本发明公开了一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法和装置，其是采用任意波形发生器和电光调制器将窄线宽激光器输出的连续光调制成四个顺序连接的周期性频率段，其中两个频率与泵浦光的频率差位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个点，而另外两个则位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个点上，调制后的四频连续探测光入射到传感光纤中与相向传输的每一个对应的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频率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处理和解调。该方法不仅可以减小泵浦光和探测光功率波动对系统性能的影响，降低测量误差，还可以有效抑制测量过程中线宽变化导致的测量信号幅度的起伏，提高系统的测量精度。
1.一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法,其特征在于，该方法采用任意波形发生器和电光调制器将窄线宽激光器输出的连续光调制成四个顺序连接的周期性频率段，其中两个频率与泵浦光的频率差位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个点，而另外两个则位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个点上，且每个频率的持续时间等于脉冲信号光的重复周期，调制后的四频连续探测光入射到传感光纤中与相向传输的每一个对应的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频率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处理和解调，计算机首先对采集到数据进行预处理，接着利用双斜坡四频差分比值法进行正式的处理，最后利用计算机中存储的事先测量标定和拟合分析的不同应变处理结果与相应应变的对应关系曲线进行解调得到最终的动态应变值。
2.根据权利要求1所述的一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，其特征在于，所述的计算机预处理是指将采集到的发生SBS作用后的探测光功率与提前测量的未和泵浦光作用的探测光功率相除后取对数以获得对数增益并消除探测光功率波动的影响。
3.根据权利要求1所述的一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，其特征在于，所述的双斜坡四频差分比值法是指分别将经预处理后的各个斜坡上不同频率的两个探测光增益取倒数后相减以消除布里渊增益谱表达式分母中线宽参数的影响，接着对得到的两个数据结果相除以消除布里渊增益谱表达式分子中线宽参数的影响和泵浦光功率波动的影响，最后对得到的结果取对数以方便拟合和解调。
4.根据权利要求1所述的一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，其特征在于，所述的计算机中存储的事先测量标定和拟合分析的不同应变处理结果与相应应变的对应关系曲线是指测量前对系统施加不同程度的应变，对得到的结果按照上述处理过程进行处理，每一个应变值都会对应一个相应的处理结果，将每一个处理结果以及对应的应变值进行拟合得到对应关系曲线并存储在计算机中，当需要解调时将测量处理后的结果代入即可获得对应的动态应变值。
5.根据权利要求1所述的一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，其特征在于，所述的该计算机对采集到的数据进行预处理步骤为，将采集到的发生SBS作用后的探测光功率与提前测量的未和泵浦光作用的探测光功率相除后取对数以获得对数增益并消除探测光功率波动的影响，预处理后一个周期频率段的对数增益数据表示为式中，Gn为不同频率探测光经预处理后沿光纤分布随时间变化的对数增益，In为不同频率探测光的功率，GSBS为布里渊幅度增益，gB为布里渊增益峰值，IP为泵浦光功率，Δz为光纤的相互作用长度，ΔvB为调制后的布里渊增益谱的线宽，Δvn为不同频率增益响应的频率失谐参量，z为光信号传播的距离，ε为动态应变信号。
6.根据权利要求1所述的一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，其特征在于，所述的利用双斜坡四频差分比值法进行正式的处理，是将经预处理后的各个斜坡上不同频率的两个探测光增益取倒数后相减以消除布里渊增益谱表达式分母中线宽参数的影响，处理后的两个差分增益GΔ1和GΔ2为：对得到的两个数据结果相除以消除布里渊增益谱表达式分子中线宽参数的影响和泵浦光功率波动的影响，处理后的比值增益GR为：
