CN102998025B - 一种脉冲预泵浦瑞利botda温度与应变的测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，它在传感光纤内注入阶梯脉冲光，将预泵浦脉冲光1阶边带产生的后向瑞利散射作为探测光与相向传输的传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，同时传感脉冲与预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波产生的自发布里渊散射信号发生受激布里渊散射作用，再利用返回入射端携带受激布里渊散射信息的探测光获取光纤上各点处的布里渊频移，然后根据布里渊频移与温度/应变的关系，实现沿光纤温度/应变的测量。本发明大大减小了非本地效应对系统性能的影响，有效地解决了空间分辨率与测量精度之间的矛盾，使空间分辨率和测量精度同时得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于时域和谱域整形的脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，属于测量技术领域。
背景技术
基于布里渊散射原理的光纤分布式温度/应变测量技术具有测量精度高、定位准确、距离可达上百公里等独特优点，在电力线缆、大型建筑和水利工程结构、长距离油气管道、蒸汽管道等的健康诊断、故障定位和寿命评估以及地质灾害监测等领域具有广阔的应用前景。
目前国内外布里渊散射分布式光纤传感领域较为成熟的技术包括以下四种：布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）、布里渊光时域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR）、布里渊光相关域分析（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis，BOCDA）和布里渊光频域分析（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，BOFDA）。其中，BOTDA技术利用受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）效应，接收信号强度大，测量精度高，可实现的测量动态范围大，得到了广泛的研究，并取得了重大的进展。在传统BOTDA技术基础上，发展了以下几种方案：①2004年，K. Kishida等首次提出脉冲预泵浦（Pulsed Pre-pump，PPP）BOTDA技术，这种技术是指在脉冲光之前增加一个可以充分激励声子的预泵浦脉冲，从而有效地提高布里渊频移测量精度。②2008年，X.Bao等人在BOTDA系统中采用差分脉冲泵浦法，即将一对宽度不同的脉冲注入光纤中，将其各自产生的布里渊频谱差分，从而提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。③2009年，Q.Cui等人提出一种利用末端反射微波调制脉冲基底光作探测光的BOTDA技术，该技术采用单端入射简化装置，提供了长距离传感和高精度测量的可能；在此基础上，2011年提出了一种基于瑞利散射的BOTDA温度传感系统，该系统用微波调制脉冲基底产生的瑞利散射作为探测光，可有效地降低系统的偏振敏感性。④2010年，F.R.Barrios等人在BOTDA系统中使用拉曼放大技术，极大地延长了传感距离。
在上述采用新机理、新方法的BOTDA传感系统中，一方面，由于受声子寿命的限制，空间分辨率和测量精度相互制约，无法同时提高；另一方面，由于连续光与脉冲光发生SBS作用，检测端被测信号中包含了传感脉冲区间以外的光纤状态信息，即存在非本地效应的影响，导致布里渊散射谱产生失真，使被测信号强度产生起伏，进而使测量精度下降，难以同时实现长距离、高空间分辨率和高精度的快速测量。其中，Q. Cui提出的瑞利BOTDA系统具有单光源、单端工作和非破坏的优点，但由于利用微波调制的连续脉冲基底产生的瑞利散射作探测光，非本地效应影响严重，系统性能难以进一步提高。因此，迫切需要探索实现高性能温度/应变测量的新机理和新方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于时域和谱域整形的脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，减小非本地效应，同时提高温度/应变测量精度和空间分辨率。
