一种布里渊测量谱的校正方法、布里渊光时域分析传感系统与流程

本技术涉及分布式光纤传感，具体而言，涉及一种布里渊测量谱的校正方法、布里渊光时域分析传感系统。

背景技术：

1、受激布里渊散射(stimulated brillouin scattering，sbs)是一种光纤光传输中出现的比较典型的非线性过程，当输入进光纤的泵浦光功率足够强时，强电磁场的作用会使光纤分子产生电致收缩效应，使介质的密度和介电常数产生周期性的变化，形成声波场。声波使得散射光和泵浦光之间产生一个布里渊频移，在受激布里渊散射中散射光一般表现为斯托克斯光，即泵浦光产生下变频。布里渊频移的频移量不仅由光纤介质本身的材料特性所决定，还与光纤所处的环境相关，如温度、应力、振动等等。

2、布里渊光时域分析技术(brillouin optical time-domain analysis,botda)是一种基于受激布里渊散射机理的传感分析技术，它可以用于长距离光纤的温度、应力、振动的分布式传感监测，在对通信光缆、建筑、油管、电力线、铁道等距离较长的在服役当中长期受到外力和环境侵蚀的大型基础设施的健康监测上有广阔的应用前景。这种技术在光纤两端分别打入相向传输的泵浦光和探测光，当两束光相遇时会产生受激布里渊散射，发生能量转移，并在两束光的频率差等于布里渊频移时能量转移达到峰值。通过分析探测光的光谱变化，根据布里渊频移与温度、应力、振动等的线性关系，并从时间上计算探测光和泵浦光在光纤中发生散射的位置，可以得到整一条长距离光纤每一位置上的温度、应力、振动等信息。

3、在实际botda系统中，由于泵浦脉冲光频谱线宽不可忽略，且系统中脉冲驱动器的脉冲驱动信号质量受限会导致泵浦脉冲频谱畸变，最终会导致布里渊测量谱的展宽和频率偏移；此外，在传感光纤中由于泵浦脉冲光频率不同时激发sbs的效率不同，能量转移的效率和分布随传输距离累积也会发生变化，因此沿光纤不同位置以及不同频率下的脉冲频谱也不一致，最终引发布里渊测量谱的畸变。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种布里渊测量谱的校正方法、布里渊光时域分析传感系统，用以缓解布里渊测量谱畸变对于测量准确度的影响。

2、第一方面，本技术提供一种布里渊测量谱的校正方法，包括：获取目标连续探测光对应的第一电信号和拍频信号对应的第二电信号；其中，初始连续探测光与初始泵浦脉冲光分别输入传感光纤的两端并在所述传感光纤中发生受激布里渊散射作用，所述传感光纤的两端分别输出第一目标泵浦脉冲光以及所述目标连续探测光，以及，所述初始泵浦脉冲光输入所述传感光纤的一端，所述传感光纤的另一端输出未发生受激布里渊散射作用的第二目标泵浦脉冲光，所述初始泵浦脉冲光与所述本征光同源，所述拍频信号包括所述第二目标泵浦脉冲光与本征光合束后的拍频信号；根据所述第一电信号确定所述传感光纤对应的布里渊测量谱，以及，根据所述第二电信号确定第二拍频谱，所述第二拍频谱为所述第二目标泵浦脉冲光与所述本征光进行拍频对应的拍频谱；对所述布里渊测量谱进行校正处理，得到校正后的布里渊本征谱，其中，所述校正处理包括将所述第二拍频谱与所述布里渊测量谱进行反卷积。

3、在上述方案中，基于布里渊测量谱是泵浦脉冲光频谱和布里渊本征谱的卷积的特性，通过增设一路本征光与泵浦脉冲光进行拍频，借助拍频谱分析所得到的第二拍频谱可表征泵浦脉冲光的频谱，进而可以反卷积出布里渊本征谱，所得到的布里渊本征谱还原了不受泵浦脉冲光频谱线宽、脉冲驱动信号质量、泵浦脉冲光频率影响的布里渊测量谱，能够更加真实地反映传感光纤的布里渊频移，提高了botda系统测量结果的可靠性、精度。