然后，将得到的最终处理结果代入事先测量标定和拟合分析曲线的近线性区进行解调，即可得到最终的动态应变响应。
7.一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的装置,其特征在于，其主要包括窄线宽激光器、保偏耦合器、脉冲信号源、第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、扰偏器、隔离器、光环形器、传感光纤、光电检测器、数据采集卡、计算机、四频周期频率段调制模块，所述的四频周期频率段调制模块是由任意波形发生器、第二电光调制器、脉冲信号源、第二掺铒光纤放大器、第二光栅滤波器组成的；所述窄线宽激光器发出的连续光经保偏耦合器分为两路输出，其中上支路连续光依次经脉冲信号源驱动的第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器后接光环形器的第一光口，下支路依次经任意波形发生器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、扰偏器和隔离器后接光环形器的第二光口，光环行器的第三光口经光电检测器和数据采集卡接入计算机。
8.根据权利要求7所述的一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的装置，其特征在于，所述任意波形发生器驱动的第二电光调制器对保偏耦合器输出的下支路连续光信号进行四频周期频率段调制，任意波形发生器的驱动信号为四个顺序连接的周期性频率段，每个频率的持续时间tlength与脉冲信号光的重复周期相同，脉冲信号源用于同步触发任意波形发生器以保证泵浦光和探测光的同步，频率段的重复周期为4tlength，即采样周期，任意波形发生器的驱动信号对进入第二电光调制器的连续光信号进行抑制载波的双边带调制，输出频率为v0±v1、v0±v2、v0±v3、v0±v4的四频周期频率段探测光，其中v0为窄线宽激光器的中心频率，v1、v2为位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个频率点，v3、v4为位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个频率点，调制后的探测光经第二掺铒光纤放大器放大并由第二光栅滤波器滤除自发辐射噪声和上边带信号后进入传感光纤。
消除斜坡型布里渊动态传感系统线宽依赖性的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及测量技术领域，尤指一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法和装置。
背景技术
[0002] 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、动态范围宽、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。
[0003] 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。利用布里渊移频与环境温度、应变的线性关系，实现对温度或应变的分布式传感。但是传统的扫频式BOTDA系统为了获得完整的布里渊增益谱、大的温度/应变测量范围和精确的布里渊频移，往往需要较大的扫频范围和较小的扫频间隔，从而需要较多的扫频个数，这就导致整个测量时间较长，因此该系统只适合于静态或者变化缓慢的应变测量，而限制了其在动态应变测量领域的应用。
[0004] 为此2009年Beinini等提出一种斜坡型BOTDA传感系统，该系统利用布里渊增益谱的一侧近似线性斜坡进行动态测量，通过将泵浦光和探测光的频率差设置在该斜坡的中心位置，当光纤某处的应变随时间动态变化时，该位置处的探测光增益大小会随着布里渊频移线性变化，将采集到的探测光增益代入事先测量标定和拟合分析的函数曲线中，即可解调出动态应变。该系统结构简单、无需扫频，解决了传统扫频式BOTDA测量时间长、无法实现动态应变测量的问题。但是斜坡型布里渊动态应变传感系统中斜坡具有线宽依赖性，为了实现高精度准确测量，需要保持斜坡的稳定，即线宽在测量过程中不发生变化。然而探测光和泵浦光的功率波动和测量过程中应变的变化都会使布里渊增益谱的线宽发生变化，从而破坏斜坡的稳定性，导致解调结果出现误差甚至出现错误。而且目前还没有一种有效的方法能有效解决斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性问题，因此目前急需一种能有效消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性，降低测量误差，提高测量准确度的方法和装置。
发明内容
