阅读说明：本技术 高阶相位调制瑞利botda温度/应变测量方法及装置 (High-order phase modulation Rayleigh BOTDA temperature/strain measurement method and device ) 是由 李永倩 王磊 刘艳蕊 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：高阶相位调制瑞利BOTDA温度/应变测量方法及其测量装置,利用任意波形发生器驱动的相位调制器对脉冲基底光和脉冲信号光进行高阶相位调制,经过高阶相位调制的脉冲基底光在传感光纤中产生的不同相位关系的背向瑞利散射光作为探测光与每一个对应的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用,作用后携带传感信息不同相位关系的探测光经光电检测器检测和数据采集卡采集后传入计算机进行解调和处理。该方法将高阶相位调制技术引入到瑞利布里渊光时域分析系统中,不仅可以有效抑制相干瑞利噪声,提高系统的信噪比和测量精度,而且能够延长传感距离,减少测量所需时间。(The method comprises the steps of carrying out high-order phase modulation on pulse base light and pulse signal light by utilizing a phase modulator driven by an arbitrary waveform generator, using backward Rayleigh scattering light with different phase relations generated in a sensing optical fiber by the pulse base light subjected to the high-order phase modulation as detection light to generate stimulated Brillouin scattering effect with each corresponding synchronous phase high-order phase modulation pulse pumping light, detecting the detection light carrying sensing information with different phase relations by a photoelectric detector and acquiring the detection light by a data acquisition card, and transmitting the detection light to a computer for demodulation and processing. According to the method, a high-order phase modulation technology is introduced into a Rayleigh Brillouin optical time domain analysis system, so that coherent Rayleigh noise can be effectively inhibited, the signal-to-noise ratio and the measurement precision of the system are improved, the sensing distance can be prolonged, and the time required by measurement is shortened.)

高阶相位调制瑞利BOTDA温度/应变测量方法及装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种高阶相位调制瑞利BOTDA温度/应变测量方法及其测量装置。

背景技术

布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)传感技术作为一种新型分布式传感技术，凭借其检测信号强度大、测量精度高、动态范围广、传感距离长等优点，已成为目前光纤传感应用领域国内外的研究热点，被广泛应用于设备故障检测及定位、油气管线安全状况监测、大型结构健康检测和地质灾害监测及预警等领域。

传统的BOTDA测量原理是利用在光纤两端分别注入脉冲泵浦光和连续探测光，两束光在光纤中相向传播，当两束光相遇且两束光的频率差处于布里渊增益谱范围内时，脉冲泵浦光通过受激布里渊散射效应(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)向连续探测光转移能量。通过扫描连续探测光的频率，可以在泵浦端获得随频率变化的不同光纤位置处的探测光功率，进而可以得到重构的布里渊增益谱，通过洛伦兹拟合即可得到布里渊频移沿光纤的分布。利用布里渊频移与环境温度、应变的线性关系，实现对温度或应变的分布式传感。但是这种双端入射的传统BOTDA系统结构复杂，实现成本较高，在一些实际应用场合并不适用，且一旦由于环境或人为原因导致光纤断裂时系统将无法正常运行。

2011年，Q.Cui等提出基于瑞利散射的单端BOTDA系统，利用微波信号源调制电光调制器的射频端口、脉冲信号源调制电光调制器的直流偏置端口，产生传感脉冲和微波调制脉冲基底产生的背向瑞利散射光的合成信号，两者在光纤中发生SBS作用，实现了单端、单光源、非破坏性测量。基于瑞利散射的单端BOTDA分布式传感器的出现极大地解决了传统BOTDA双端入射的缺点，但由于与脉冲泵浦光发生SBS作用的探测光是由微波调制连续光在光纤中产生的瑞利散射光，其功率较小、受相干瑞利噪声影响严重，从而使系统存在信号小、噪声大、信噪比低、测量精度差等问题，而相干瑞利噪声不能简单地通过信号叠加平均或加入滤波器来滤除。因此目前急需一种能有效抑制相干瑞利噪声，提高系统信噪比和测量精度的瑞利BOTDA温度/应变测量方法和测量装置。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量方法及其测量装置，以抑制相干瑞利噪声对系统性能的影响，改善系统信噪比，提高测量精度。

