脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法及裝置制造方法及圖紙

脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法及裝置，它利用階梯脈沖光從傳感光纖的一端入射，其中時間有限的微波調制預泵浦脈沖光的0階基帶預激發聲波場產生的自發布里淵散射光與1階邊帶產生的背向瑞利散射光作為探測光，兩者分別與傳感脈沖光發生受激布里淵散射作用；本振光與攜帶布里淵散射信息的探測光在平衡探測器中拍頻，利用拍頻后獲得的電信號中的同相及正交分量得到受激布里淵散射相移值，最后根據計算機中存儲的相移與動態應變的對應關系曲線解調出相應的動態應變值。本發明專利技術結構簡單、應用方便，能有效減小非本地效應，提高系統信噪比，可實現寬頻帶、高空間分辨率和測量精度，可靠性和穩定性好的動態應變測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種利用脈沖預泵浦技術和光纖瑞利散射原理實現單端結構的矢量BOTDA動態應變測量的方法與裝置，屬于測量

技術介紹
基于布里淵光時域分析(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis，BOTDA)技術的分布式光纖傳感器利用相向傳輸的探測光和泵浦光之間的受激布里淵散射(StimulatedBrillouinScattering，SBS)作用，頻率高的泵浦光向頻率低的斯托克斯探測光轉移能量，通過受激布里淵效應對探測光進行放大，因此，接收信號強度大，測量精度高，動態范圍寬。BOTDA技術以其綜合性能優勢，在海底光纜制造和施工維護、石油天然氣管道泄露、發電廠及廢氣處理廠的溫度監測、大型混凝土鋼材結構的溫度和應變監測，以及山崩石塌、河床塌陷的監測等方面具有廣闊的應用前景。傳統BOTDA系統中一般是采用對泵浦光和探測光的頻率差進行頻率掃描來實現受激布里淵散射增益譜的測量，通過布里淵散射增益譜的頻移和強度信息來實現溫度/應變的解析。但是強度信息受探測光與泵浦光功率波動、偏振噪聲影響大，而強度信息直接決定著頻移信息的獲取，因此會降低布里淵頻移的測量精度，并且由于頻率掃描的方法測量時間長，無法實現實時的動態測量，因而限制了其應用領域。目前，動態應變測量技術在分布式光纖傳感領域的研究集中于：干涉型動態應變測量技術、相位敏感光時域反射(PhaseOpticalTimeDomainReflectometry，φ-OTDR)動態應變測量技術、BOTDA動態應變測量技術、偏振光時域反射(PolarizationOpticalTimeDomainReflectometry，POTDR)動態應變測量技術、布里淵相移動態應變測量技術等。干涉型動態應變測量技術是利用外界信號對光纖內傳輸的光波進行相位、波長、強度和偏振態調制，通過干涉儀檢測這些參量的變化，實現動態應變的測量，但該測量技術易受周邊環境噪聲因素的影響，系統穩定性差；φ-OTDR動態應變測量技術是利用背向瑞利信號相位的變化進行動態應變信號的測量，但其動態應變測量范圍小，信噪比低，大部分仍舊是定性測量；BOTDA動態應變測量技術是通過布里淵增益斜坡分析法來實現動態應變的測量，但其受光源頻率漂移、探測光與泵浦光功率波動的影響較大，系統穩定性差，需對泵浦光與探測光的頻率差進行掃描和數據擬合，測量時間長，無法響應高頻動態應變信號；POTDR動態應變測量技術是利用偏振態的變化實現動態應變的測量，但其頻率測量范圍小；2011年，A.Zornoza提出布里淵相移BOTDA動態應變測量技術，實現了160m傳感距離上1m空間分辨率、1.66kHz測量速率的動態應變測量，通過將相移轉化為相應的頻移信息實現動態應變的檢測，該測量技術不受探測光與泵浦光功率波動的影響，具有很好的穩定性，但泵浦光與探測光需從光纖兩端分別入射，系統結構復雜，在大范圍測量場合應用不方便，且SBS強度受非本地效應影響嚴重，進而產生寄生調相，導致系統產生相位測量誤差，而且當光纖發生斷裂時系統將無法進行檢測，可靠性較低。在上述布里淵相移BOTDA動態應變測量技術中，當傳感脈沖寬度小于聲子壽命時，SBS譜會明顯展寬，系統測量精度會大大降低，且存在由非本地效應引起的寄生調相導致的相位測量誤差，無法實現高空間分辨率與高測量精度的測量；由于泵浦光與探測光需從光纖兩端分別入射，系統結構復雜，在大范圍測量場合應用不方便，而且當光纖發生斷裂時將無法進行檢測，可靠性低。因此，找到一種結構簡單、應用方便，非本地效應小，能夠有效解決空間分辨率和測量精度之間的矛盾，而且測量頻帶寬、信噪比高、系統可靠性及穩定性好的動態應變測量方法和裝置是十分必要的。