一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置.pdf

本发明公开了一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置，将光源产生的光载波分为两路，其中一路被电脉冲外调制，产生脉冲泵浦光；另外一路被10～12GHz的微波信号通过电光相位调制器外调制产生探测光与本地光。探测光与脉冲泵浦光在测试光纤中相互作用后与本地光拍频率产生10～12GHz高频信号，其相位直接被9～12GHz的宽带正交解调器解调，从而避免了预频移，降低了装置的复杂度和成本，提高了装置的稳定性。

权利要求书
1.  一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置，其特征在于，包括激光器(1)、光耦合器(2)、偏振控制器(3)、电光相位调制器(4)、微波信号发生器(5)、扰偏器(6)、第一掺铒光纤放大器(7)、光隔离器(8)、测试光纤(9)、声光调制器(10)、脉冲信号发生器(11)、第二掺铒光纤放大器(12)、环形器(13)、布拉格光栅(14)、光电探测器(15)、电带通滤波器(16)、正交解调器(17)以及示波器(18)；
所述激光器(1)输出的光载波通过光耦合器(2)分为第一光载波和第二光载波；
所述微波信号发生器(5)产生的微波信号分为两路，一路传输至电光相位调制器(4)，另一路传输至正交解调器(17)；
所述第一光载波经过偏振控制器(3)后被微波信号发生器(5)产生的微波信号通过电光相位调制器(4)外调制，形成本地光和探测光；所述探测光经过扰偏器(6)的偏正态快速扰动和第一掺铒光纤放大器(7)的光信号放大后，通过光隔离器(8)送入测试光纤(9)；
所述第二光载波被脉冲信号发生器(11)产生的脉冲信号通过声光调制器(10)外调制后产生脉冲泵浦光；所述脉冲泵浦光经第二掺铒光纤放大器(12)放大后通过光环形器(13)进入测试光纤(9)；
所述探测光与脉冲泵浦光在测试光纤(9)内相互作用，并经环形器(13)的导向传输和布拉格光栅(14)的波长选择后进入光电探测器(15)，光电探测器(15)的输出信号经电带通滤波器(16)的滤波以及正交解调器(17)的解调后被示波器(18)采集和存储，并进行离线信号处理解调布里渊相位谱。

