基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法

摘要

本发明涉及分布式光纤传感领域，公开了一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法，装置包括无时延宽带混沌激光源、光纤耦合器、电光调制器、微波信号源、可编程光延迟发生器、连续光放大器、传感光纤、半导体光放大器、脉冲信号发生器、脉冲光放大器、光环形器、波分复用器、第一光电探测器、可调谐光滤波器、第二光电探测器和高速数据采集与分析系统。本发明利用无时延宽带混沌激光消除混沌布里渊增益谱双峰效应，拓宽动态应变测量范围；利用双斜坡辅助技术和混沌后向拉曼散射补偿提高了动态应变测量精度，实现长传感距离、高测量精度兼顾的分布式光纤动态应变监测系统。

权利要求

1.基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：将同一激光器输出的无时延宽带混沌激光分为两束，分别作为探测光和泵浦光；

通过双频啁啾边带调制将探测光与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱上升沿斜坡与下降沿斜坡的线性区，然后将探测光和泵浦光分别从传感光纤两端输入传感光纤；

采集并处理传感光纤中输出的混沌拉曼斯托克斯光信号，同时采集传感光纤中输出的经布里渊放大后的混沌探测光中的斯托克斯光；

通过处理混沌拉曼斯托克斯光信号，实时解调光纤沿线任意位置的本征损耗、动态应变拉伸损耗分布情况；通过处理混沌布里渊斯托克斯光得到光纤中特定位置的动态应变信息，并利用同步获取的损耗分布进行功率补偿；可编程光延迟发生器调节探测光光程，使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置出发生受激布里渊放大作用，从而得到光纤沿线任意位置动态应变信息。

2.基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，其特征在于，包括无时延宽带混沌激光源（1）；所述无时延宽带混沌激光源（1）输出的无时延宽带混沌激光经分光器后分为两束，一束作为探测光依次经电光调制器（4）、可编程光延迟发生器（6）、连续光放大器（7）后入射到传感光纤（10）的一端；另一束作为泵浦光依次经半导体光放大器（11）、脉冲光放大器（13）后入射到光环形器（14）的第一端口，从光环形器（14）的第二端口出射后入射至所述传感光纤（10）的另一端；

所述半导体光放大器（11）的射频输入端与脉冲信号发生器（12）的第一输出端连接，用于驱动所述半导体光放大器（11）将所述泵浦光调制成脉冲光；所述脉冲信号发生器（12）的第二输出端与微波信号源（5）的外部触发端口连接，所述微波信号源（5）的输出端与所述电光调制器（4）连接，用于驱动所述电光调制器（4）对所述探测光进行载波抑制的边带调制，且边带频率是以光纤布里渊频移为中心频率的双频啁啾链；所述脉冲信号发生器（12）的第三输出端与高速数据采集与分析系统（19）的射频控制端连接；

相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤（10）中相遇，产生的混沌自发拉曼散射斯托克斯光和受激布里渊散射作用放大后的探测光从所述传感光纤（10）的另一端出射后，入射至所述入射所述光环形器（14）的第二端口，经所述光环形器的第三端口出射，出射信号经波分复用器（15）后，混沌自发拉曼散射斯托克斯光经第一光电探测器（16）转换为电域信号后传输至高速数据采集与分析系统（19），受激布里渊散射作用放大后的探测光经可调谐光滤波器（17）进行滤波后，保留的斯托克斯分量经第二光电探测器（18）转换为电域信号后传输至高速数据采集与分析系统（19）。

3.根据权利要求2所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，其特征在于，还包括偏振控制器（3）、光扰偏器（8）和光隔离器（9），所述探测光依次经偏振控制器（3）、电光调制器（4）、可编程光延迟发生器（6）、连续光放大器（7）、光扰偏器（8）和光隔离器（9）后入射到传感光纤（10）的一端。

4.根据权利要求2所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，其特征在于，所述分光器为1×2光纤耦合器，所述无时延宽带混沌激光源（1）、分光器、偏振控制器（3）、高速电光调制器（4）、可编程光延迟发生器（6）、连续光放大器（7）、光扰偏器（8）、光隔离器（9）、传感光纤（10）、半导体光放大器（11）、脉冲信号发生器（12）、脉冲光放大器（13）、光环形器（14）、波分复用器（15）、第一光电探测器（16）、可调谐光滤波器（17）、第二光电探测器（18）之间通过单模光纤跳线连接。