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術之弊端，提出一種脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法及其測量裝置，利用脈沖預泵浦技術提高系統信噪比、解決空間分辨率與測量精度之間的矛盾，減小非本地效應，以非破壞性的工作方式實現單光源、單端和單纖工作，有效提高測量系統的可靠性與穩定性，并通過平衡探測器實現測量頻帶寬、信噪比高、速度快的動態應變測量。本專利技術所述技術問題是以下述技術方案解決的：一種脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法，它利用一個窄線寬激光器通過保偏耦合器向階梯脈沖光模塊輸出連續光，連續光經階梯脈沖光模塊后產生由時間有限的微波調制預泵浦脈沖光與傳感脈沖光合成的階梯脈沖光，階梯脈沖光從傳感光纖的一端入射，其中，微波調制預泵浦脈沖光的0階基帶預激發聲波場，產生的自發布里淵散射(SpontaneousBrillouinScattering，SpBS)光作為探測光與傳感脈沖發生受激布里淵散射作用，產生譜寬很窄的布里淵散射譜；微波調制預泵浦脈沖光的1階邊帶產生的背向瑞利散射光作為探測光與傳感脈沖光發生受激布里淵散射作用，產生譜寬很寬的布里淵散射譜；同時，所述窄線寬激光器通過保偏耦合器向本振光模塊輸出連續光，連續光經本振光模塊后產生的本振光與攜帶受激布里淵散射信息的探測光在平衡探測器中進行拍頻，利用正交相位解調器提取出拍頻后獲得的電信號中的同相及正交分量，并通過數據采集卡對同相及正交分量進行采集，所述正交分量和同相分量的商與受激布里淵散射相移呈反正切函數關系，進而得到受激布里淵散射相移值，最后根據計算機數據庫中存儲的受激布里淵散射相移與動態應變的對應關系曲線即可解調出相應的動態應變值。所述階梯脈沖光中的微波調制預泵浦脈沖光0階基帶預激發聲波場，提高了SBS作用效率，使系統信噪比得到提升；所述本振光與攜帶受激布里淵散射信息的探測光在平衡探測器中進行拍頻，使得系統信噪比較普通探測器提高3dB。上述脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法，在所述受激布里淵散射相移與動態應變的對應關系曲線中，每一個動態應變值對應一個相應的受激布里淵散射相移值，據此可將受激布里淵散射相移與動態應變的對應關系進行標定。上述脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法，依據存儲的受激布里淵散射相移與動態應變關系數據庫實現動態應變的解調，具體解調方式為：i、當環境溫度與標定時溫度相同時，獲取的相移值對應的應變值即為當前動態應變值；ii、當環境溫度與標定時溫度不同時，根據變化后的布里淵頻移對受激布里淵相移與應變的關系曲線做出相應的修改，并根據修改后的關系曲線即可獲取動態應變值。本專利技術提出的測量裝置結構如下：一種脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量裝置，包括窄線寬激光器、保偏耦合器、階梯脈沖光模塊、本振光模塊、第二擾偏器、第二耦合器、摻鉺光纖放大器、第一光柵濾波器、光環行器、第一擾偏器、傳感光纖、振動源、光濾波器、平衡探測器、正交相位解調器、數據采集卡和計算機；所述窄線寬激光器通過保偏耦合器向階梯脈沖光模塊和本振光模塊輸出連續光；所述階梯脈沖光模塊的輸出端依次經摻鉺光纖放大器和第一光柵濾波器接光環行器的第一光口，光環行器的第二光口經第一擾偏器接傳感光纖和振動源，光環行器的第三光口經光濾波器接第二耦合器的第一輸入光口；所述本振光模塊的輸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法，其特征是，利用一個窄線寬激光器(LD)通過保偏耦合器(PCO)向階梯脈沖光模塊輸出連續光，連續光經階梯脈沖光模塊后產生時間有限的微波調制預泵浦脈沖光與傳感脈沖光的合成光信號，合成光信號從傳感光纖的一端入射，微波調制預泵浦脈沖光的0階基帶預激發聲波場，產生的自發布里淵散射光作為探測光與傳感脈沖發生受激布里淵散射作用，產生譜寬很窄的布里淵散射譜；微波調制預泵浦脈沖光的1階邊帶產生的背向瑞利散射光作為探測光與傳感脈沖光發生受激布里淵散射作用，產生譜寬很寬的布里淵散射譜；譜寬很窄的布里淵散射譜與譜寬很寬的布里淵散射譜疊加形成合成譜；同時，所述窄線寬激光器(LD)通過保偏耦合器(PCO)向本振光模塊輸出連續光，連續光經本振光模塊后產生的本振光與攜帶受激布里淵散射信息的探測光在平衡探測器(BPD)中進行拍頻，利用正交相位解調器(IQ)提取出拍頻后獲得電信號中的同相及正交分量，并通過數據采集卡(DAQ)對同相及正交分量進行采集，受激布里淵散射相移與正交分量和同相分量的商呈反正切函數的關系，進而得到受激布里淵散射相移，最后根據計算機數據庫中存儲的受激布里淵散射相移與動態應變的對應關系曲線解調出相應的動態應變值。...