本发明所述方法是以下述技术方案实现的：
一种脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，所述方法所采用的测量系统包括窄线宽激光器、偏振控制器、由微波信号源和阶梯脉冲发生器驱动的电光调制器、微波开关、掺饵光纤放大器、光环行器、光栅滤波器、光滤波器、光电检测器、数据采集与处理单元及计算机，所述激光器、偏振控制器、电光调制器、光放大器、光栅滤波器依次连接后接环行器的第一光口，环行器的第二光口接传感光纤，第三光口依次经光滤波器、光电检测器、数据采集与处理单元接计算机；
测量按如下步骤操作：
窄线宽激光器发出的光经偏振控制器进入电光调制器，由电光调制器将光信号调制为由宽度小于声子寿命的传感脉冲光和经时间有限的微波调制且宽度大于声子寿命的预泵浦脉冲光组成的阶梯脉冲光，该阶梯脉冲光由光放大器放大和光栅滤波器滤除自发热辐射噪声后，经环行器进入传感光纤，预泵浦脉冲光的1阶边带产生的后向瑞利散射作为探测光，与相向传输的传感脉冲光发生受激布里渊散射作用；预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波场，并产生自发布里渊散射信号，传感脉冲与自发布里渊散射信号发生受激布里渊散射作用，返回入射端携带受激布里渊散射信息的探测光经环行器进入光滤波器，经光滤波器滤除上边带信号后进入光电检测器转换成电信号，再由数据采集与处理单元根据电信号求得光纤上各点处的布里渊频移，并根据布里渊频移与温度/应变的关系，解析出光纤上的温度/应变信息，实现沿光纤温度/应变的测量。
上述脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，所述的阶梯脉冲发生器包括T型连接器、信号合成器及两个脉冲信号发生器，第一脉冲信号发生器的输出端接T型连接器的信号输入端，T型连接器的一个信号输出端经时间延迟器接信号合成器的一个输入端，T型连接器的另一个信号输出端接第二脉冲信号发生器的触发信号输入端，第二脉冲信号发生器的输出端接信号合成器的另一个输入端，信号合成器的输出端接电光调制器，
所述阶梯脉冲发生器按如下方式工作：首先由第一脉冲信号发生器产生一个宽度小于声子寿命的电脉冲，该电脉冲经T型连接器后分为两路，其中一路作为第二脉冲信号发生器的触发信号，当该触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽度大于声子寿命且幅值低于传感脉冲的脉冲信号并将该脉冲信号送到信号合成器的一个输入端，T型连接器输出的另一脉冲信号经时间延迟器延时后进入信号合成器的另一个输入端，由信号合成器将其两输入端的输入信号合成为一个阶梯电脉冲。
上述脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，所述的时间有限的微波调制信号，是通过阶梯脉冲信号中预泵浦脉冲的上升沿触发打开微波开关，传感脉冲的上升沿触发关闭微波开关，控制进入电光调制器射频端微波信号的时间实现的，其持续时间等于预泵浦脉冲的持续时间。
本发明在瑞利布里渊光时域分析系统中引入预泵浦脉冲，将时间有限的微波调制预泵浦脉冲光1阶边带产生的瑞利散射作为探测光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，限制受激布里渊散射的作用范围，实现布里渊响应的时域整形；利用微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，预泵浦脉冲光与传感脉冲光共同作用合成布里渊散射谱，实现布里渊散射谱的整形。所述方法可大大减小非本地效应对系统性能的影响，有效地解决空间分辨率与测量精度之间的矛盾，使空间分辨率和测量精度同时得到提高。此外，本方法还可提高系统信噪比，增加传感距离，减少测量时间。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是脉冲预泵浦瑞利BOTDA时域整形原理示意图；
图2是脉冲预泵浦瑞利BOTDA谱域整形原理示意图；
图3是SBS作用的能量转移示意图；
图4是阶梯脉冲发生器原理框图；
图5是本发明的测量系统框图。
图中所用标号清单为：LD、窄线宽激光器，PC、偏振控制器，MSS、微波信号源，MS、微波开关，SPG、阶梯脉冲发生器，EOM、电光调制器，EDFA、掺饵光纤放大器,OC、光环行器，GF、光栅滤波器，OF、光滤波器，PD、光电检测器，DAQ、数据采集与处理单元，C、计算机，FUT、传感测试光纤。
具体实施方式
