基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统及其应用的制作方法

本发明属于光纤传感，具体涉及一种基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统及其应用。

背景技术：

1、布里渊光时域分析技术(botda)作为一种分布式光纤传感技术，利用光纤感知外界应变和温度变化，同时对应变和温度进行测量，具有灵敏度高、连续不间断、传感距离长、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀等特点，适用于各种恶劣环境，已在电力电缆、油气管线、火灾监测等领域取得广泛应用。

2、在传统botda系统中，从光纤的两端分别输入泵浦光和探测光，两束光在光纤中相遇会发生布里渊散射，当泵浦光与探测光之间的频率差接近待测光纤的布里渊频移时，泵浦光的能量向探测光转移，称为布里渊放大。通过连续调节探测光的频率，获得光纤的布里渊增益谱，布里渊增益谱的中心频率即为待测光纤的布里渊频移。光纤的应变改变会改变光纤内部声波的速度，进而改变布里渊频移大小，因此可以通过测量布里渊频移得到待测光纤的应变变化。因此检测不同频率下探测光的强度，重建出整根待测光纤的布里渊增益谱，从而得到光纤各个位置的应变信息，可以实现对整根光纤应变分布式测量。

3、为了重建整根待测光纤的布里渊增益谱，botda系统通常需要按一定的频差改变探测光的频率。传统botda进行传感测量时通常受探测光的扫频数目、频率切换速度影响，测量时间一般在数十秒到几十分钟，因此该系统仅适合于应变和温度在静态或缓慢变化情况下的测量。在一些特殊的应用场合，如水下拖曳线缆、海底电缆布设等动态环境监测，对系统的测量速度有了更高的要求。

4、为了提高系统的动态传感测量能力，提出了很多加快扫描速度的方案。如斜坡辅助技术、光学频率梳技术、捷变频技术等。其中斜坡辅助技术是将布里渊增益谱的斜坡当做线性区间，通过检测在斜坡范围内变化时的信号强度来解调布里渊频移，只需一次扫描。但单模光纤的布里渊增益谱带宽约40mhz，限制其传感测试动态范围(应变约600με)。光学频率梳技术是将不同时间单一频率的扫频光替换为同一时间多频率的光频频率梳，无需扫描，但由于频率梳之间自由光谱范围的限制，难以提高传感测量精度。捷变频技术是将数十个扫描波形提起写入任意波形发生器(awg)中，替代微波源进行扫频。awg的频率切换时间在ns量级，与微波源ms量级的频率切换时间相比，大大减少了扫频的频率切换时间，同时也能够保证大的动态范围，但对于单模光纤，其布里渊频移大约在10ghz附近，awg的带宽应高于这个数，对于一个ghz量级的大带宽设备来说，使用成本较为昂贵。

5、因此，随着分布式光纤传感系统的不断改进，在实际应用中，希望在满足高分辨率、高精度、动态范围的情况下进一步降低传感系统的使用成本。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统及其应用解决上述提到的技术问题，具体采用如下的技术方案：

2、一种基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统，包括窄线宽激光器、光纤耦合器、偏振控制器、低频捷变频模块、半导体光放大器、现场可编程门阵列、第二掺饵光纤放大器、第二环形器、单边带调制器、微波源、扰偏器、光隔离器、待测光纤、光电探测器和数据采集模块；

3、窄线宽激光器发出的激光经过光纤耦合器分为两路，第一路光用于产生泵浦光，第二路光用于产生探测光；

4、第一路光经偏振控制器输出为水平偏振光p光，经过低频捷变频模块后输出发生上变频的水平偏振光p光；上变频的水平偏振光p光经过半导体光放大器，半导体光放大器在现场可编程门阵列的控制下，将输入的上变频的水平偏振光p光调制为上变频脉冲光，生成的上变频脉冲光经过第二掺饵光纤放大器被放大为泵浦光；泵浦光经第二环形器的1端口输入，2端口输出进入待测光纤；

