一种混沌外调制的布里渊光时域反射温度与应变检测装置

1.本发明涉及布里渊光时域反射仪，属于分布式光纤传感技术领域，更具体地说，本发明涉及一种混沌外调制的布里渊光时域反射温度与应变检测装置。


背景技术：

2.近年来，布里渊光时域反射仪由于其具有单端注入、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，广泛应用于电缆覆冰监测、周界安防、输气管线安全检测等领域。由于交叉敏感问题的存在，长期以来布里渊光时域反射仪仅用于对温度或应变的单参量测量，随着科技水平的发展，单参量测量的光纤传感系统已经不能满足实际的应用需要。在现有交叉敏感问题解决方案中，铺设双路传感光纤的方案存在施工困难、成本较高的问题；利用布里渊散射谱特征设置双参量矩阵解调温度和应变的方案存在受外界环境影响较大，测量精度不够高的问题。利用布里渊联合拉曼散射是较为实用的解决交叉敏感问题的方案，但在传统的方案中，由于相干瑞利噪声等噪声的影响，存在系统中信噪比较低的问题。因此，提升系统测量精度和信噪比，成为布里渊联合拉曼散射实现温度与应变同时测量急需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种混沌外调制的布里渊光时域反射温度与应变检测装置硬件结构的改进。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种混沌外调制的布里渊光时域反射温度与应变检测装置，包括窄线宽混沌外调制激光模块、光纤后向散射光信号采集模块、瑞利后向散射光强度信息采集模块、布里渊后向散射光强度信息采集模块、布里渊频移信息及温度/应变位置信息采集模块、信号处理模块，所述窄线宽混沌外调制激光模块将连续窄线宽激光信号外调制成窄线宽混沌信号，随后进入光纤后向散射光信号采集模块，获得光纤中的布里渊后向散射光信号和瑞利后向散射光信号，瑞利后向散射光信号输入瑞利后向散射光强度信息采集模块获取瑞利后向散射光强度信息并发送至信号处理模块，布里渊后向散射光信号输入布里渊后向散射光强度信息采集模块获取布里渊后向散射光强度信息并发送至信号处理模块，将通过布里渊频移信息及温度/应变位置信息采集模块获取的布里渊频移信息以及通过混沌互相关获取的温度/应变位置信息发送至信号处理模块。
5.所述窄线宽混沌外调制激光模块包括窄线宽激光器、电光调制模块、第一光耦合器、自发辐射源、第二光环形器、第四光滤波器、可调光衰减器、第三光环形器、半导体激光器、第五光电探测器，所述自发辐射源的输出端连接第二光环形器的a端，第四光滤波器连接第二光环形器的b端，第二光环形器的c端经可调光衰减器连接第三光环形器的a端，半导体激光器连接第三光环形器的b端，第三光环形器的c端经第五光电探测器连接电光调制模块，窄线宽激光器输出的连续光信号在电光调制模块被外调制成混沌光，电光调制模块的输出端接第一光耦合器的a端，将混沌光信号分为探测光路和参考光路，分别输入光纤后向
散射光信号采集模块、布里渊频移信息及温度/应变位置信息采集模块。
6.所述光纤后向散射光信号采集模块包括脉冲光调制模块、第一光放大器、第一光滤波器、第一光环形器、传感光纤、第二光放大器、第二光滤波器、扰偏器、第二光耦合器、第三光耦合器，所述第一光耦合器的b端输出第一路光信号作为探测光顺次经脉冲光调制模块、第一光放大器、第一光滤波器输入第一光环形器的a端，第一光环形器的b端连接传感光纤，获得光纤中的布里渊后向散射光信号和瑞利后向散射光信号，后向散射光信号经第一光环形器的c端输出后经第二光放大器、第二光滤波器传输至第三光耦合器的a端，第三光耦合器输出的光分为两路，分别输入瑞利后向散射光强度信息采集模块、布里渊后向散射光强度信息采集模块、布里渊频移信息及温度/应变位置信息采集模块，所述第一光耦合器的c端输出的第二路光信号作为参考光经扰偏器输入第二光耦合器的a端，第二光耦合器输出光分为两路，输入布里渊频移信息及温度/应变位置信息采集模块。
7.所述瑞利后向散射光强度信息采集模块包括第一光电探测器、低通滤波器，所述第三光耦合器的c端输出的第一路光输入至第一光电探测器的输入端；第一光电探测器的输出端接低通滤波器的输入端，滤出瑞利后向散射光信号后输入信号处理模块，进行瑞利后向散射光强度信息的采集。
8.所述布里渊后向散射光强度信息采集模块包括可调谐滤波器、第三光放大器、第三光滤波器、第四光耦合器、第二光电探测器，所述第三光耦合器的b端输出的第二路光由可调谐滤波器滤出布里渊后向散射光信号后先后经第三光放大器、第三光滤波器输入第四光耦合器的a端，第四光耦合器将光分为两路，第四光耦合器的c端输出的第一路光经第二光电探测器输入信号处理模块，进行布里渊后向散射强度信息的采集。
9.所述布里渊频移信息及温度/应变位置信息采集模块包括第五光耦合器、第三光电探测器、混频器、微波源、第四光电探测器，所述第二光耦合器输出光分为两路，第二光耦合器的c端输出的第一路光与第四光耦合器的b端输出的第二路光分别输入第五光耦合器a端和b端进行拍频处理，第五光耦合器的c端输出的光经第三光电探测器输入混频器的a端，混频器的b端连接微波源，第三光电探测器输出的信号与微波源输出的信号在混频器中进行移频，混频器的c端连接模数转换模块的第一输入端；第二光耦合器的b端输出的第二路光经第四光电探测器输入信号处理模块。
10.所述信号处理模块包括fpga模块、模数转换模块、数据采集处理模块，所述模数转换模块的输入端分别连接混频器的c端和第四光电探测器的输出端，所述模数转换模块的输出端连接fpga模块，在fpga模块中进行混沌互相关处理，基于互相关峰解调出温度/应变位置信息，之后接入数据采集处理模块的c端，在数据采集处理模块中进行布里渊频移信息的解调，所述数据采集处理模块的a端连接低通滤波器的输出端，所述数据采集处理模块的b端连接第二光电探测器的输出端。