【技術特征摘要】
1.一種脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變測量方法，其特征
是，利用一個窄線寬激光器(LD)通過保偏耦合器(PCO)向階梯脈沖
光模塊輸出連續光，連續光經階梯脈沖光模塊后產生時間有限的微波
調制預泵浦脈沖光與傳感脈沖光的合成光信號，合成光信號從傳感光
纖的一端入射，微波調制預泵浦脈沖光的0階基帶預激發聲波場，產
生的自發布里淵散射光作為探測光與傳感脈沖發生受激布里淵散射
作用，產生譜寬很窄的布里淵散射譜；微波調制預泵浦脈沖光的1階
邊帶產生的背向瑞利散射光作為探測光與傳感脈沖光發生受激布里
淵散射作用，產生譜寬很寬的布里淵散射譜；譜寬很窄的布里淵散射
譜與譜寬很寬的布里淵散射譜疊加形成合成譜；
同時，所述窄線寬激光器(LD)通過保偏耦合器(PCO)向本振光
模塊輸出連續光，連續光經本振光模塊后產生的本振光與攜帶受激布
里淵散射信息的探測光在平衡探測器(BPD)中進行拍頻，利用正交相
位解調器(IQ)提取出拍頻后獲得電信號中的同相及正交分量，并通過
數據采集卡(DAQ)對同相及正交分量進行采集，受激布里淵散射相
移與正交分量和同相分量的商呈反正切函數的關系，進而得到受激布
里淵散射相移，最后根據計算機數據庫中存儲的受激布里淵散射相移
與動態應變的對應關系曲線解調出相應的動態應變值。
2.根據權利要求1所述的脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變
測量方法，其特征是，在所述受激布里淵散射相移與動態應變的對應

\t關系曲線中，每一個動態應變值對應一個相應的受激布里淵散射相移
值，據此將受激布里淵散射相移與動態應變的對應關系進行標定。
3.根據權利要求1所述的脈沖預泵浦單端矢量BOTDA動態應變
測量方法，其特征是，依據存儲的受激布里淵散射相移與動態應變關
系數據庫實現動態應變的解調，具體解調方式為：
i、當環境溫度與標定時溫度相同時，獲取的相移值對應的應變
值即為當前動態應變值；
ii、當環境溫度與標定時溫度不同時，根據變化后的布里淵頻移
對受激布里淵相移與應變的關系曲線做出相應的修改，并根據修改后
的關系曲線即可獲取動態應變值。
4.一種用于如權利要求1-3中任一項脈沖預泵浦單端矢量
BOTDA動態應變測量的測量裝置，其特征是，包括窄線寬激光器
(LD)、保偏耦合器(PCO)、階梯脈沖光模塊、本振光模塊、第二擾
偏器(PS2)、第二耦合器(CO2)、摻鉺光纖放大器(EDFA)、第一光柵
濾波器(GF1)、光環行器(OC)、第一擾偏器(PS1)、傳感光纖(FUT)、
振動源(VBS)、光濾波器(OF)、平衡探測器(BPD)、正交相位解調
器(IQ)、數據采集卡(DAQ)和計算機(COM)，所述窄線寬激光器(LD)
通過保偏耦合器(PCO)向階梯脈沖光模塊和本振光模塊輸出連續光；
所述階梯脈沖光模塊的輸出端依次經摻鉺光纖放大器(EDFA)和第一
光柵濾波器(GF1)接光環行器(OC)的第一光口，光環行器(OC)的第
二光口經第一擾偏器(PS1)接傳感光纖(FUT)和振動源(VBS)，光環
行器(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李永倩，張立欣，李曉娟，尚秋峰，安琪，張淑娥，楊潤潤，
申請(專利權)人：華北電力大學保定，
類型：發明
國別省市：河北;13