[0005] 为解决上述问题，本发明主要目的在于，针对现有技术之弊端，提供一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法和装置，以抑制测量过程中线宽变化导致的测量信号幅度的起伏，降低其对系统性能的影响，提高测量的准确度和稳定度。
[0006] 为此，发明提供了以下技术方案：
[0007] 一种消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，该方法采用任意波形发生器和电光调制器将窄线宽激光器输出的连续光调制成四个顺序连接的周期性频率段，其中两个频率与泵浦光的频率差位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个点，而另外两个则位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个点上，且每个频率的持续时间等于脉冲信号光的重复周期，调制后的四频连续探测光入射到传感光纤中与相向传输的每一个对应的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频率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处理和解调，计算机首先对采集到数据进行预处理，接着利用双斜坡四频差分比值法进行正式的处理，最后利用计算机中存储的事先测量标定和拟合分析的不同应变处理结果与相应应变的对应关系曲线进行解调得到最终的动态应变值。
[0008] 进一步的，上述消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法中，所述的计算机预处理包括传统的数据提取、叠加平均去噪和小波变换等，特别是指将采集到的发生SBS作用后的探测光功率与提前测量的未和泵浦光作用的探测光功率相除后取对数以获得对数增益并消除探测光功率波动的影响。
[0009] 进一步的，上述消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，所述的双斜坡四频差分比值法是指分别将经预处理后的各个斜坡上不同频率的两个探测光增益取倒数后相减以消除布里渊增益谱表达式分母中线宽参数的影响，接着对得到的两个数据结果相除以消除布里渊增益谱表达式分子中线宽参数的影响和泵浦光功率波动的影响，最后对得到的结果取对数以方便拟合和解调。
[0010] 进一步的，上述消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的方法，所述的计算机中存储的事先测量标定和拟合分析的不同应变处理结果与相应应变的对应关系曲线是指测量前对系统施加不同程度的应变，对得到的结果按照上述处理过程进行处理，每一个应变值都会对应一个相应的处理结果，将每一个处理结果以及对应的应变值进行拟合得到对应关系曲线并存储在计算机中，当需要解调时将测量处理后的结果代入即可获得对应的动态应变值。
[0011] 其中，所述的计算机对采集到的数据进行预处理包括传统的数据提取、叠加平均去噪和小波变换等，特别是指将采集到的发生SBS作用后的探测光功率与提前测量的未和泵浦光作用的探测光功率相除后取对数以获得对数增益并消除探测光功率波动的影响，预处理后一个周期频率段的对数增益数据表示为
[0012]
[0013] 式中，Gn为不同频率探测光经预处理后沿光纤分布随时间变化的对数增益，In为不同频率探测光的功率，GSBS为布里渊幅度增益，gB为布里渊增益峰值，IP为泵浦光功率，Δz为光纤的相互作用长度，ΔvB为调制后的布里渊增益谱的线宽，Δvn为不同频率增益响应的频率失谐参量，z为光信号传播的距离，ε为动态应变信号。
[0014] 然后，在预处理之后可利用双斜坡四频差分比值法进行正式的处理，所述的双斜坡四频差分比值法是将经预处理后的各个斜坡上不同频率的两个探测光增益取倒数后相减以消除布里渊增益谱表达式分母中线宽参数的影响，处理后的两个差分增益GΔ1和GΔ2为：
[0015]
[0016]
[0017] 对得到的两个数据结果相除以消除布里渊增益谱表达式分子中线宽参数的影响和泵浦光功率波动的影响，处理后的比值增益GR为：
[0018]
[0019] 最后对比值增益取对数得到最终的处理结果R：
[0020] R(z,t,ε)＝lg[GR(z,t,ε)]
[0021] 然后，将得到的最终处理结果代入事先测量标定和拟合分析曲线的近线性区进行解调，即可得到最终的动态应变响应。
[0022] 本发明还提供了一种用于消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的装置，构成中包括窄线宽激光器、保偏耦合器、脉冲信号源、第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器、四频周期频率段调制模块(可由任意波形发生器、第二电光调制器、脉冲信号源、第二掺铒光纤放大器、第二光栅滤波器构成)、扰偏器、隔离器、光环形器、传感光纤、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、第一掺铒光纤放大器、第一光栅滤波器后接光环形器的第一光口，下支路依次经任意波形发生器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、扰偏器和隔离器后接光环形器的第二光口，光环行器的第三光口经光电检测器和数据采集卡接入计算机。