5.根据权利要求2所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，其特征在于，所述高速数据采集与分析系统（19）用于根据所述第一光电探测器（16）和第二光电探测器（18）发送的信号，计算得到传感光纤（10）中的应变信息。

6.根据权利要求2所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，其特征在于，所述无时延宽带混沌激光源（1）输出的无时延宽带混沌激光的‑3dB光谱线宽大于

5GHz，‑3dB功率谱带宽大于10GHz，且时序信号无周期。

7.根据权利要求2所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，其特征在于，所述可编程光延迟发生器用于调节探测光的光程，实现传感系统的连续分布式定位。

说明书

基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着社会经济的高速发展，国家重大设施基础安全保障、智慧海洋环境安全保障、重大地质灾害快速识别与风险防控、深地探测及环保工程等传感监测技术迎来空
前的发展契机与挑战。分布式光纤传感技术由于可实现恶劣环境下温度、应变等多参量的
长距离、高精度、强抗干扰测量而备受青睐，为满足现代监测网络对动态变化参量的实时监
测需求，分布式光纤动态应变监测技术日益成为当下研究热点。

[0003] 目前，基于瑞利散射的相位敏感型光时域反射技术（Φ‑OTDR）通过脉冲光后向瑞利信号的相位变化解调光纤沿线任意位置处的动态应变，原理简单、结构方便，得到广泛的
研究与应用；但是该技术易受外界环境影响导致测量精度较差，同时，Φ‑OTDR技术多用于
光纤振动位置的定性测量，难以准确解调应变大小与频率。因此，基于布里渊散射的动态应
变测量技术得到迅速发展，主要包括：基于光学捷变频/啁啾链的布里渊光时域分析技术
（A. Voskoboinik, et al., Opt. Express 19, B842, 2011; D. Zhou, et al., Light 
Sci. Appl. 7, 32, 2018）、基于高速压控振荡器的布里渊光相干域技术（Y. Mizuno, et 
al., Light Sci. Appl. 5, e16184, 2016; B. Wang, et al., Opt. Express 26, 
6916, 2018），该类技术通过探测光频的快速扫描实现与应变变化相匹配的增益谱快速解
调，系统复杂度较高，且动态应变大小与频率相矛盾、测量精度低；基于斜坡辅助的布里渊
光时域分析技术（Y. Peled, et al., Opt. Express, 21, 10697, 2013）、基于宽频混沌
激光的动态应变监测技术（ZL201810408414.6），该类技术将动态应变实时转化为探测光功
率的变化，装置简单、成本低廉、适应性强，然而探测光功率易受泵浦光功率波动、光纤损耗
等因素的影响，监测距离短、测量精度低。

[0004] 综上所述，布里渊分布式光纤传感技术在动态应变测量领域具有很高的发展潜力，亟需一项长距离、高精度的分布式光纤动态应变监测技术。

发明内容

[0005] 本发明是为解决现有动态应变测量技术无法实现长监测距离与高测量精度兼顾的大范围实时监测的困难，提供了一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及
方法。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测方法，包括以下步骤：

[0007] 将同一激光器输出的无时延宽带混沌激光分为两束，分别作为探测光和泵浦光；

[0008] 通过双频啁啾边带调制将探测光与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱上升沿斜坡与下降沿斜坡的线性区，然后将探测光和泵浦光从传感光纤两束输入传感光纤；

[0009] 采集并处理传感光纤中输出的混沌拉曼斯托克斯光信号，同时传感光纤中输出的采集经布里渊放大后的混沌探测光中的斯托克斯光；

[0010] 通过处理混沌拉曼斯托克斯光信号，实时解调光纤沿线任意位置的本征损耗、动态应变拉伸损耗分布情况；通过处理混沌布里渊斯托克斯光得到光纤中特定位置的动态应
变信息，并利用同步获取的损耗分布进行功率补偿；可编程光延迟发生器调节探测光光程，
使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置出发生受激布里渊放大作用，从而得到光纤
沿线任意位置动态应变信息。