本发明在瑞利BOTDA系统中引入预泵浦脉冲的思想，在传感脉冲光前加一段预泵浦脉冲光构成阶梯脉冲光。所述方法利用时间有限的微波调制预泵浦脉冲光1阶边带产生的瑞利散射作为探测光与传感脉冲光发生SBS作用，限制受激布里渊散射的作用范围，实现布里渊响应的时域整形，减小非本地效应对系统性能的影响；利用微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，产生自发布里渊散射信号。宽度小于声子寿命的传感脉冲频率保持不变，由于传感脉冲与自发布里渊散射信号之间的频率差为布里渊频移，传感脉冲对预泵浦脉冲0阶基带产生的自发布里渊散射信号进行SBS放大，这样返回入射端的布里渊散射谱（Brillouin Scattering Spectrum，BSS）由谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS和经放大后的谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS叠加而成，加强布里渊散射谱中预泵浦脉冲光的光谱成份，实现布里渊响应的谱域整形，可有效地解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾，使二者同时得到提高，同时提高系统信噪比，增加传感距离，减少测量时间。
所述的时域整形，是指在瑞利BOTDA系统中，将时间有限的微波调制预泵浦脉冲光1阶边带产生的瑞利散射作为探测光与传感脉冲光发生SBS作用，由于微波调制的时间控制，SBS作用限制在阶梯脉冲对应的光纤长度内，经SBS作用的探测光仅携带阶梯脉冲对应长度光纤上的温度/应变信息，可有效地减小由泵浦光和探测光的能量转换累积而引起的非本地效应对系统性能的影响。
所述的谱域整形，是指当阶梯脉冲光注入传感光纤时，其中宽度大于声子寿命的微波调制预泵浦脉冲光0阶基带首先进入光纤预激发声波场，产生自发布里渊散射信号。宽度小于声子寿命的传感脉冲光频率保持不变，其在光纤中与探测光发生SBS作用的同时，由于传感脉冲与自发布里渊散射信号之间的频率差为布里渊频移，传感脉冲对预泵浦脉冲0阶基带产生的自发布里渊散射信号进行SBS放大，这样返回入射端的BSS由谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS和经放大后的谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS叠加而成，加强布里渊散射谱中预泵浦脉冲光的光谱成份。
所述的阶梯脉冲光，是由阶梯脉冲信号代替直流偏压输入电光调制器的偏置端和微波信号输入电光调制器的射频端调制产生的光信号，其是由传感脉冲光和预泵浦脉冲光构成的。
所述的阶梯脉冲信号，是指进入电光调制器偏置端进行调制的信号，其是由T型连接器、信号合成器及第一脉冲信号发生器、第二脉冲信号发生器组成的阶梯脉冲发生器产生的阶梯电脉冲，其由窄脉宽、高幅值的传感脉冲和宽脉宽、低幅值的预泵浦脉冲构成。在阶梯电脉冲的产生过程中应适当选取传感脉冲和预泵浦脉冲的宽度和幅值，将二者之间的SBS作用控制在合理水平，以便更好地实现布里渊响应的时域和谱域整形。
所述的时间有限的微波调制信号，是指控制进入电光调制器射频端进行调制的微波信号时间，其是通过阶梯脉冲信号中预泵浦脉冲的上升沿触发打开微波开关，传感脉冲的上升沿触发关闭微波开关实现的，持续时间等于预泵浦脉冲的持续时间。
本发明的原理如下：
在基于时域和谱域整形的脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统中，电光调制器在微波信号和阶梯脉冲信号的驱动下，将输入的光信号调制为阶梯脉冲光，其中微波信号由阶梯脉冲信号中预泵浦脉冲的上升沿触发打开微波开关，传感脉冲的上升沿触发关闭微波开关实现的，且持续时间等于预泵浦脉冲的持续时间，故微波信号的调制时间限制在预泵浦脉冲的时间内。当阶梯脉冲光注入传感光纤时，首先进入光纤的是预泵浦脉冲光。将时间有限的微波调制预泵浦脉冲光1阶边带产生的瑞利散射作为探测光与传感脉冲光发生SBS作用，如图1所示，相当于将整条测量光纤分成N份长度等于阶梯脉冲对应长度的小段光纤，从而限制SBS的作用范围，经SBS作用的瑞利探测光仅携带阶梯脉冲对应长度光纤上的温度/应变信息，实现了布里渊响应的时域整形，可大大减小非本地效应对系统性能的影响；宽度大于声子寿命的微波调制预泵浦脉冲光0阶基带进入光纤预激发声波场，产生自发布里渊散射信号。