为此本发明公开了下述技术方案：

一种基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量方法，其是通过任意波形发生器驱动的相位调制器对脉冲基底光和脉冲信号光进行高阶相位调制，不同相位关系的脉冲基底光产生的瑞利散射光作为探测光与每一个对应的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用，发生受激布里渊散射作用后不同相位关系的瑞利探测光进行叠加平均以抑制相干瑞利噪声，从而实现高信噪比、高精度温度/应变测量。

还公开了一种基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量方法，该方法采用窄线宽激光器输出的连续光经保偏耦合器输入到合成光信号模块，合成光信号模块的下支路经微波信号源和相位调制器产生不同相位的高阶相位调制脉冲基底光，上支路经脉冲信号源和相位调制器产生所需的与脉冲基底光相位同步的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光，叠加合成的光信号入射到传感光纤中，经过高阶相位调制的脉冲基底光在传感光纤中产生的不同相位关系的背向瑞利散射光作为探测光与每一个对应的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用，作用后携带传感信息不同相位关系的探测光经光电检测器检测和数据采集卡采集后传入计算机进行解调和处理。

进一步，较佳的，上述基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量方法，所述的计算机解调是提取重复周期内的不同相位关系携带受激布里渊散射信息的探测光进行叠加平均，以抑制相干瑞利噪声；所述的计算机处理是对不同微波调制频率探测光解调后的数据进行重构得到布里渊增益谱，通过洛伦兹拟合得到布里渊频移沿光纤的分布，利用布里渊频移与温度、应变的线性关系，实现对温度或应变的分布式传感。

进一步，较佳的，经过高阶相位调制的脉冲基底光在传感光纤中产生的不同相位关系的背向瑞利散射光作为探测光与每一个对应的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用，发生受激布里渊散射作用后携带传感信息不同相位关系的探测光表示为

式中，E_R为由Stokes光在光纤中产生的背向瑞利散射探测光的强度，H_SBS(v,z)为受激布里渊散射的传输函数，其中v为微波扫描频率，z为光脉冲传播距离。

进一步，较佳的，所述数据采集卡对检测到的数据进行采集并送入计算机进行解调和处理时，计算机对采集到的数据进行分离提取，然后对不同相位关系的探测光进行叠加平均以抑制相干瑞利噪声，叠加平均后的信号表示为

经解调后不同微波调制频率的信号通过重构得到布里渊增益谱，通过洛伦兹拟合得到布里渊频移沿光纤的分布，利用布里渊频移与温度、应变的线性关系，以实现对温度或应变的分布式传感。

本发明还公开了一种用于上述基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量装置，构成中包括窄线宽激光器、保偏耦合器、由脉冲信号源、第一电光调制器、第一相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、第一偏振控制器、微波信号源、第二电光调制器、第二掺铒光纤放大器、第二光栅滤波器、第二相位调制器、任意波形发生器、第二偏振控制器和光耦合器组成的合成光信号模块(其中包括由相位调制器、任意波形发生器和脉冲信号源组成的高阶相位调制模块)、光环形器、扰偏器、传感光纤、第三掺铒光纤放大器、光滤波器、光电检测器、数据采集卡、计算机。所述窄线宽激光器经保偏耦合器输出两路连续光，上支路连续光依次经脉冲信号源驱动的第一电光调制器、任意波形发生器驱动的第一相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器和第一偏振控制器后接光耦合器的第一输入光口，下支路依次经微波信号源驱动的第二电光调制器、第二掺铒光纤放大器、第二光栅滤波器、任意波形发生器驱动的第二相位调制器和第二偏振控制器后接光耦合器的第二输入光口，光耦合器的输出光口接光环形器的第一光口，光环形器的第二光口经扰偏器后接传感光纤，光环行器的第三光口依次经第三掺铒光纤放大器、光滤波器、光电检测器和数据采集卡接计算机。

