布里渊光时域反射仪还包括第二分光器8，所述第二分光器8设置在所述激光器4的输出端，分别与所述激光脉冲发生器5和所述测量装置连接。

如图3所示，本发明还提供一种布里渊频移测量系统，可准确确定布里渊频移值。具体地，本发明布里渊频移测量系统包括上述斯托克斯光和反斯托克斯光的测量装置；测量单元91和计算单元92。

其中，所述测量单元91分别与所述测量装置的第一射频90°混合耦合器2和第二射频90°混合耦合器3连接，用于分别获得Stokes和anti-Stokes光的频率；所述计算单元92与所述测量单元91连接，用于根据所述Stokes光和anti-Stokes光的频率确定布里渊频移值。

进一步地，所述计算单元根据所述Stokes和anti-Stokes光的频率确定布里渊频移值具体包括：计算所述Stokes光和anti-Stokes光的频率的平均值。

具体地，以ICR 1的C端口和D端口输出的X偏振态电信号为例，则该电信号的X偏振态分量可被描述为：

A(t)＝A_ascos(ω_ast+θ_as)+A_scos(ω_st+θ_s)----------(1)；

其中A_as和A_s分别为anti-Stokes光和Stokes光的幅度，ω_as和ω_s分别为anti-Stokes光和Stokes光的角频率，θ_as和θ_s分别为anti-Stokes光和Stokes光的相位。从产生激光脉冲的激光器中经保偏耦合器输出的一路连续波激光作为本振光输入到ICR>

B(t)＝A_locos(ω_lot+θ_lo)----------(2)；

其中A_lo、ω_lo和θ_lo分别为本振光的幅度、角频率和相位。经过ICR>

C(t)∝A_loA_assin[(ω_as-ω_lo)t+(θ_as-θ_lo)]-A_loA_ssin[(ω_lo-ω_s)t+(θ_lo-θ_s)]-------(3)；

而X偏振态分量的Q电信号可表示为：

D(t)∝A_loA_ascos[(ω_as-ω_lo)t+(θ_as-θ_lo)]+A_loA_scos[(ω_lo-ω_s)t+(θ_lo-θ_s)]-------(4)；

当X偏振态分量的I和Q两路电信号被输入到第一射频90°混合耦合器2的两个输入端口时，在第一射频90°混合耦合器的G端口的输出为：

在第一射频90°混合耦合器2的H端口输出为：

可以看出，Stokes光和anti-Stokes光的X偏振态分量分别从第一射频90°混合耦合器2的两个输出端口输出。同样的，对于Stokes光和anti-Stokes光的Y偏振态分量经过ICR 1的E端口和F端口，并通过第二射频90°混合耦合器3的J端口和K端口输出。因此，实现了对Stokes光和anti-Stokes光的分离。

当Stokes光和anti-Stokes光被分离开后，通过测量单元91对Stokes光和anti-Stokes光的频率分别进行测量。这时，分别测得的频率是ω_lo-ω_s和ω_as-ω_lo。通过计算单元92计算这两个频率测量值的平均值作为布里渊频移的测量值，也就是：

根据公式(7)可以看出，这个布里渊频移的测量值ω_B与激光器频率ω_lo无关，而只与Stokes光和anti-Stokes光的频率有关，避免了激光器频率漂移所带来的影响，测量更加准确。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。