光纤布里渊分布式测量光路、装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及的是一种光纤布里渊分布式测量光路、 装置和方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感技术是一种新型的传感技术，具有测量精度高、抗电磁干扰和分布式测 量等优点，在电力、建筑、石油和水利等行业大型工程结构健康状况在线监测和故障点定 位中应用前景广阔。目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统从方案上主要分为三 种：基于布里渊光时域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, B0TDR) 的光纤传感技术、基于布里渊光频域分析（Brillouin Optical FrequencyDomain Analysis, B0FDA)的光纤传感技术和基于布里渊光时域分析（BrillouinOptical Time Domain Analysis, B0TDA)的光纤传感技术。其中，BOTDR测量的是自发布里渊散射信号，而 由于自发布里渊散射信号相对较弱，所以检测难度较大。而在BOFDA的测量技术中，存在所 需测量时间长，对测量光纤所处环境要求高，且信号检测设备昂贵等缺点。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤布里渊分布式测量光路、 装置和方法，以解决现有光纤测量精度不高的技术缺陷。
[0004] 为此，本发明实施方式提供了一种光纤布里渊分布式测量光路，包括第一耦合器、 第二耦合器、第三耦合器、第一环形器、第一光通道、第二光通道、传感光纤、第三光通道和 第四光通道，
[0005] 所述第一親合器的两个输出端口分别与所述第一光通道的输入端和第二光通道 的输入端连接，所述第一光通道的输出端与第二耦合器的输入端口连接，所述第二耦合器 的一个输出端口经第一偏振控制器与所述第三I禹合器的一个输入端口连接，另一输出端口 经所述第三光通道与所述传感光纤的一端连接；
[0006] 所述第二光通道的输出端与所述第一环形器的第一端口连接，所述第一环形器的 第二端口与所述传感光纤的另外一端连接，所述第一环形器的第三端口与光栅连接，所述 第一环形器的第四端口与第四光通道的输入端连接；所述第四光通道的输出端与所述第三 親合器的一输入端口连接。
[0007] 作为一种优选的技术方案，所述第一光通道从输入端至输出端依次包括第二偏振 控制器、相位型电光调制器。
[0008] 作为一种优选的技术方案，所述第二光通道从输入端至输出端依次包括第三偏振 控制器、强度型电光调制器、掺铒光纤放大器、第二环形器、光隔离器，所述第二环形器的第 一端口与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，第二端口与光栅连接，第三端口与所述光隔 离器的输入端口连接。
[0009] 作为一种优选的技术方案，所述第三光通道从输入端至输出端依次包括光滤波 器、光隔离器和扰偏器。
[0010] 作为一种优选的技术方案，所述第四光通道从输入端至输出端依次包括掺铒光纤 放大器、第三环形器、双通马赫曾德尔干涉仪，所述第三环形器的第一端口与所述掺铒光纤 放大器的输出端连接，第二端口与光栅连接，第三端口与所述双通马赫曾德尔干涉仪的输 入端口连接。
[0011] 本发明实施方式还提供了一种光纤布里渊分布式测量装置，包括激光器、光电检 测器和数据采集处理模块，还包括上述的光纤布里渊分布式测量光路，所述激光器与所述 第一耦合器的输入端口连接，所述光电检测器与所述数据采集与处理模块连接，所述第三 親合器的一输出端口与所述光电检测器连接。
[0012] 本发明实施例又提供了一种光纤布里渊分布式测量方法，包括：
[0013] 将激光器发出的激光分成两路光信号，其中一路光信号调制成脉冲光，另外一路 光信号调制成具有布里渊频移频率的连续光；
[0014] 将所述连续光分成第一脉冲连续光信号和第二连续光信号；
[0015] 将所述第一连续光信号和所述脉冲光在传感光纤中产生受激布里渊散射，产生布 里渊散射光；
[0016] 将所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉，经数据分析处理后得到测 量结果。
[0017] 作为一种优选的技术方案，所述第一脉冲光强度占所述连续光光强度的95%。
[0018] 作为一种优选的技术方案，所述"将所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进 行干涉，经数据分析处理后得到测量结果"的步骤包括：
[0019] 根据所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉结果，获取布里渊频移；
[0020] 根据下式计算温度：
[0021] νΒ(Τ，0) = νΒ(Τ〇,0) [1+1. 18*10-4ΔΤ]
[0022] 其中：ν Β (Τ，0)表示应变ε为0且保持不变时，布里渊散射光频移随温度变化的 关系式；Ttl为参考温度，一般取20°C ;v B (Ttl, 0)表示温度为20°C，应变ε为0时布里渊散射 光的频移量；ΔΤ = T-Ttl为相对于参考温度的温度变化量。
[0023] 作为一种优选的技术方案，所述"将所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进 行干涉，经数据分析处理后得到测量结果"的步骤包括：