宽度小于声子寿命的传感脉冲频率保持不变，其在光纤中与探测光发生SBS作用的同时，由于传感脉冲与自发布里渊散射信号之间的频率差为布里渊频移，传感脉冲对预泵浦脉冲0阶基带产生的自发布里渊散射信号进行SBS放大，同时域整形的原理一样，预泵浦脉冲0阶基带产生的自发布里渊散射信号与传感脉冲发生的SBS作用范围同样限制在阶梯脉冲对应长度光纤内。这样返回入射端的BSS由谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS和经放大后的谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS叠加而成，加强了布里渊散射谱中预泵浦脉冲光的光谱成份，从而实现了布里渊响应的谱域整形，如图2所示。在时域整形中，预泵浦脉冲光调制后产生频率分别为 0- s和 0+ s的1阶边带，其产生的瑞利散射光作为探测光和频率为 0的传感脉冲发生SBS作用的过程中，能量同时由频率为 0+ s的瑞利散射光转移至传感脉冲和由传感脉冲转移至频率为 0- s的瑞利散射光。在谱域整形中，预泵浦脉冲进入光纤后，其0阶基带激发声场，并产生频率为 0- B和 0+ B的斯托克斯（Stokes）光和反斯托克斯（anti-Stokes）光，在和传感脉冲发生SBS作用的过程中，同时域整形中的SBS作用相同，能量同时由anti-Stokes光转移至传感脉冲和由传感脉冲转移至Stokes光，如图3所示。在整个SBS作用过程中传感脉冲的能量减少量很小, 降低了泵浦耗尽效应。此时系统的空间分辨率主要由宽度很窄的传感脉冲宽度决定，频率测量精度主要由谱宽很窄的预泵浦脉冲布里渊散射谱决定，从而有效地解决了空间分辨率与测量精度之间的矛盾，使二者同时得到提高。其次，由于预泵浦脉冲与传感脉冲的共同作用合成新的布里渊散射谱，放大了布里渊散射信号，系统信噪比也得到提高，从而增加传感距离和减少测量时间。
本发明检测携带SBS信息的探测光强度，通过在一定范围内改变微波信号的频率，实现对布里渊频谱的扫描。将携带光纤上不同点处SBS信息的探测光信号采集处理后进行拟合，可得到光纤上每一点的布里渊散射谱，该散射谱上强度最大点处的频率即为光纤上各点处的布里渊频移，根据布里渊频移与温度/应变的关系，解析出光纤上的温度/应变信息，实现沿光纤温度/应变的测量。
本发明还包括阶梯脉冲信号的产生，由T型连接器、信号合成器及第一脉冲信号发生器、第二脉冲信号发生器共同作用，产生最佳的阶梯电脉冲。
本发明还包括基于时域和谱域整形的脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度/应变传感系统设计。
图4所示为本发明设计的阶梯脉冲信号产生方案。首先由第一脉冲信号发生器产生一个窄脉宽、高幅值的电脉冲（脉宽和幅值在第一脉冲信号发生器中设定，脉宽即为传感脉冲的宽度），经T型连接器后分为两路。其中一路作为触发信号输入到第二脉冲信号发生器，当触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽脉宽、低幅值的脉冲信号（脉宽和幅值在第二脉冲信号发生器中设定，脉宽即为阶梯脉冲的宽度）。另一路窄脉冲信号经过一定时间的延时（即预泵浦脉冲宽度）与第二脉冲信号发生器发出的宽脉冲由信号合成器合成一个阶梯电脉冲。
图5所示为本发明拟采用的基于时域和谱域整形的脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度/应变分布式传感系统。1550nm分布反馈式半导体窄线宽激光器发出频率为 0的连续光，经偏振控制器进入EOM，调整偏振控制器使入射到EOM输入端光的偏振态与EOM的偏振轴重合，光信号经由微波信号源(频率为 s)和阶梯脉冲发生器驱动的EOM调制为由传感脉冲光和预泵浦脉冲光组成的阶梯脉冲光，经EDFA放大和光栅滤波器滤除自发热辐射噪声后，再经环行器进入传感光纤。经时间有限的微波调制且宽度大于声子寿命的预泵浦脉冲光首先进入传感光纤，将其1阶边带产生的频率为 0- s和的后向瑞利散射作为探测光，与相向传输的频率为 0的传感脉冲光发生SBS作用，当 s与布里渊频移 B相等时，SBS作用最强；微波调制预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波场，并产生自发布里渊散射信号即频率为 0- B和 0+ B的斯托克斯（Stokes）光和反斯托克斯（anti-Stokes）光，宽度小于声子寿命的传感脉冲频率保持不变，其在光纤中与探测光发生SBS作用的同时，由于传感脉冲与自发布里渊散射信号之间的频率差为布里渊频移，传感脉冲对预泵浦脉冲0阶基带产生的自发布里渊散射信号进行SBS放大。