[0011] 此外，本发明还提供了基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，包括无时延宽带混沌激光源；所述无时延宽带混沌激光源的输出的无时延宽带混沌激光经分光器
后分为两束，一束作为探测光依次经电光调制器、可编程光延迟发生器、连续光放大器后入
射到传感光纤的一端；另一束作为泵浦光依次经半导体光放大器、脉冲光放大器后入射到
光环形器的第一端口，从光环形器的第二端口出射后入射至所述传感光纤的另一端；

[0012] 所述半导体光放大器的射频输入端与脉冲信号发生器的第一输出端连接，用于驱动所述半导体光放大器将所述泵浦光调制成脉冲光；所述脉冲信号发生器的第二输出端与
所述微波信号源的外部触发端口连接，所述微波信号源的输出端与所述电光调制器连接，
用于驱动所述电光调制器对所述探测光进行载波抑制的边带调制，且边带频率是以光纤布
里渊频移为中心频率的双频啁啾链；所述脉冲信号发生器的第三输出端与高速数据采集与
分析系统的射频控制端连接；

[0013] 相向传输的探测光与泵浦光在传感光纤中相遇，产生的混沌自发拉曼散射斯托克斯光和受激布里渊散射作用放大后的探测光从所述传感光纤的另一端出射后，入射至所述
入射所述光环形器的第二端口，经所述光环形器的第三端口出射，出射信号经所述波分复
用器后，混沌自发拉曼散射斯托克斯光经第一光电探测器转换为电域信号后传输至高速数
据采集与分析系统，受激布里渊散射作用放大后的探测光中所述可调谐光滤波器进行滤波
后，保留的斯托克斯分量经第二光电探测器转换为电域信号后传输至高速数据采集与分析
系统。

[0014] 所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，还包括偏振控制器、光扰偏器和光隔离器，所述探测光依次经偏振控制器、电光调制器、可编程光延迟发生器、连
续光放大器、光扰偏器和光隔离器后入射到传感光纤的一端。

[0015] 所述分光器为1×2光纤耦合器，所述无时延宽带混沌激光源、分光器、偏振控制器、高速电光调制器、可编程光延迟发生器、连续光放大器、光扰偏器、光隔离器、传感光纤、
半导体光放大器、脉冲信号发生器、脉冲光放大器、光环形器、波分复用器、第一光电探测
器、可调谐光滤波器、第二光电探测器之间通过单模光纤跳线连接。

[0016] 所述高速数据采集与分析系统用于根据所述第一光电探测器和第二光电探测器发送的信号，计算得到传感光纤中的应变信息。

[0017] 所述无时延宽带混沌激光源输出的无时延宽带混沌激光的‑3dB光谱线宽大于5GHz，‑3dB功率谱带宽大于10GHz，且时序信号无周期。

[0018] 所述可编程光延迟发生器用于调节探测光的光程，实现传感系统的连续分布式定位。

[0019] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

[0020] 本发明所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法，与现有的分布式光纤动态应变测量系统相比，其优点与积极效果在于：

[0021] 一、本发明所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法，利用‑3 dB光谱线宽大于5 GHz、时序信号无周期的无时延宽带混沌激光作为光源，其主要功效在
于：1、混沌激光的光谱符合高斯分布，光谱S（f）可用公式（1）表示，其中f0为光谱中心频率、
A为对应的光谱面积积分、Δf为‑3 dB光谱线宽，由公式可知本发明中混沌探测光与泵浦光
的光频率均呈现为连续型高斯分布；

[0022] ；            （1）

[0023] 2、混沌布里渊光相干域分析技术中，系统测得的布里渊增益谱可用公式（2）表示，其中ω为泵浦‑探测光拍频频率范围、具有宽带连续的高斯型分布，ρb(ω)为拍频频率的功
率谱密度，Ap为泵浦光功率，gB为布里渊增益中心因子，Δv=v‑vB为探测光频率失谐量，ΔvB
为本征布里渊增益谱线宽，其大小约30 MHz。公式（2）表征实际测得的布里渊增益谱是光纤
本征布里渊增益与探测‑泵浦拍频谱的卷积，宽带连续的高斯型拍频谱使得混沌布里渊光
相干域分析系统得到本征展宽的布里渊增益谱（BGS），其线宽大于50 MHz；