[0023] 较佳的，上述消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性的装置，其中所述的四频周期频率段调制模块由任意波形发生器、第二电光调制器、脉冲信号源、第二掺铒光纤放大器、第二光栅滤波器组成，所述任意波形发生器驱动的第二电光调制器对保偏耦合器输出的下支路连续光信号进行四频周期频率段调制，任意波形发生器的驱动信号为四个顺序连接的周期性频率段，每个频率的持续时间tlength与脉冲信号光的重复周期相同，脉冲信号源用于同步触发任意波形发生器以保证泵浦光和探测光的同步，频率段的重复周期为4tlength，即采样周期，任意波形发生器的驱动信号对进入第二电光调制器的连续光信号进行抑制载波的双边带调制，输出频率为v0±v1、v0±v2、v0±v3、v0±v4的四频周期频率段探测光，其中v0为窄线宽激光器的中心频率，v1、v2为位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个频率点，v3、v4为位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个频率点。调制后的探测光经第二掺铒光纤放大器放大并由第二光栅滤波器滤除自发辐射噪声和上边带信号后进入传感光纤。
[0024] 本发明有益效果在于，借助上述技术方案，本发明将双斜坡四频周期频率段调制技术引入到斜坡型布里渊动态应变传感系统中，利用调制产生的双侧斜坡对称的四个频率点和相应的双斜坡四频差分比值法来消除斜坡型布里渊动态应变传感系统线宽依赖性对系统性能的影响。该方法不仅可以减小泵浦光和探测光功率波动对系统性能的影响，降低测量误差，还可以有效抑制测量过程中线宽变化导致的测量信号幅度的起伏，提高系统的测量精度。
附图说明
[0025] 图1是本发明的测量装置组成示意图；
[0026] 图2是任意波形发生器的驱动信号示意图；
[0027] 图3是光纤中的SBS作用示意图；
[0028] 图4是动态应变的解调原理示意图。
[0029] 其中：
[0030] LD、窄线宽激光器 PCO、保偏耦合器
[0031] PSG、脉冲信号源 EOM1、第一电光调制器
[0032] EDFA1、第一掺铒光纤放大器 GF1、第一光栅滤波器
[0033] AWG、任意波形发生器 EOM2、第二电光调制器
[0034] EDFA2、第二掺铒光纤放大器 GF2、第二光栅滤波器
[0035] PS、扰偏器 ISO、隔离器
[0036] OC、光环行器 FUT、传感光纤
[0037] PD、光电检测器 DAQ、数据采集卡
[0038] COM、计算机。
具体实施方式
[0039] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
[0040] 文中所用符号说明如下：
[0041] v0为窄线宽激光器的输出频率，v1、v2为位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个频率点，v3、v4为位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个频率点，tlength为每个频率的持续时间，与脉冲信号光的重复周期相同，E(t)为四频周期频率段探测光随时间变化的强度，En为不同频率探测光的幅度，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，为不同频率对应的相位，n为不同频率的序数，Gn为不同频率探测光经预处理后沿光纤分布随时间变化的对数增益，In为不同频率探测光的功率，GSBS为布里渊幅度增益，gB为布里渊增益峰值，IP为泵浦光功率，Δz为光纤的相互作用长度，ΔvB为调制后的布里渊增益谱的线宽，Δvn为不同频率增益响应的频率失谐参量，z为光信号传播的距离，ε为动态应变信号，GΔ1和GΔ2为处理后的两个差分增益，GR为处理后的比值增益，R为处理的最终结果，Δv为由应变引起的频率失谐参量。
[0042] 下面结合附图对本发明作进一步说明，且以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0043] 本发明利用双斜坡四频周期频率段作为布里渊动态应变传感系统的调制信号，通过任意波形发生器驱动的电光调制器将连续探测光的频率与泵浦光的频率分别调制到布里渊增益谱双侧斜坡的四个对称的频率点上，不同频率的探测光与每一个对应的脉冲泵浦光发生SBS作用，发生SBS作用后不同频率的探测光经采集后利用双斜坡四频差分比值法处理以抑制测量过程中线宽变化导致的测量信号幅度的起伏，降低其对系统性能的影响，从而实现高精度高准确度动态应变测量。