4、作为一种可选的方式，所述拍频信号还包括所述第一目标泵浦脉冲光与所述本征光合束后的拍频信号，所述校正处理还包括：根据所述第二电信号确定第一拍频谱，所述第一拍频谱为所述第一目标泵浦脉冲光与所述本征光进行拍频对应的拍频谱；利用所述第一拍频谱与所述第二拍频谱计算所述初始泵浦脉冲光的目标能量变化系数，其中，所述目标能量变化系数表征所述初始泵浦脉冲光在所述传感光纤中任意一点位置处发生受激布里渊散射作用时的能量变化程度；根据所述目标能量变化系数，对所述布里渊测量谱进行非局部效应的补偿。在上述方案中，利用拍频谱间接计算泵浦脉冲光的目标能量变化系数，根据目标能量变化系数，针对非局部效应引起的误差进行了补偿，进一步提高了botda系统的测量精度，且校正效果优异。

5、作为一种可选的方式，所述利用所述第一拍频谱与所述第二拍频谱计算所述初始泵浦脉冲光的目标能量变化系数，包括：利用所述第一拍频谱与所述第二拍频谱计算所述初始泵浦脉冲光的末端能量变化值，其中，所述末端能量变化值表征所述初始泵浦脉冲光在所述传感光纤末端发生受激布里渊散射作用时的能量变化程度；根据所述末端能量变化值以及所述目标能量变化系数的带参数表达式，计算所述目标能量变化系数的表达式。在上述方案中，利用拍频谱间接计算泵浦脉冲光的目标能量变化系数，根据目标能量变化系数，针对非局部效应引起的误差进行了补偿，进一步提高了botda系统的测量精度，且校正效果优异。

6、作为一种可选的方式，所述利用所述第一拍频谱与所述第二拍频谱计算所述初始泵浦脉冲光的末端能量变化值，包括：利用如下公式计算所述末端能量变化值：其中，d(v,z＝l)为所述末端能量变化值，fp(v，z＝l)为所述第一拍频谱，fpo(v，z＝l)为所述第二拍频谱，v为初始泵浦脉冲光和初始连续探测光之间的频率差，z为所述传感光纤中发生受激布里渊散射作用的位置，l为光纤总长。在上述方案中，给出了如何利用拍频谱间接计算目标能量变化系数的中间公式，得到泵浦脉冲光的能量变化系数后，可用于对布里渊测量谱进行补偿。

7、作为一种可选的方式，所述对所述布里渊测量谱进行校正处理，得到校正后的布里渊本征谱，其中，所述校正处理包括将所述第二拍频谱与所述布里渊测量谱进行反卷积，包括：以所述第二拍频谱为卷积核，将所述第二拍频谱与所述布里渊测量谱进行反卷积。在上述方案，给出了反卷积出布里渊本征谱的具体实践方式。

8、第二方面，本技术实施例提供一种布里渊光时域分析传感系统，包括：连续探测光生成模块，用于向传感光纤一端输入初始连续探测光；泵浦脉冲光生成模块，用于向传感光纤另一端输入初始泵浦脉冲光；第一光电探测器，用于将接收到的目标连续探测光转换为第一电信号；第二光电探测器，用于将接收到的第一目标泵浦脉冲光与本征光的拍频信号以及第二目标泵浦脉冲光与所述本征光的拍频信号转换为第二电信号；光源模块，用于产生输入到所述连续探测光生成模块与所述泵浦脉冲光生成模块的连续光，以及与第一目标泵浦脉冲光和第二目标泵浦脉冲光进行拍频产生拍频信号的所述本征光；数据采集及处理模块，与所述第一光电探测器以及所述第二光电探测器连接，用于接收所述第一电信号和所述第二电信号，并执行第一方面所述的方法。

9、在上述方案中，该系统能够基于布里渊测量谱是泵浦脉冲光频谱和布里渊本征谱的卷积的特性，通过增设一路本征光与泵浦脉冲光进行拍频，借助拍频谱分析所得到的第二拍频谱可表征泵浦脉冲光的频谱，进而可以反卷积出布里渊本征谱，所得到的布里渊本征谱还原了不受泵浦脉冲光频谱线宽、脉冲驱动信号质量、泵浦脉冲光频率影响的布里渊测量谱，能够更加真实地反映传感光纤的布里渊频移，提高了botda系统测量结果的可靠性。