这样返回入射端的BSS由谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS和经放大后的谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS叠加而成。携带SBS信息的探测光经OF滤除上边带信号后，频率为的下边带信号进入光电检测器转换成电信号，再进行高速的数据采集，并对采集的数据进行叠加平均去噪处理。本系统中通过在一定范围内改变微波信号的频率实现对布里渊频谱的扫描，检测携带光纤上不同点处SBS信息的探测光信号强度，采集处理后对微波信号频率进行拟合，可得到光纤上每一点的布里渊散射谱，该散射谱上强度最大点处的频率即为光纤上各点处的布里渊频移，根据布里渊频移与温度/应变的关系，解析出光纤上的温度/应变信息，实现沿光纤温度/应变的测量。
Claims (3)
1.一种脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，其特征是，所述方法所采用的测量系统包括窄线宽激光器（LD）、偏振控制器（PC）、由微波信号源（MSS）和阶梯脉冲发生器（SPG）驱动的电光调制器（EOM）、微波开关（MS）、掺饵光纤放大器（EDFA）、光环行器（OC）、光栅滤波器（GF）、光滤波器（OF）、光电检测器（PD）、数据采集与处理单元（DAQ）及计算机（C），所述激光器（LD）、偏振控制器（PC）、电光调制器（EOM）、掺饵光纤放大器（EDFA）、光栅滤波器（GF）依次连接后接环行器（OC）的第一光口，环行器（OC）的第二光口接传感测试光纤（FUT），第三光口依次经光滤波器（OF）、光电检测器（PD）、数据采集与处理单元（DAQ）接计算机（C）；
测量按如下步骤操作：
所述窄线宽激光器（LD）发出的光经偏振控制器（PC）进入电光调制器（EOM），由电光调制器（EOM）将光信号调制为由宽度小于声子寿命的传感脉冲光和经时间有限的微波调制且宽度大于声子寿命的预泵浦脉冲光组成的阶梯脉冲光，该阶梯脉冲光由掺饵光纤放大器（EDFA）放大和光栅滤波器（GF）滤除自发热辐射噪声后，经光环行器（OC）进入传感测试光纤（FUT），预泵浦脉冲光的1阶边带产生的后向瑞利散射作为探测光，与相向传输的传感脉冲光发生受激布里渊散射作用；预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波场，并产生自发布里渊散射信号，传感脉冲与自发布里渊散射信号发生受激布里渊散射作用，返回入射端携带受激布里渊散射信息的探测光经光环行器（OC）进入光滤波器（OF），经光滤波器（OF）滤除上边带信号后进入光电检测器（PD）转换成电信号，再由数据采集与处理单元（DAQ）根据电信号求得光纤上各点处的布里渊频移，并根据布里渊频移与温度和应变的关系，解析出光纤上的温度和应变信息，实现沿光纤温度和应变的测量。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，其特征是，所述的阶梯脉冲发生器（SPG）包括T型连接器、信号合成器及两个脉冲信号发生器，第一脉冲信号发生器的输出端接T型连接器的信号输入端，T型连接器的一个信号输出端经时间延迟器接信号合成器的一个输入端，T型连接器的另一个信号输出端接第二脉冲信号发生器的触发信号输入端，第二脉冲信号发生器的输出端接信号合成器的另一个输入端，信号合成器的输出端接电光调制器的直流偏置端；
所述阶梯脉冲发生器按如下方式工作：首先由第一脉冲信号发生器产生一个宽度小于声子寿命的电脉冲，该电脉冲经T型连接器后分为两路，其中一路作为第二脉冲信号发生器的触发信号，当该触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽度大于声子寿命且幅值低于传感脉冲的脉冲信号并将该脉冲信号送到信号合成器的一个输入端，T型连接器输出的另一脉冲信号经时间延迟器延时后进入信号合成器的另一个输入端，由信号合成器将其两输入端的输入信号合成为一个阶梯脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲预泵浦瑞利BOTDA温度与应变的测量方法，其特征是，所述的时间有限的微波调制信号，是通过阶梯脉冲信号中预泵浦脉冲的上升沿触发打开微波开关，传感脉冲的上升沿触发关闭微波开关，控制进入电光调制器射频端的微波信号时间实现的，其持续时间等于预泵浦脉冲的持续时间。
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