脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及装置制造方法及图纸

脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及装置，它利用阶梯脉冲光从传感光纤的一端入射，其中时间有限的微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场产生的自发布里渊散射光与1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光，两者分别与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用；本振光与携带布里渊散射信息的探测光在平衡探测器中拍频，利用拍频后获得的电信号中的同相及正交分量得到受激布里渊散射相移值，最后根据计算机中存储的相移与动态应变的对应关系曲线解调出相应的动态应变值。本发明专利技术结构简单、应用方便，能有效减小非本地效应，提高系统信噪比，可实现宽频带、高空间分辨率和测量精度，可靠性和稳定性好的动态应变测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用脉冲预泵浦技术和光纤瑞利散射原理实现单端结构的矢量BOTDA动态应变测量的方法与装置，属于测量

技术介绍
基于布里渊光时域分析(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis，BOTDA)技术的分布式光纤传感器利用相向传输的探测光和泵浦光之间的受激布里渊散射(StimulatedBrillouinScattering，SBS)作用，频率高的泵浦光向频率低的斯托克斯探测光转移能量，通过受激布里渊效应对探测光进行放大，因此，接收信号强度大，测量精度高，动态范围宽。BOTDA技术以其综合性能优势，在海底光缆制造和施工维护、石油天然气管道泄露、发电厂及废气处理厂的温度监测、大型混凝土钢材结构的温度和应变监测，以及山崩石塌、河床塌陷的监测等方面具有广阔的应用前景。传统BOTDA系统中一般是采用对泵浦光和探测光的频率差进行频率扫描来实现受激布里渊散射增益谱的测量，通过布里渊散射增益谱的频移和强度信息来实现温度/应变的解析。但是强度信息受探测光与泵浦光功率波动、偏振噪声影响大，而强度信息直接决定着频移信息的获取，因此会降低布里渊频移的测量精度，并且由于频率扫描的方法测量时间长，无法实现实时的动态测量，因而限制了其应用领域。目前，动态应变测量技术在分布式光纤传感领域的研究集中于：干涉型动态应变测量技术、相位敏感光时域反射(PhaseOpticalTimeDomainReflectometry，φ-OTDR)动态应变测量技术、BOTDA动态应变测量技术、偏振光时域反射(PolarizationOpticalTimeDomainReflectometry，POTDR)动态应变测量技术、布里渊相移动态应变测量技术等。干涉型动态应变测量技术是利用外界信号对光纤内传输的光波进行相位、波长、强度和偏振态调制，通过干涉仪检测这些参量的变化，实现动态应变的测量，但该测量技术易受周边环境噪声因素的影响，系统稳定性差；φ-OTDR动态应变测量技术是利用背向瑞利信号相位的变化进行动态应变信号的测量，但其动态应变测量范围小，信噪比低，大部分仍旧是定性测量；BOTDA动态应变测量技术是通过布里渊增益斜坡分析法来实现动态应变的测量，但其受光源频率漂移、探测光与泵浦光功率波动的影响较大，系统稳定性差，需对泵浦光与探测光的频率差进行扫描和数据拟合，测量时间长，无法响应高频动态应变信号；POTDR动态应变测量技术是利用偏振态的变化实现动态应变的测量，但其频率测量范围小；2011年，A.Zornoza提出布里渊相移BOTDA动态应变测量技术，实现了160m传感距离上1m空间分辨率、1.66kHz测量速率的动态应变测量，通过将相移转化为相应的频移信息实现动态应变的检测，该测量技术不受探测光与泵浦光功率波动的影响，具有很好的稳定性，但泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，在大范围测量场合应用不方便，且SBS强度受非本地效应影响严重，进而产生寄生调相，导致系统产生相位测量误差，而且当光纤发生断裂时系统将无法进行检测，可靠性较低。在上述布里渊相移BOTDA动态应变测量技术中，当传感脉冲宽度小于声子寿命时，SBS谱会明显展宽，系统测量精度会大大降低，且存在由非本地效应引起的寄生调相导致的相位测量误差，无法实现高空间分辨率与高测量精度的测量；由于泵浦光与探测光需从光纤两端分别入射，系统结构复杂，在大范围测量场合应用不方便，而且当光纤发生断裂时将无法进行检测，可靠性低。因此，找到一种结构简单、应用方便，非本地效应小，能够有效解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾，而且测量频带宽、信噪比高、系统可靠性及稳定性好的动态应变测量方法和装置是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提出一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法及其测量装置，利用脉冲预泵浦技术提高系统信噪比、解决空间分辨率与测量精度之间的矛盾，减小非本地效应，以非破坏性的工作方式实现单光源、单端和单纤工作，有效提高测量系统的可靠性与稳定性，并通过平衡探测器实现测量频带宽、信噪比高、速度快的动态应变测量。