[0024] ；         （2）

[0025] 3、本发明利用长腔反馈结构产生待测光纤长度内无时延的宽带混沌激光，可获得与泵浦光功率相关、本征展宽的混沌布里渊增益谱；同时，无时延特性消除大应变状态下的
布里渊增益谱双峰效应，混沌布里渊增益谱上升沿斜坡与下降沿斜坡处的线性区被充分利
用，利用斜坡辅助技术实现大范围动态应变的实时监测。

[0026] 二、传统混沌激光的时序信号具有弱周期，即自相关信号存在时延旁瓣峰，导致光纤中延迟时间相应位置激发产生周期性的本征布里渊增益，该增益与探测‑泵浦拍频谱卷
积产生与中心峰位置处频移不一致的布里渊增益谱，使得系统测得的布里渊增益谱在大应
变下产生双峰效应，上升沿与下降沿处的线性区被破坏，斜坡辅助技术受到极大的限制。本
发明所述的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置及方法，利用双频啁啾边带调
制将探测光与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱上升沿与下降沿线性区，并用光电探测器
进行实时布里渊增益采集与分析，可用公式（3）表示，其中为δv= νh‑νl，νl为上升沿锁定频
率，νh为下降沿锁定频率，G(v)为频率v时测得的布里渊增益值；根据公式（3）利用双频率啁
啾边带下的增益比值R(δv)可消除泵浦光功率波动对布里渊增益的影响，基于此提出的双
斜坡辅助技术可将动态应变的变化等效为在RB(δv)=10 logR(δv)范围内的线性变化，消除
泵浦光功率波动对动态应变测量精度的影响。

[0027] ；（3）

[0028] 三、本发明通过采集受激布里渊放大后的探测光功率实时解调动态应变大小，然而双斜坡辅助技术无法解决光纤沿线损耗引起的探测光功率波动；本发明同时采集并处理
混沌拉曼斯托克斯光信号，动态应变位置造成的光纤损耗被实时反映并采集，并对探测光
功率进行损耗补偿，消除应变拉伸区光纤损耗引起的动态应变测量误差；此外，脉冲调制的
混沌泵浦光经后向拉曼散射构成的混沌拉曼光时域反射技术可实现光纤沿线任意点的快
速定位，与可编程光延迟发生器组合使用实现传感光纤沿线的快速探测和精准定位。

[0029] 四、传统的脉冲型光时域系统，其空间分辨率受限，难以实现应变区的精准定位；频率捷变技术、多频率调制连续探测光等技术需要多个高速电光调制模块及任意波形发生
器，系统成本较高且调制宽度有限；传统斜坡辅助法的布里渊增益谱线性区本征受限、相干
探测技术结构复杂，实行困难，受外界环境影响较大；布里渊光时域系统传感长度与系统采
样率相矛盾，即动态应变频率与传感距离相矛盾。例如，采用频率捷变技术的动态分布式布
里渊光纤传感装置及方法（中国发明专利，ZL2013102334483），采用多频率调制探测光技术
的长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置（中国发明专利，
ZL2014101334620），采用斜率辅助与相干探测技术相结合的动态分布式布里渊光纤传感装
置及方法（中国发明专利，ZL2015101224127），采用多斜坡辅助的大动态范围布里渊快速测
量系统（中国发明专利，CN201910006107.X）。本发明的基于无时延混沌激光的高精度动态
应变监测装置属于光相干域系统，空间分辨率可提高2 3个数量级，本发明所用的‑3 dB功
~
率谱带宽大于10 GHz的宽频混沌激光可实现4 mm以下的超高空间分辨率；混沌布里渊光相
干域系统采样率与传感距离可兼顾，且混沌布里渊增益谱本征展宽，无需复杂的调制手段
使系统结构简化、成本降低，实现长距离、高空间分辨率、大范围、高频率动态应变的实时测
量。