较佳的，上述基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量装置，所述的合成光信号模块由脉冲信号源、第一电光调制器、第一相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、第一偏振控制器、微波信号源、第二电光调制器、第二掺铒光纤放大器、第二光栅滤波器、第二相位调制器、任意波形发生器、第二偏振控制器和光耦合器组成，所述脉冲信号源驱动的第一电光调制器对保偏耦合器输出的上支路光信号进行脉冲调制，调制后的脉冲信号光进入高阶相位调制模块进行高阶同步相位调制，经第一掺铒光纤放大器放大和第一光栅滤波器滤除噪声后输出中心频率为v₀的传感脉冲光；所述的微波信号源驱动的第二电光调制器对保偏耦合器输出的下支路光信号进行抑制载波的双边带调制，输出频率分量为v₀±v_m的微波调制脉冲基底光，其中v₀为窄线宽激光器的中心频率，v_m为微波信号源在传感光纤的布里渊频移附近可调的驱动频率，经微波调制的脉冲基底光经第二掺铒光纤放大器放大和第二光栅滤波器滤除噪声后进入高阶相位调制模块进行高阶相位调制，输出的不同相位关系的脉冲基底信号与上支路同步相位传感脉冲光经过偏振调节后在光耦合器中进行叠加合成。

较佳的，上述基于高阶相位调制的瑞利BOTDA温度/应变测量装置，所述的高阶相位调制模块由相位调制器、任意波形发生器和脉冲信号源构成，任意波形发生器驱动相位调制器对脉冲基底光和脉冲信号光进行高阶相位调制，产生不同相位关系的脉冲基底连续光信号和脉冲光信号。

其中较佳的，任意波形发生器驱动的幅度为v₁～v_N，N为调制的阶数，且每一个幅度的持续时间等于脉冲信号光的重复周期t_length，脉冲信号源产生的同步触发信号用于同步触发任意波形发生器，使脉冲基底光和脉冲信号光相对应且相位保持同步，以最大化两者发生的受激布里渊散射作用，同步触发时间为脉冲信号光的重复周期t_length，以保证每个不同的相位周期内只有一个脉冲光在光纤中传输。

本发明将高阶相位调制技术引入到瑞利布里渊光时域分析系统中，利用调制产生的不同相位关系的瑞利散射探测光的叠加平均来减小相干瑞利噪声对系统的影响。该方法不仅可以有效抑制相干瑞利噪声，提高系统的信噪比和测量精度，而且可以延长传感距离，减小测量时间。

下面结合附图对本发明的高阶相位调制瑞利BOTDA温度/应变测量方法及其测量装置作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的测量装置组成示意图；

图2是相位调制器的原理结构示意图；

图3是相位调制器相位变化和驱动信号幅度的关系曲线示意图；

图4是任意波形发生器的驱动信号示意图；

图5是脉冲信号光和脉冲基底光组成的合成光信号示意图。

图中各标号表示为：LD、窄线宽激光器，PCO、保偏耦合器，PSG、脉冲信号源，EOM1、第一电光调制器，PM1、第一相位调制器，EDFA1、第一掺铒光纤放大器，GF1、第一光栅滤波器，PC1、第一偏振控制器，MSS、微波信号源，EOM2、第二电光调制器，EDFA2、第二掺铒光纤放大器，GF2、第二光栅滤波器，AWG、任意波形发生器，PM2、第二相位调制器，PC2、第二偏振控制器，CO、光耦合器，OC、光环行器，PS、扰偏器，FUT、传感光纤，EDFA3、第三掺铒光纤放大器，OF、光滤波器，PD、光电检测器，DAQ、数据采集卡，COM、计算机。