11.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：一、本发明将窄线宽激光信号调制为混沌光，窄线宽保证了布里渊频移的测量精度，空间分辨率取决于探测脉冲宽度，混沌互相关峰的半高全宽影响系统的空间分辨率，因此本发明能够不受探测脉冲宽度对系统空间分辨率的限制，实现高空间分辨率、高精度探测；二、本发明通过将窄线宽激光信号调制为窄线宽混沌信号，对于采用窄线宽激光
信号作为探测光时，系统中存在的相干瑞利噪声进行了很好的抑制，提升了系统的信噪比，实现了对温度和应变的高精度探测；三、本发明通过探测瑞利后向散射光强度信息弥补光纤中布里渊后向散射光强度损耗，同时探测了布里渊后向散射光的频移信息与强度信息，利用后向散射光的频移信息与强度信息对温度和应变同时敏感的特性，解决交叉敏感问题，实现了温度和应变的同时测量。
附图说明
12.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明的结构示意图；图中：1、窄线宽激光器
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2、电光调制模块
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3、第一光耦合器
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4、脉冲光调制模块
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5、第一光放大器
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6、第一光滤波器
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7、第一光环形器
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8、传感光纤
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9、第二光放大器
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10、第二光滤波器
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11、扰偏器
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12、第二光耦合器
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13、第三光耦合器
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14、第一光电探测器
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15、低通滤波器
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16、可调谐滤波器
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17、第三光放大器
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18、第三光滤波器
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19、第四光耦合器
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20、第二光电探测器
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21、第五光耦合器
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22、第三光电探测器
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23、混频器
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24、微波源
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25、fpga模块
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26、第四光电探测器
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27、模数转换模块
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28、自发辐射源
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29、第二光环形器
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30、第四光滤波器
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31、可调光衰减器
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32、第三光环形器
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33、半导体激光器
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34、第五光电探测器
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35、数据采集处理模块。
具体实施方式