5、第二路光进入单边带调制器，单边带调制器在微波源控制下将输入的激光下变频调制为探测光；探测光依次经过扰偏器和光隔离器后进入待测光纤；

6、泵浦光与探测光在待测光纤中相遇，发生布里渊散射，当泵浦光与探测光之间的频率差满足布里渊放大条件时，泵浦光的能量向探测光转移，探测光强被布里渊放大后由第二环形器的3端口输出，经过光电探测器转化为电信号，被数据采集模块接收。

7、在一实施例中，低频捷变频模块包括第一环形器、0°偏振分束器、声光移频器、直接数字频率合成器、法拉第旋光镜、保偏反射器和第一掺饵光纤放大器；

8、偏振控制器输出的水平偏振光p光通过第一环形器的1端口进入低频捷变频模块后，经第一环形器的2端口依次第1次通过0°偏振分束器，p’端口输入，p端口输出，第1次通过声光移频器，在法拉第旋光镜处发生反射并将水平偏振光p光转化为垂直偏振光s光；反射后的垂直偏振光s光依次第2次通过声光移频器，第2次通过0°偏振分束器，p端口输入，s’端口输出，在保偏反射器处发生反射但不改变偏振方向；反射后的垂直偏振光s光依次第3次通过0°偏振分束器，s’端口输入，p端口输出，第3次通过声光移频器，在法拉第旋光镜处发生反射并将垂直偏振光s光转化为水平偏振光p光；反射后的水平偏振光p光依次第4次通过声光移频器，第4次通过0°偏振分束器，p端口输入，p’端口输出，经第一环形器的3端口进入第一掺饵光纤放大器；

9、在直接数字频率合成器对声光移频器的调制下，激光每经过一次声光移频器都发生一次上变频，发生4次上变频的水平偏振光p光经过第一掺饵光纤放大器被放大后输出低频捷变频模块。

10、本发明的低频捷变频模块利用数字频率合成器dds驱动声光移频器进行激光上移频调制，将变频部分从10ghz量级降低到百mhz量级，大大降低了系统搭建时所需设备的指标要求。

11、在一实施例中，现场可编程门阵列输出两路触发信号，其中一路被直接数字频率合成器接收，另一路被数据采集模块接收；

12、直接数字频率合成器输出一路触发信号，被微波源接收；

13、直接数字频率合成器和现场可编程门阵列各自触发信号的上升沿对准各自相应调制信号周期的起始端；

14、直接数字频率合成器和现场可编程门阵列的触发信号和调制信号以及微波源的调制信号时钟同步。

15、在一实施例中，低频捷变频模块中的光纤器件均为保偏光纤器件。

16、在一实施例中，直接数字频率合成器输出正弦调制信号，其调制频率fd(t)为n个频率随时间t阶跃变化的波列，n≥1：

17、

18、其中，fd0为波列的初始频率，fs为波列的步进量，td为正弦调制信号扫描周期；

19、偏振控制器输出的水平偏振光p光经过低频捷变频模块后变为周期为td的n个频率随时间t阶跃变化的扫频光，其频率fm(t)被调制为：

20、fm(t)＝f0+4fd(t)

21、其中，f0为窄线宽激光器(1)发出激光的频率。

22、在一实施例中，现场可编程门阵列输出脉冲调制信号，其脉冲调制重复周期trp为：

23、

24、其中，vg表示光纤中的光速，l为待测光纤的长度；

25、正弦调制信号扫描周期td与脉冲调制重复周期trp的关系为：

26、td＝n×trp

27、其中，n为数据采集模块采集到的数据平均次数。

28、在一实施例中，微波源输出射频调制信号，其频率frf(t)为nrf个频率阶跃变化的波列：

29、

30、其中，vb0为待测光纤自由状态下的布里渊频移，δv-为待测光纤的最大负应变，δv+为待测光纤的最大正应变，trf为射频调制信号周期，nrf为射频阶跃变化次数，max(fd(t))为直接数字频率合成器的调制频率范围区间最大值，min(fd(t))为直接数字频率合成器的调制频率范围区间最小值；