文中所用符号：v₀为窄线宽激光器的输出频率，v_m为微波信号源在传感光纤的布里渊频移附近可调的驱动频率，v₁～v_N为任意波形发生器的驱动幅度，N为调制的阶数，V_π为相位调制器的半波电压，V为相位调制器射频端输入的调制信号幅度，为光载波的相位变化，E_in(t)为相位调制器的输入光波场，E_out(t)为相位调制器的输出光波场，E₀为输入光波场的幅度，ω₀为输入光波场的角频率，t_length为一个大于等于脉冲信号光在传感光纤长度上传播时间的时间参量，E₁(t)为脉冲泵浦光随时间变化的强度，E₂(t)为高阶相位调制脉冲基底光随时间变化的强度，E₁为脉冲泵浦光的幅度，E₂为高阶相位调制脉冲基底光的幅度，t₁为脉冲泵浦光的起始时刻，t₂为脉冲泵浦光的结束时刻，t为光脉冲的传播时间，J₁(C)为一阶贝塞尔函数，C为调制指数，为高阶相位调制产生的N个不同的相位，E_R为由Stokes光在光纤中产生的背向瑞利散射探测光的强度，H_SBS(v,z)为SBS的传输函数，v为微波扫描频率，z为光脉冲传播距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明利用基于高阶相位调制技术的瑞利BOTDA系统，通过任意波形发生器驱动的相位调制器对脉冲基底光和脉冲信号光进行高阶相位调制，不同相位关系的脉冲基底光产生的瑞利散射光作为探测光与每一个对应的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光发生SBS作用，发生SBS作用后不同相位关系的瑞利探测光进行叠加平均以抑制相干瑞利噪声，从而实现高信噪比、高精度温度/应变测量。

参看图1，本发明的系统组成和工作原理如下：

窄线宽激光器LD经保偏耦合器PCO输出两路连续光进入到合成光信号模块，其中上支路由脉冲信号源PSG驱动的第一电光调制器EOM1进行脉冲调制，调制后的脉冲信号光进入高阶相位调制模块，由任意波形发生器AWG驱动的第一相位调制器PM1进行高阶相位调制，产生频率为v₀的同步相位高阶相位调制脉冲信号光，经第一掺铒光纤放大器EDFA1放大并由第一光栅滤波器GF1滤除自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪声后由第一偏振控制器PC1调节偏振态后进入光耦合器CO中；下支路首先由微波信号源MSS驱动的第二电光调制器EOM2进行抑制载波的双边带调制，输出频率为v₀±v_m的微波调制脉冲基底光，接着经第二掺铒光纤放大器EDFA2放大并由第二光栅滤波器GF2滤除自发辐射噪声后进入到高阶相位调制模块，由任意波形发生器AWG驱动的第二相位调制器PM2进行高阶相位调制，其驱动幅度为v₁～v_N、驱动周期等于脉冲信号光的重复周期t_length，脉冲信号源PSG产生的同步信号用于同步任意波形发生器AWG，使脉冲基底光和脉冲信号光相对应且相位保持同步，以最大化两者发生的受激布里渊散射作用，同步触发时间为脉冲信号光的重复周期t_length，以保证每个不同的相位周期内只有一个脉冲光在光纤中传输，最后经第二偏振控制器PC2调节偏振态后输入到光耦合器CO中。上支路的同步相位高阶相位调制脉冲信号光和下支路经高阶调制后的脉冲基底光由光耦合器CO叠加合成后经光环形器OC进入扰偏器PS，扰偏器PS对合成光信号进行偏振态扰乱后进入传感光纤FUT，脉冲基底1阶边带产生的不同相位关系的背向瑞利散射光作为探测光与作为泵浦光的对应传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，经过受激布里渊散射作用(即携带传感信息)后的探测光经光环形器OC输入到第三掺铒光纤放大器EDFA3进行放大后由光滤波器OF滤除探测光的上边带，然后通过光电检测器PD直接检测后由数据采集卡DAQ进行数据采集，采集的数据输入到计算机COM进行解调和处理。

本发明利用高阶相位调制抑制瑞利BOTDA系统中的相干瑞利噪声，其原理是利用了幅度-相位的相关性即某一个相位下的干扰信号可以通过叠加与之相位相差180°的信号来消除，通过高阶相位调制产生的不同相位关系的脉冲基底瑞利散射探测光可以通过叠加平均来消除与之相差180°的相干衰落相位点，进而抑制相干瑞利噪声对系统性能的影响。