[0030] 五、相对于现有技术中对于采用宽频混沌激光的的分布式光纤动态应变传感装置及方法（中国发明专利，ZL201810408414.6），本发明所用的‑3 dB光谱线宽大于5 GHz、时序
信号无周期的无时延宽带混沌激光可消除布里渊增益谱次峰对斜坡线性区的限制，继续拓
宽动态应变测量范围，并利用双斜坡辅助技术和混沌后向拉曼散射补偿提高动态应变测量
精度，最终实现长监测距离与高测量精度兼顾的大范围动态应变实时监测。

附图说明

[0031] 图1表示本发明装置的结构示意图；

[0032] 图中：1‑无时延宽带混沌激光源、2‑光纤耦合器、3‑偏振控制器、4‑电光调制器、5‑微波信号源、6‑可编程光延迟发生器、7‑连续光放大器、8‑光扰偏器、9‑光隔离器、10‑传感
光纤、11‑半导体光放大器、12‑脉冲信号发生器、13‑脉冲光放大器、14‑光环形器、15‑波分
复用器、16‑第一光电探测器、17‑可调谐光滤波器、18‑第二光电探测器、19‑高速数据采集
与分析系统。

[0033] 图2表示混沌布里渊光相干域系统中实际测得布里渊增益谱的原理示意图，图中：（a）无时延宽带混沌激光作为光源测得的展宽的混沌布里渊增益谱；（b）为时延旁瓣峰导致
的混沌布里渊增益谱双峰效应。

[0034] 图3表示双斜坡辅助技术原理示意图，图中：左图为啁啾链型探测光的锁定频率，包括νl为上升沿斜坡锁定频率，νh为下降沿斜坡锁定频率，满足关系δv= νh‑νl；右图为双斜
坡辅助技术下可用于监测动态应变的线性区实例。

具体实施方式

[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不
是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前
提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 如图1所示，本发明实施例提供了一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置，包括无时延宽带混沌激光源1、光纤耦合器2、偏振控制器3、电光调制器4、微波信号
源5、可编程光延迟发生器6、连续光放大器7、光扰偏器8、光隔离器9、传感光纤10、半导体光
放大器11、脉冲信号发生器12、脉冲光放大器13、光环形器14、波分复用器15、第一光电探测
器16、可调谐光滤波器17、第二光电探测器18、高速数据采集与分析系统19。

[0037] 其中，无时延宽带混沌激光源1的输出端与光纤耦合器2的输入端连接；光纤耦合器2的第一个输出端与偏振控制器3输入端连接；偏振控制器3的输出端与电光调制器4的光
纤输入端连接；微波信号源5的射频输出端通过高频同轴电缆与电光调制器4的射频输入端
连接；电光调制器4的光纤输出端通过单模光纤跳线与可编程光延时发生器6的输入端连
接；可编程光延时发生器6的输出端通过单模光纤跳线与连续光放大器7的输入端连接；连
续光放大器7的输出端通过单模光纤跳线与光扰偏器8的输入端连接；光扰偏器8的输出端
通过单模光纤跳线与光隔离器9的输入端连接；光隔离器9的输出端与传感光纤10一端连
接；传感光纤10的另一端与光环行器14的反射端连接；1×2光纤耦合器2的第二个输出端通
过单模光纤跳线与半导体光放大器11的输入端连接；脉冲信号发生器12的射频输出端Ⅰ通
过高频同轴电缆与半导体光放大器11的射频输入端连接；半导体光放大器11的输出端通过
单模光纤跳线与脉冲光放大器13的输入端连接：脉冲光放大器13的输出端通过单模光纤跳
线与光环行器14的输入端连接；光环行器14的输出端与1×2波分复用器15的输入端连接；1
×2波分复用器15的第一个输出端通过单模光纤跳线与第一光电探测器16连接，1×2波分
复用器15的第二个输出端通过单模光纤跳线与可调谐滤波器17的输入端连接；第一光电探
测器16的输出端通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统19的数据采集端口Ⅰ连接；
可调谐滤波器17的输出端通过单模光纤跳线与第二光电探测器18的输入端连接，第二光电
探测器18的输出端通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统19的数据采集端口Ⅱ连
接；脉冲信号发生器12的射频输出端Ⅱ通过高频同轴电缆与高速数据采集与分析系统19的
射频控制端口连接，脉冲信号发生器12的射频输出端Ⅲ通过高频同轴电缆与微波信号源5
的外部触发端口连接。