本专利技术所述技术问题是以下述技术方案解决的：一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，它利用一个窄线宽激光器通过保偏耦合器向阶梯脉冲光模块输出连续光，连续光经阶梯脉冲光模块后产生由时间有限的微波调制预泵浦脉冲光与传感脉冲光合成的阶梯脉冲光，阶梯脉冲光从传感光纤的一端入射，其中，微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，产生的自发布里渊散射(SpontaneousBrillouinScattering，SpBS)光作为探测光与传感脉冲发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很窄的布里渊散射谱；微波调制预泵浦脉冲光的1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很宽的布里渊散射谱；同时，所述窄线宽激光器通过保偏耦合器向本振光模块输出连续光，连续光经本振光模块后产生的本振光与携带受激布里渊散射信息的探测光在平衡探测器中进行拍频，利用正交相位解调器提取出拍频后获得的电信号中的同相及正交分量，并通过数据采集卡对同相及正交分量进行采集，所述正交分量和同相分量的商与受激布里渊散射相移呈反正切函数关系，进而得到受激布里渊散射相移值，最后根据计算机数据库中存储的受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线即可解调出相应的动态应变值。所述阶梯脉冲光中的微波调制预泵浦脉冲光0阶基带预激发声波场，提高了SBS作用效率，使系统信噪比得到提升；所述本振光与携带受激布里渊散射信息的探测光在平衡探测器中进行拍频，使得系统信噪比较普通探测器提高3dB。上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，在所述受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线中，每一个动态应变值对应一个相应的受激布里渊散射相移值，据此可将受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系进行标定。上述脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，依据存储的受激布里渊散射相移与动态应变关系数据库实现动态应变的解调，具体解调方式为：i、当环境温度与标定时温度相同时，获取的相移值对应的应变值即为当前动态应变值；ii、当环境温度与标定时温度不同时，根据变化后的布里渊频移对受激布里渊相移与应变的关系曲线做出相应的修改，并根据修改后的关系曲线即可获取动态应变值。本专利技术提出的测量装置结构如下：一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量装置，包括窄线宽激光器、保偏耦合器、阶梯脉冲光模块、本振光模块、第二扰偏器、第二耦合器、掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、光环行器、第一扰偏器、传感光纤、振动源、光滤波器、平衡探测器、正交相位解调器、数据采集卡和计算机；所述窄线宽激光器通过保偏耦合器向阶梯脉冲光模块和本振光模块输出连续光；所述阶梯脉冲光模块的输出端依次经掺铒光纤放大器和第一光栅滤波器接光环行器的第一光口，光环行器的第二光口经第一扰偏器接传感光纤和振动源，光环行器的第三光口经光滤波器接第二耦合器的第一输入光口；所述本振光模块的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，其特征是，利用一个窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向阶梯脉冲光模块输出连续光，连续光经阶梯脉冲光模块后产生时间有限的微波调制预泵浦脉冲光与传感脉冲光的合成光信号，合成光信号从传感光纤的一端入射，微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，产生的自发布里渊散射光作为探测光与传感脉冲发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很窄的布里渊散射谱；微波调制预泵浦脉冲光的1阶边带产生的背向瑞利散射光作为探测光与传感脉冲光发生受激布里渊散射作用，产生谱宽很宽的布里渊散射谱；谱宽很窄的布里渊散射谱与谱宽很宽的布里渊散射谱叠加形成合成谱；同时，所述窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向本振光模块输出连续光，连续光经本振光模块后产生的本振光与携带受激布里渊散射信息的探测光在平衡探测器(BPD)中进行拍频，利用正交相位解调器(IQ)提取出拍频后获得电信号中的同相及正交分量，并通过数据采集卡(DAQ)对同相及正交分量进行采集，受激布里渊散射相移与正交分量和同相分量的商呈反正切函数的关系，进而得到受激布里渊散射相移，最后根据计算机数据库中存储的受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系曲线解调出相应的动态应变值。...