相位调制器的原理结构图如图2所示，当光信号通过相位调制器的电光晶体时，光波相位受到调制。假设相位调制器射频端输入的调制信号幅度为V，则光载波的相位变化为其中，V_π为PM的半波电压，相位变化和驱动信号幅度的关系曲线如图3所示，因此可以通过调制射频输入的幅度来进行相位调制。假设PM的输入光波场为E_in(t)＝E₀cos(ω₀t)，E₀为输入光波场的幅度，ω₀为输入光波场的角频率，则经PM调制后，输出光波场可表示为

高阶相位调制模块中任意波形发生器产生的驱动信号如图4所示，其幅度为v₁～v_N，N为调制的阶数，且每一个幅度的持续时间等于脉冲信号光的重复周期t_length，脉冲信号源产生的同步触发信号用于同步触发任意波形发生器，使脉冲基底光和脉冲信号光相对应且相位保持同步，以最大化两者发生的受激布里渊散射作用，同步触发时间为脉冲信号光的重复周期t_length，以保证每个不同的相位周期内只有一个脉冲光在光纤中传输。

合成光信号模块中由脉冲信号光和脉冲基底光组成的合成光信号如图5所示，其输出光场可表示为

式中，E₁(t)为泵浦脉冲光随时间变化的强度，E₂(t)为高阶相位调制脉冲基底光随时间变化的强度，E₁为脉冲泵浦光的幅度，E₂为高阶相位调制脉冲基底光的幅度，t₁为脉冲泵浦光的起始时刻，t₂为脉冲泵浦光的结束时刻，t为光脉冲的传播时间，J₁(C)为一阶贝塞尔函数，C为调制指数，为高阶相位调制产生的N个不同的相位，其取值在0～2π范围内。

由于第一电光调制器EOM1、第二电光调制器EOM2、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2的调制性能恶化都会使系统的状态发生变化，影响降噪效果，进而降低系统性能，因此所用电光调制器和相位调制器均需为高消光比、高稳定性的高性能调制器。任意波形发生器AWG需要精确和稳定的信号驱动相位调制器以保证精确稳定的相位调制效果，所以所用任意波形发生器亦为高精度、高稳定性的任意波形发生器。

借助第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2调节光的偏振态以确保脉冲信号光和脉冲基底光在光耦合器叠加合成时偏振衰落最小，扰偏器PS用于扰乱探测光、泵浦光和散射回的发生SBS作用后的探测光的偏振态，从而能有效减小偏振噪声的影响。

微波信号源MSS对第二电光调制器进行抑制载波的双边带调制，可有效减少非本地效应，延长传感距离。光滤波器OF是用于将经环形器散射回的发生SBS作用后的探测光的上边带滤除(保留频率为v₀-v_m的Stokes探测光)，从而形成布里渊增益谱。

经过高阶相位调制的脉冲基底光在传感光纤中产生的不同相位关系的背向瑞利散射光作为探测光与每一个对应的同步相位高阶相位调制脉冲泵浦光发生受激布里渊散射作用，发生SBS作用后携带传感信息不同相位关系的探测光可以表示为

式中，E_R为由Stokes光在光纤中产生的背向瑞利散射探测光的强度，H_SBS(v,z)为SBS的传输函数，其中v为微波扫描频率，z为光脉冲传播距离。

数据采集卡DAQ对PD检测到的数据进行采集并送入计算机进行解调和处理，计算机对采集到的数据进行分离提取，然后对不同相位关系的探测光进行叠加平均以抑制相干瑞利噪声，叠加平均后的信号可以表示为

经解调后不同微波调制频率的信号通过重构得到布里渊增益谱，通过洛伦兹拟合得到布里渊频移沿光纤的分布，利用布里渊频移与温度、应变的线性关系，以实现对温度或应变的分布式传感。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。