[0044] 请参见图1，为本发明的测量装置组成示意图。本发明的系统组成和工作原理如下：
[0045] 窄线宽激光器LD经保偏耦合器PCO输出两路连续光，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，产生频率为v0的脉冲信号光，经第一掺铒光纤放大器EDFA1放大并由第一光栅滤波器GF1滤除自发辐射噪声后进入光环形器OC中；下支路由任意波形发生器AWG驱动的第二电光调制器EOM2进行四频周期频率段调制，任意波形发生器的驱动信号为四个顺序连接的周期性频率段，每个频率的持续时间tlength与脉冲信号光的重复周期相同，频率段的重复周期为4tlength，即采样周期，脉冲信号源用于同步触发任意波形发生器以保证泵浦光和探测光的同步，同步触发时间为脉冲信号光的重复周期，任意波形发生器的驱动信号对第二电光调制器的连续光进行抑制载波的双边带调制，输出频率为v0±v1、v0±v2、v0±v3、v0±v4的四频周期频率段探测光，其中v0为窄线宽激光器的中心频率，v1、v2为位于布里渊增益斜坡一侧不同的两个频率点，v3、v4为位于布里渊增益斜坡另一侧与之对称的两个频率点，调制后的探测光经第二掺铒光纤放大器放大并由第二光栅滤波器滤除自发辐射噪声和上边带信号后输出频率为v0-v1、v0-v2、v0-v3、v0-v4的四频周期频率段探测光，经扰偏器PS和隔离器ISO后进入传感光纤中与上支路相向传输的脉冲泵浦光发生SBS作用，作用后携带传感信息不同频率的探测光通过光电检测器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进行处理和解调。
[0046] 任意波形发生器产生的驱动信号如图2所示，其对第二电光调制器进行抑制载波的双边带调制，一个采样周期的输出光场可表示为
[0047]
[0048] 式中，E(t)为四频周期频率段探测光随时间变化的强度，En为不同频率探测光的幅度，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， 为不同频率对应的相位，n为不同频率的序数。
[0049] 为了保证测量精度，四个频率的频率失谐量应取值尽可能大。
[0050] 第一电光调制器EOM1、第二电光调制器EOM2的调制性能恶化都会使系统的状态发生变化，进而降低系统性能，因此所用电光调制器为高消光比、高稳定的调制器。任意波形发生器AWG需要精确和高带宽的信号驱动电光调制器以保证精确稳定的四频周期频率段调制效果，所以所用任意波形发生器为高带宽、高精度、高稳定的任意波形发生器。
[0051] 扰偏器PS用于扰乱探测光的偏振态，降低系统的偏振噪声和偏振相关衰落。
[0052] 经过四频周期频率段调制的四频连续探测光入射到传感光纤中与相向传输的每一个对应的泵浦光发生受激布里渊散射作用，其作用原理示意图如图3所示，发生SBS作用后携带传感信息不同频率的探测光经光电检测器PD检测和数据采集卡DAQ采集后送入计算机进行处理和解调。
[0053] 计算机首先对采集到的数据进行预处理，包括传统的数据提取、叠加平均去噪和小波变换等，特别是指将采集到的发生SBS作用后的探测光功率与提前测量的未和泵浦光作用的探测光功率相除后取对数以获得对数增益并消除探测光功率波动的影响，预处理后一个周期频率段的对数增益数据可以表示为
[0054]
[0055] 式中，Gn为不同频率探测光经预处理后沿光纤分布随时间变化的对数增益，In为不同频率探测光的功率，GSBS为布里渊幅度增益，gB为布里渊增益峰值，IP为泵浦光功率，Δz为光纤的相互作用长度，ΔvB为调制后的布里渊增益谱的线宽，Δvn为不同频率增益响应的频率失谐参量，z为光信号传播的距离，ε为动态应变信号。
[0056] 接着利用双斜坡四频差分比值法进行正式的处理，所述的双斜坡四频差分比值法是将经预处理后的各个斜坡上不同频率的两个探测光增益取倒数后相减以消除布里渊增益谱表达式分母中线宽参数的影响，处理后的两个差分增益GΔ1和GΔ2为：
[0057]
[0058]
[0059] 对得到的两个数据结果相除以消除布里渊增益谱表达式分子中线宽参数的影响和泵浦光功率波动的影响，处理后的比值增益GR为：
[0060]
[0061] 最后对比值增益取对数得到最终的处理结果R：
[0062] R(z,t,ε)＝lg[GR(z,t,ε)]
[0063] 动态应变的解调原理示意图如图4所示，由图4可以看出，应变产生的失谐较大时标定曲线会产生非线性，从而使解调产生误差，因此标定曲线的线性部分定义了失谐量的最大值，将得到的最终处理结果代入事先测量标定和拟合分析曲线的近线性区进行解调，即可得到最终的动态应变响应。
[0064] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