【技术特征摘要】
1.一种脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变测量方法，其特征
是，利用一个窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向阶梯脉冲
光模块输出连续光，连续光经阶梯脉冲光模块后产生时间有限的微波
调制预泵浦脉冲光与传感脉冲光的合成光信号，合成光信号从传感光
纤的一端入射，微波调制预泵浦脉冲光的0阶基带预激发声波场，产
生的自发布里渊散射光作为探测光与传感脉冲发生受激布里渊散射
作用，产生谱宽很窄的布里渊散射谱；微波调制预泵浦脉冲光的1阶
边带产生的背向瑞利散射光作为探测光与传感脉冲光发生受激布里
渊散射作用，产生谱宽很宽的布里渊散射谱；谱宽很窄的布里渊散射
谱与谱宽很宽的布里渊散射谱叠加形成合成谱；
同时，所述窄线宽激光器(LD)通过保偏耦合器(PCO)向本振光
模块输出连续光，连续光经本振光模块后产生的本振光与携带受激布
里渊散射信息的探测光在平衡探测器(BPD)中进行拍频，利用正交相
位解调器(IQ)提取出拍频后获得电信号中的同相及正交分量，并通过
数据采集卡(DAQ)对同相及正交分量进行采集，受激布里渊散射相
移与正交分量和同相分量的商呈反正切函数的关系，进而得到受激布
里渊散射相移，最后根据计算机数据库中存储的受激布里渊散射相移
与动态应变的对应关系曲线解调出相应的动态应变值。
2.根据权利要求1所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变
测量方法，其特征是，在所述受激布里渊散射相移与动态应变的对应

\t关系曲线中，每一个动态应变值对应一个相应的受激布里渊散射相移
值，据此将受激布里渊散射相移与动态应变的对应关系进行标定。
3.根据权利要求1所述的脉冲预泵浦单端矢量BOTDA动态应变
测量方法，其特征是，依据存储的受激布里渊散射相移与动态应变关
系数据库实现动态应变的解调，具体解调方式为：
i、当环境温度与标定时温度相同时，获取的相移值对应的应变
值即为当前动态应变值；
ii、当环境温度与标定时温度不同时，根据变化后的布里渊频移
对受激布里渊相移与应变的关系曲线做出相应的修改，并根据修改后
的关系曲线即可获取动态应变值。
4.一种用于如权利要求1-3中任一项脉冲预泵浦单端矢量
BOTDA动态应变测量的测量装置，其特征是，包括窄线宽激光器
(LD)、保偏耦合器(PCO)、阶梯脉冲光模块、本振光模块、第二扰
偏器(PS2)、第二耦合器(CO2)、掺铒光纤放大器(EDFA)、第一光栅
滤波器(GF1)、光环行器(OC)、第一扰偏器(PS1)、传感光纤(FUT)、
振动源(VBS)、光滤波器(OF)、平衡探测器(BPD)、正交相位解调
器(IQ)、数据采集卡(DAQ)和计算机(COM)，所述窄线宽激光器(LD)
通过保偏耦合器(PCO)向阶梯脉冲光模块和本振光模块输出连续光；
所述阶梯脉冲光模块的输出端依次经掺铒光纤放大器(EDFA)和第一
光栅滤波器(GF1)接光环行器(OC)的第一光口，光环行器(OC)的第
二光口经第一扰偏器(PS1)接传感光纤(FUT)和振动源(VBS)，光环
行器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永倩，张立欣，李晓娟，尚秋峰，安琪，张淑娥，杨润润，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13