13.如图1所示，本发明本发明提供了一种混沌外调制的布里渊光时域反射温度与应变检测装置。通过同时探测布里渊后向散射光强度、瑞利后向散射光强度、布里渊频移情况，克服了温度和应变的交叉敏感问题，实现了对温度和应变的同时测量；通过混沌互相关原理保证了对温度和应变的高精度、高空间分辨率测量。包括窄线宽激光器1、电光调制模块2、第一光耦合器3、脉冲光调制模块4、第一光放大器5、第一光滤波器6、第一光环形器7、传感光纤8、第二光放大器9、第二光滤波器10、扰偏器11、第二光耦合器12、第三光耦合器13、第一光电探测器14、低通滤波器15、可调谐滤波器16、第三光放大器17、第三光滤波器18、第四光耦合器19、第二光电探测器20、第五光耦合器21、第三光电探测器22、混频器23、微波源24、fpga模块25、第四光电探测器26、模数转换模块27、自发辐射源28、第二光环形器29、第四光滤波器30、可调光衰减器31、第三光环形器32、半导体激光器33、第五光电探测器34和数据采集处理模块35。
14.图1是本发明基于混沌外调制的布里渊光时域反射温度应变同时检测装置的结构示意图，下面结合图1说明本发明的具体实施方式：按照探测数据的不同将光路分为a、b、c三路。
15.所述窄线宽激光器1发出1550nm的激光信号，其输出端接电光调制模块2的输入端；所述自发辐射源28产生的光接第二光环形器29的a端，其b端接第四光滤波器30滤出放大自发辐射噪声；所述第二光环形器29的c端接可调光衰减器31减小功率，调整至合适功率的光信号输入第三光环形器32的a端，第三光环形器32的b端接半导体激光器33产生混沌激光信号，第三光环形器32的c端经第五光电探测器34连接电光调制模块2，利用产生的混沌
激光信号对电光调制模块2进行外调制，将窄线宽激光器1发出的1550nm激光信号调制成混沌光。电光调制模块2的输出端接第一光耦合器3的a端，将混沌光信号分为光功率占比80%的探测光路和光功率占比20%的参考光路；第一光耦合器3的b端接脉冲光调制模块4的输入端，将混沌光信号调制成混沌脉冲光；所述脉冲光调制模块4的输出端接第一光放大器5的输入端，对脉冲光功率进行放大；所述第一光放大器5的输出端接第一光滤波器6的输入端，滤出自发辐射噪声噪声；第一光滤波器6的输出端接第一光环形器7的输入端a端；所述第一光环形器7的反射端b端接传感光纤8，获得光纤中的布里渊后向散射光信号和瑞利后向散射光信号，后向散射光信号经第一光环形器7的c端输出；第一光环形器7的输出端c端接第二光放大器9的输入端，对后向散射光功率进行放大；所述第二光放大器9的输出端接第二光滤波器10的输入端，滤出噪声后接第三光耦合器13的a端，在第三光耦合器13中光信号被分成光功率占比80：20的两路。
16.在a路中，所述第三光耦合器13的输出端c端接第一光电探测器14的输入端，将光信号转化为电信号；第一光电探测器14的输出端接低通滤波器15的输入端，滤出瑞利后向散射光信号后接数据采集处理模块35的a输入端，采集瑞利后向散射光强度信息。
17.在b路中，所述第三光耦合器13的输出端b端接可调谐滤波器16的输入端，滤出布里渊后向散射光信号；所述可调谐滤波器16的输出端接第三光放大器17的输入端，放大后向散射光信号；第三光放大器17的输出端接第三光滤波器18的输入端，滤出放大自发辐射噪声；所述第三光滤波器18的输出端接第四光耦合器19的输入端a端，分为光功率占比50：50的两路；所述第四光耦合器19的输出端c端接第二光电探测器20的输入端，将光信号转为转为电信号；所述第二光电探测器20的输出端接数据采集处理模块35的b输入端，采集布里渊后向散射光强度信息。利用瑞利后向散射光强度信息弥补传感光纤中布里渊后向散射光强度的损耗，解调出光纤中的光信号的强度信息。
18.在c路中，所述第一光耦合器3的c端接扰偏器11的输入端，使光的偏振态变为随机状态；所述扰偏器11的输出端接第二光耦合器12的a端，将参考光分为光功率占比50：50的两路；第二光耦合器12的c端与第四光耦合器19的输出端b端分别接第五光耦合器21的a、b输入端，将探测光信号与参考光信号进行拍频；所述第五光耦合器21的输出端接第三光电探测器22的输入端，对拍频光进行光电转换；所述第三光电探测器22的输出端接混频器23的输入端a端，进行混频；微波源24的输出端接混频器23的输入端b端，输出本振信号；混频器23的输出端c端接模数转换模块27的第一输入端，进行模数转换处理；所述模数转换模块27的输出端接fpga模块25的输入端；所述第二光耦合器12的输出端c端接第四光电探测器26的输入端，进行光电转换处理；第四光电探测器26的输出端接模数转换模块27的第二输入端，进行模数转换处理；模数转换模块27的输出端接fpga模块25的输入端。在fpga模块25中，参考信号与探测信号进行互相关处理，利用混沌光的特性，根据互相关峰的位置可以解调出频移发生的位置，从而解调出温度及应变发生的位置信息。fpga模块25的输出端接数据采集处理模块35的c输入端，进行布里渊后向散射的频移信息的采集。
19.传感光纤中布里渊散射强度和布里渊频移信息受温度和应变的影响情况如下：
；其中，ε指光纤的应变信息，t指光纤的温度信息，vb指系统中的布里渊频移，pb指系统中的布里渊后向散射强度，pr指系统中的瑞利后向散射强度，、分别指布里渊频移相对应变和温度的参数，、分别指布里渊强度相对应变和温度的参数。
20.从上述公式可得，布里渊散射强度和布里渊频移与温度和应变呈线性关系。由于光纤中存在布里渊后向散射强度信号损耗的情况，在实际测量过程中取布里渊散射信号强度与瑞利后向散射信号强度的比值作为布里渊散射强度。由于布里渊后向散射的频移信息和强度信息都对温度和应变同时敏感，利用采集到的布里渊后向散射频移和强度信息，最终可以同时解调出光纤中温度和应变的变化情况。
21.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
22.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。