[0024] 根据所述布里渊散射光与所述第二连续光信号进行干涉结果，获取布里渊频移；
[0025] 根据下式计算应变：
[0026] νΒ (Τ〇, ε ) = Vb(T0jO) (1+4.48 ε )
[0027] 其中：νΒ(Τ。，ε )表示温度为参考温度（Ttl= 20°C )时，布里渊频移随应力ε变 化的关系式；VB (Ttl, 0)表示温度为参考温度（Ttl= 20°C )、应力ε为0时的布里渊频移量。
[0028] 与现有技术相比，本发明实施方式具有如下有益效果：
[0029] 1.该测量光路、装置和方法采用单光源输入，利用双端输入激光来激发布里渊散 射，这样使得测量系统得到简化并且测量精度更高；
[0030] 2.利用双通马赫曾德尔干涉仪来实现受激布里渊散射和瑞利散射的分离，使得分 离效果更好，提高了测量精度；
[0031] 3.传感光纤的一端输入脉冲光、另一端输入连续光来激发布里渊散射，这样加强 了反斯托克斯成分，如果反斯托克斯光的强度足够强，那么相对而言斯托克斯光的强度则 较弱，可以被忽略，这样既解决了输入光脉冲光度和空间分辨率的矛盾，又可以避免使用高 精度的滤光器；
[0032] 4.本发明实施方式不再需要额外参考光的外差干涉方法来检测布里渊频移，参考 光经过电光调制器进行调制产生约IlGHZ的连续信号，与经过滤波处理过的探测光在光电 传感器进行外差干涉，进一步简化了系统。
【附图说明】
[0033] 图1是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量光路的结构示意图；
[0034] 图2是图1示出实施方式中双通马赫曾德尔干涉仪的结构图；
[0035] 图3是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量装置的结构示意图；
[0036] 图4是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量方法的流程图；
[0037] 图5是是没有施加温度和应变时的布里渊后向散射强度-频移量-距离和温度变 化关系图；
[0038] 图6是在传感光纤的3000m距离处改变一温度时的受激布里渊后向散射强度-频 移量-距离和温度的关系图；
[0039] 图7是在传感光纤的3000m距离处施加一微应力时的受激布里渊后向散射强 度-频移量-距尚和温度的关系图；
[0040] 图中：
[0041] 100 :光纤布里渊分布式测量光路；111 :第一親合器；112 :第二親合器；113 :第一 偏振控制器；114 :第三親合器；115 :第一环形器；116 :光栅；117 :传感光纤；120 :第一光 通道；121 :第二偏振控制器；122 :相位型光电调制器；130 :第二光通道；131 :第三偏振控 制器；132 :强度型电光调制器；133 :掺铒光纤放大器；134 :第二环形器；135 :光隔离器； 140 :第三光通道；141 :光滤波器；142 :光隔离器；143 :扰偏器；150 :第四光通道；151 :掺 铒光纤放大器；152 :第三环形器；153 :双通马赫曾德尔干涉仪；1531 :耦合器；1532 :压电 陶瓷；1533 :耦合器；1534 :光纤；1535 :光隔离器；1536 :直流电压控制器；200 :激光器； 300 :光电检测器；400 :数据采集与处理模块。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步说明。
[0043] 参见图1，图1是本发明实施方式提供的光纤布里渊分布式测量光路的结构示意 图。图1示出的光纤布里渊分布式测量光路100包括第一耦合器111、第二耦合器112、第 三耦合器114、第一环形器115、第一光通道120、第二光通道130、传感光纤117、第三光通道 140和第四光通道150。
[0044] 其中，第一親合器111的两个输出端口分别与第一光通道120的输入端和第二光 通道130的输入端连接，第一光通道120的输出端与第二耦合器112的输入端口连接。第 二親合器112的一个输出端口经第一偏振控制器113与第三親合器114的一个输入端口连 接，另一输出端口经第三光通道140与传感光纤117的一端连接。
[0045] 第二光通道130的输出端与第一环形器115的第一端口连接，第一环形器115的 第二端口与传感光纤117的另外一端连接，第一环形器115的第三端口与光栅连接，第一环 形器115的第四端口与第四光通道150的输入端连接。第四光通道150的输出端与第三耦 合器114的一输入端口连接。
[0046] 请参阅图1，第一光通道120从输入端至输出端依次包括第二偏振控制器121、相 位型光电调制器122。第二光通道130从输入端至输出端依次包括第三偏振控制器131、强 度型电光调制器132、掺铒光纤放大器133、第二环形器134、光隔离器135,第二环形器134 的第一端口与掺铒光纤放大器133的输出端连接，第二端口与光栅116连接，第三端口与光 隔离器135的输入端口连接。第三光通道140从输入端至输出端依次包括光滤波器141、 光隔离器142和扰偏器143。第四光通道150从输入端至输出端依次包括掺铒光纤放大器 151、第三环形器152、双通马赫曾德尔干涉仪153,第三环形器152的第一端口与掺铒光纤 放大器151的输出端连接，第二端口与光栅116连接，第三端口与双通马赫曾德尔干涉仪 153的输入端口连接。
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