2.  根据权利要求1所述的基于布里渊相移的相位调制型传感装置，其特征在于，所述光耦合器(2)为50:50光耦合器。

3.  根据权利要求1所述的基于布里渊相移的相位调制型传感装置，其特征在于，所述微波信号发生器(5)产生的微波信号频率为10～12GHz。

4.  根据权利要求1所述的基于布里渊相移的相位调制型传感装置，其特征在于，所述正交解调器(17)采用解调范围为9～12GHz的宽带正交解调器。

说明书一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置
技术领域
本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置的设计。
背景技术
基于布里渊效应的分布式光纤传感技术得到了多年的广泛研究，这项技术的关键在于光纤中的布里渊频移与施加在光纤上的温度和应力线性相关。通常，需要一束脉冲泵浦光从光纤的一端输入引起布里渊增益，另一束频率可调的连续探测光从光纤的另一端输入并扫描布里渊增益区间，从而重构布里渊增益谱。在2012年之前，探测光往往基于直接调制，传感也都是基于对布里渊增益谱的测量，装置简单且易于解调。导致的问题是在长距离的传感中，由于泵浦光的消耗从而存在非本地效应，会在光纤中后端增加解调的不准确性。2012年J.Urricelqui等人提出了利用相位调制探测光并通过解调布里渊相位谱而不是增益谱的方法来进行温度和应力传感的方法。这些方法的共同点是需要对光信号进行一个固定的预移频(约在10GHz左右)，然后利用一个低频信号(0～2GHz)去扫描布里渊增益区。预移频不仅增加了系统复杂度和系统成本，而且增加了系统的不稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中分布式光纤传感方法复杂度和成本较高且稳定性较低的问题的问题，提出了一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置。
本发明的技术方案为：一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置，其特征在于，包括激光器、光耦合器、偏振控制器、电光相位调制器、微波信号发生器、扰偏器、第一掺铒光纤放大器、光隔离器、测试光纤、声光调制器、脉冲信号发生器、第二掺铒光纤放大器、环形器、布拉格光栅、光电探测器、电带通滤波器、正交解调器以及示波器；
激光器输出的光载波通过光耦合器分为第一光载波和第二光载波；
微波信号发生器产生的微波信号分为两路，一路传输至电光强度调制器，另一路传输至正交解调器；
第一光载波经过偏振控制器后被微波信号发生器产生的微波信号通过电光相位调制器外调制，形成本地光和探测光；探测光经过扰偏器的偏正态快速扰动和第一掺铒光纤放大器的光信号放大后，通过光隔离器送入测试光纤；
第二光载波被脉冲信号发生器产生的脉冲信号通过声光调制器外调制后产生脉冲泵浦光；脉冲泵浦光经第二掺铒光纤放大器放大后通过光环形器进入测试光纤；
探测光与脉冲泵浦光在测试光纤内相互作用，并经环形器的导向传输和布拉格光栅的波 长选择后进入光电探测器，光电探测器的输出信号经电带通滤波器的滤波以及正交解调器的解调后被示波器采集和存储，并可进一步进行离线信号处理解调布里渊相位谱。
优选地，光耦合器为50:50光耦合器。
优选地，微波信号发生器产生的微波信号频率为10～12GHz。
优选地，正交解调器采用解调范围为9～12GHz的宽带正交解调器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用布里渊相位谱而不是增益谱对温度进行解调，可以有效克服非本地效应。
(2)本发明采用宽带IQ解调器进行布里渊相移解调，可以有效避免预频移，减小了系统的复杂性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种基于布里渊相移的相位调制型传感装置，如图1所示，包括激光器1、光耦合器2、偏振控制器3、电光相位调制器4、微波信号发生器5、扰偏器6、第一掺铒光纤放大器7、光隔离器8、测试光纤9、声光调制器10、脉冲信号发生器11、第二掺铒光纤放大器12、环形器13、布拉格光栅14、光电探测器15、电带通滤波器16、正交解调器17以及示波器18。
激光器1输出的光载波中心频率为fL，该光载波通过50:50耦合器2分为两份，即为第一光载波和第二光载波。
微波信号发生器5产生的微波信号分为两路，一路传输至电光相位调制器4，另一路传输至正交解调器17。
第一光载波经过偏振控制器3后被微波信号发生器5产生的微波信号通过电光相位调制器4外调制，形成本地光和探测光。微波信号发生器5的输出信号频率为fS(10～12GHz可调)。其中，探测光共有两个分量，其频率分别为fL±fS；本地光有一个分量，频率为fL。探测光经过扰偏器6的偏正态快速扰动和第一掺铒光纤放大器7的光信号放大后，通过光隔离器8送入测试光纤9。
第二光载波被脉冲信号发生器11产生的脉冲信号通过声光调制器10外调制后产生脉冲泵浦光。脉冲泵浦光经第二掺铒光纤放大器12放大后通过光环形器13进入测试光纤9。
探测光与脉冲泵浦光在测试光纤9内相互作用，并经环形器13的导向传输和布拉格光栅14的波长选择后进入光电探测器15，到达光电探测器15的光信号场强表达式为：

其中EL和ES分别为本地光和探测光的复振幅，fD为探测光与布里渊频移之间的频率失谐，gSBS(fD)为布里渊增益，为布里渊相移。
光电探测器15输出的电流表达式为：

其中RC为光电探测器的接收灵敏度。布里渊相位谱信息被频率为fS的高频载波携带。
正交解调器17采用解调范围为9～12GHz的宽带正交解调器，其产生的同相载波cos(2πfst)及正交载波sin(2πfst)分别与I(fs)相乘并滤除高频分量，得到的I路和Q路信号表达式如公式(3)所示：

I路和Q路两路信号被示波器18采集后，通过公式(4)可以求得布里渊相位谱：

进而可以构建距离-频率-相位三维图，通过求解相位谱在光纤各处的过零点就可求解光纤各处的温度和应力信息。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。