[發明專利]一種噪聲調制線陣CCD采集的免掃頻BOTDA裝置

有效

• 申請號: 202010513250.0
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111721438B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 王濤;趙婕茹;張明江;張倩;劉靖陽;張建忠;喬麗君;高少華
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01K11/322
• 分類號: G01K11/322;G01B11/16
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 趙江艷

本發明屬于分布式光纖傳感監測技術領域，公開了一種基于噪聲調制和線陣CCD采集的免掃頻BOTDA裝置，包括窄線寬激光器，窄線寬激光器發出的激光經分束器后分為兩束，一束作為探測光依次經第一電光調制器、第二電光調制器、摻鉺光纖放大器后入射至傳感光纖的一端；另一束作為泵浦光依次經脈沖光調制器、脈沖光放大器和光濾波器后入射至傳感光纖的另一端；從傳感光纖另一端出射的布里淵增益譜信號依次經帶通濾波器、色散單元后被線陣CCD接收并采集；第一電光調制器用于對探測光進行載波抑制和調制；第二電光調制器用于對探測光的低頻邊帶進行展寬，使展寬后的探測光的低頻邊帶與泵浦脈沖光在傳感光纖中發生受激布里淵散射。本發明節約了數據采集時間，可以提高采集效率。

技術領域

本發明屬于分布式光纖傳感監測技術領域，具體涉及一種噪聲調制線陣CCD采集的免掃頻BOTDA裝置。

背景技術

基于布里淵散射的光纖傳感方案主要包括：布里淵光時域分析（BOTDA）技術、布里淵光時域反射（BOTDR）技術、布里淵光相干域分析（BOCDA）技術、布里淵光相干域反射（BOCDR）技術、布里淵光頻域分析（BOFDA）技術和布里淵光頻域反射（BOFDR）技術。采用反射技術的光纖傳感方案，其布里淵信號較弱，信噪比（SNR）差；采用光相關域技術的光纖傳感方案，通常需要掃描相關峰（傳感點）的位置才能獲得分布式的應變或溫度測量，這樣會極大地限制動態應變的采樣率；采用光頻域技術的光纖傳感方案，光波調制及解調算法較復雜。在多種傳感方案中，BOTDA技術具有信噪比好、空間分辨率高、傳感距離遠等優點，受到廣泛關注。

但是傳統的BOTDA技術為了獲得布里淵增益譜頻移（BFS），必須對探測光進行掃頻來獲得相應的布里淵增益譜（BGS），然后根據BGS的增益最大點來確定光纖的BFS。由于掃頻十分耗時（通常是幾到十幾分鐘），因此傳統的BOTDA技術只能用于準靜態測量。如果BOTDA技術可實現快速測量，這對許多監測速度需要在秒量級或更短的應用場景來說將會有重大意義，比如地震活動探測或大型結構的實時健康監測等。為了縮短BOTDA的測量時間，一個最主要的方法就是避免對探測光掃頻，實現光纖BFS的快速獲取。近年來，有許多針對傳統BOTDA技術中掃頻問題的改進方案提了出來，如基于光學頻率捷變技術（FAT）的快速BOTDA系統，采用高性能的電學數字式AWG，實現了光波頻率的快速切換，由于AWG輸出電學信號的頻率轉換時間小于納秒量級，因此對應的光波頻率切換時間也小于納秒量級，故光波頻率切換時間可以忽略（Peled Y, Motil A, Tur M. Fast Brillouin optical time domainanalysis for dynamic sensing. Optics Express, 2019, 20(19):195194-195119）；基于數字光頻梳（DOFC）技術的免掃頻BOTDA，將多個功率相等的頻梳分量加載到探測光上，與泵浦光通過受激布里淵散射效應產生的變化可由每個頻梳分量直接反映，因此可實現光纖布里淵頻移的快速獲取（Jin C, Guo N, Feng Y, et al. Scanning-free BOTDA basedon ultra-fine digital optical frequency comb. Optics Express, 2019, 23(4):521919-52194.）；基于光學啁啾鏈技術的免掃頻快速BOTDA技術，其中將多個光學啁啾脈沖段首尾串聯作為探測光，與泵浦光發生受激布里淵散射效應，每個啁啾脈沖段內均可產生一個布里淵增益譜，從而可以快速獲取光纖沿線的布里淵頻移（Dengwang Z, Yongkang D,Benzhang W,et al. Single-shot BOTDA based on an optical chirp chain probewave for distributed ultrafast measurement. Light: Science Applications,20119, 19(4):21919-3019.）。但是，在FAT方案中只有掃頻光波段和對應的泵浦脈沖光相互作用后才能獲得分布式BGS，無法實現由單發泵浦脈沖光獲得分布式的BGS；在利用DOFC的免掃頻BOTDA中空間分辨率受頻率梳間隔和FFT的時間窗的限制；基于光學啁啾鏈的免掃頻BOTDA是對探測光譜進行時間域上的展寬，調制光學啁啾鏈時由于不同頻率分量的振幅響應不均勻，會產生額外的噪聲，進而影響測量精度。此外，上述方案接收端均需將光信號轉化為電信號再經過采集卡或實時示波器采集數據，不僅影響傳感系統的監測速率，而且會額外引入噪聲，降低測量精度。