10、作为一种可选的方式，所述连续探测光生成模块包括：连续光调制器、三口环形器；所述连续光调制器用于将所述连续光调制处理成边带调制信号并输出至所述三口环形器的一号端口，从所述三口环形器的二号端口输出的所述边带调制信号作为所述初始连续探测光注入传感光纤的一端。

11、作为一种可选的方式，所述泵浦脉冲光生成模块包括：脉冲光调制器、四口环形器、光滤波器；所述脉冲光调制器用于将所述连续光调制处理成脉冲光信号，所述脉冲光信号输出至所述四口环形器的一号端口后从所述四口环形器的二号端口输出，从所述四口环形器的二号端口输出的所述脉冲光信号作为所述初始泵浦脉冲光注入所述传感光纤的另一端；所述光滤波器设置于所述四口环形器的三号端口和所述四口环形器的四号端口之间，用于滤出所述目标连续探测光中的边带信号。

12、作为一种可选的方式，上述系统还包括：扰偏器，所述扰偏器串接于所述连续光调制器与所述三口环形器之间，所述边带调制信号经所述扰偏器扰偏后输出至所述三口环形器的一号端口；和/或，可调衰减器，所述可调衰减器设置于所述三口环形器的三号端口之后，用于调节所述第一目标泵浦脉冲光与所述第二目标泵浦脉冲光的光功率；和/或，光放大器，所述连续光调制器和所述脉冲光调制器之后分别设置有至少一个所述光放大器，以用于放大所述边带调制信号和所述脉冲光信号的光功率。

13、作为一种可选的方式，所述光源模块包括：激光器，用于输出连续光；第一耦合器，用于将所述激光器输出的连续光分成两路，一路作为所述本征光；第二耦合器，所述第一耦合器输出的另一路注入所述第二耦合器，用于将注入所述第二耦合器的连续光分成两路，一路用于生成所述初始连续探测光，一路用于生成所述初始泵浦脉冲光；第三耦合器，用于将所述本征光和所述第一目标泵浦脉冲光合束，以及将所述本征光和所述第二目标泵浦脉冲光合束。在上述方案中，第三耦合器使得本征光和泵浦脉冲光能够合束并拍频，为系统后续的频谱分析奠定了基础。

14、作为一种可选的方式，所述光源模块包括第一激光器、第二激光器、频率锁定装置；所述连续探测光生成模块包括三口环形器；所述泵浦脉冲光生成模块包括：脉冲光调制器、四口环形器；所述频率锁定装置用于调整所述第一激光器和所述第二激光器输出的连续光的频差；所述第一激光器输出的连续光输出至所述三口环形器的一号端口，从所述三口环形器的二号端口输出的所述连续光作为所述初始连续探测光注入传感光纤的一端；所述第二激光器输出的连续光分为两路，一路作为所述本征光，一路经所述脉冲光调制器调制处理成脉冲光信号，所述脉冲光信号输出至四口环形器的一号端口后从所述四口环形器的二号端口输出，从所述四口环形器的二号端口输出的所述脉冲光信号作为所述初始泵浦脉冲光注入所述传感光纤的另一端。

15、作为一种可选的方式，所述系统还包括：扰偏器，串接于所述第一激光器和所述三口环形器的一号端口之间；和/或，光放大器，所述第一激光器和所述三口环形器的一号端口之间串接有至少一个所述光放大器，所述脉冲光调制器和所述四口环形器的一号端口之间串接有至少一个所述光放大器；和/或，可调衰减器，串接于所述三口环形器的三号端口，用于调节所述第一目标泵浦脉冲光与所述第二目标泵浦脉冲光的光功率；和/或，光滤波器，设置于所述四口环形器的三号端口和所述四口环形器的四号端口之间，用于滤出所述目标连续探测光中的边带信号。

16、本技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例了解。