31、探测光的频率fn(t)经过单边带调制器被调制为：

32、fn(t)＝f0+frf(t)

33、当|δv-|+|δv+|≤δfd时，微波源(10)输出射频调制信号频率为固定值；

34、射频调制信号周期trf与正弦调制信号扫描周期td的关系为：

35、trf＝n×td。

36、在一实施例中，所述基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统还包括第三环形器和光纤光栅滤波器；

37、探测光强被布里渊放大后由第二环形器的3端口输出，经第三环形器、进入光纤光栅滤波器后滤出的下边带，再次经第三环形器，进入光电探测器转化为电信号，被数据采集模块接收。

38、本发明还提供了所述的基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统在光纤应变测量中的应用。

39、作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种基于所述的基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统进行光纤应变测量的方法，包括：

40、窄线宽激光器发出激光经过光纤耦合器分为两路，第一路光用于产生泵浦光，第二路光用于产生探测光；

41、第一路光经偏振控制器输出为水平偏振光p光，经过低频捷变频模块后输出发生上变频的水平偏振光p光；上变频的水平偏振光p光经过半导体光放大器，半导体光放大器在现场可编程门阵列输出的触发信号的控制下，将输入的上变频的水平偏振光p光调制为上变频脉冲光，生成的上变频脉冲光经过第二掺饵光纤放大器被放大为泵浦光；泵浦光经第二环形器的1端口输入，2端口输出进入待测光纤；

42、第二路光进入单边带调制器，单边带调制器在微波源控制下将输入的激光下变频调制为探测光；探测光依次经过扰偏器和光隔离器后进入待测光纤；

43、泵浦光与探测光在待测光纤中相遇，发生布里渊散射，当泵浦光与探测光之间的频率差满足布里渊放大条件时，泵浦光的能量向探测光转移，探测光强被布里渊放大后由第二环形器的3端口输出，经过光电探测器转化为电信号，被数据采集模块接收；

44、根据数据采集模块接收到信号的时间确定受激布里渊作用在待测光纤当中的具体位置，当完成一个频率下所有扫描周期后，得到该频率下待测光纤每一个空间位置处的布里渊增益值；当完成所有频率的扫描后，所接收到的数据经过多次平均、小波变换方式降噪，并通过洛伦兹拟合找到最高峰，得到待测光纤每一个空间位置处的布里渊移频vb；

45、根据布里渊频率频移量与应变之间的关系，完成待测光纤每一个空间位置处在当前状态下的应变ε测量：

46、vb＝vb0+cε·ε

47、其中，cε代表应变变化灵敏度系数，vb0为待测光纤自由状态下的布里渊频移。

48、本发明的有益之处在于所提供的基于低频捷变频技术的快速分布式布里渊传感系统，对光纤分布式应变测量提供了一种具有高性能、低成本、使用灵活的测试方法。

49、本发明采用低频捷变频技术，将变频的部分从10ghz量级降低到百mhz量级，大大降低了系统搭建时所需设备的指标要求，降低了系统成本。又结合光的反射与偏振特性，使输入的偏振光4次经过频移器件(aof)后，产生调制频率4倍的百兆赫兹量级的上变频光，且输出不改变原始光的偏振态。这样就可以采用上变频光频率1/4的正弦信号产生设备(dds)来驱动频移器件(aof)，更进一步降低了捷变频信号对发生设备的带宽要求。

50、区别于传统马赫曾德调制器mzm经过频率调制后存在载波与上下边带难以分离，而造成信噪比下降的问题，本发明通过声光移频器作为低频捷变频中的光频上变频器件，采用直接数字频率合成器作为正弦信号产生设备，将信号通过模数转换和低通滤波器形成模拟波形输出。由于其的开环结构特点，使得频率切换时间极短。由此搭建的低频捷变频模块具有频率分辨率高、频率切换时间短、调制灵活、成本低廉、稳定性强等优点。