[0038] 具体地，其中光纤耦合器2为1×2光纤耦合器，用于将无时延宽带混沌激光源1的输出光分为两束，分别作为探测光和泵浦光。此外，无时延宽带混沌激光源1可以为具有长
腔反馈结构的宽带混沌激光器，通过长腔反馈结构，可以使宽带混沌激光器产生待测光纤
长度内无时延的宽带混沌激光，进而获得与泵浦光功率相关、本征展宽的混沌布里渊增益
谱。脉冲信号发生器12的射频输出端与与微波信号源5和高速数据采集与分析系统19连接，
可以实现脉冲信号的同步触发信号采集。

[0039] 具体实施时，无时延宽带混沌激光源1输出中心波长为1550nm，‑3 dB光谱线宽大于5 GHz、‑3 dB功率谱带宽大于10 GHz、时序信号无周期的混沌激光。电光调制器4采用典
型带宽≥12 GHz型高消光比铌酸锂电光强度调制器。可编程光延时发生器5采用ODG‑101高
精度长距离可编程光延迟线。传感光纤10采用G652单模光纤或G655单模光纤。半导体光放
大器11采用增益开关系列放大器。第一光电探测器16与第二光电探测器18采用性能完全相
同的增益型低带宽高速探测器。可调谐光滤波器17采用XTM‑50超精细型带宽波长可调滤波
器。高速数据采集与分析系统采用高带宽、高采样率锁相放大器与高性能计算机组合。

[0040] 具体地，波分复用器15为1×2波分复用器，其用于将传感光纤10经光环形器14输出的混沌自发拉曼散射斯托克斯光信号和经受激布里渊放大后的混沌探测光进行分离。

[0041] 本实施例提供的基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测装置的工作原理如下：

[0042] 无时延宽带混沌激光源1输出‑3 dB光谱线宽大于5 GHz、‑3 dB功率谱带宽大于10 GHz、时序信号无周期的无时延宽带混沌激光，入射到1×2光纤耦合器2，通过1×2光纤耦合
器分为两路：一路作为探测光，另一路作为泵浦光。如图2所示，相向传输的混沌探测光与泵
浦光在传感光纤中的某一位置处相遇，发生受激布里渊放大作用，产生受激布里渊增益；混
沌激光的宽带特性实现了毫米量级的超高空间分辨率，且得到自然展宽的混沌布里渊增益
谱；混沌激光的无时延特性不仅极大地抑制了光纤中噪声布里渊声波场使得传感距离大幅
拓展，并且消除了大应变条件下混沌布里渊增益谱的双峰效应；最终无时延宽带混沌激光
大幅拓展了混沌布里渊增益谱线性区，利用斜坡辅助技术实现了长距离高分辨率兼顾的大
范围动态应变实时监测。

[0043] 混沌探测光经过偏振控制器3入射到高速电光调制器4，其中高速电光调制器4被微波信号源5输出的正弦信号实现载波抑制的边带调制，且边带频率是以光纤布里渊频移
（νB≈ 11 GHz）为中心频率的双频啁啾链，如图3所示，低频频率νl，高频频率νh，布里渊增益
谱线宽ΔνB，δv=νh‑νl≥ΔνB；利用双频率啁啾边带下的增益比值R(δv)消除泵浦光功率波
动对布里渊增益的影响，基于此提出的双斜坡辅助技术可将动态应变的变化等效为在RB(δ
v)=10 logR(δv)范围内的线性变化，消除泵浦光功率波动对系统的影响，提高动态应变的
测量精度。

[0044] 经高速电光调制器4移频后的光信号输入到可编程光延迟发生器6，通过可编程光延迟发生器6调节探测光的光程；然后入射到连续光放大器7，通过连续光放大器7对探测光
进行放大后入射光扰偏器8，光扰偏器8降低布里渊增益的偏振敏感现象；经光扰偏器8后入
射到光隔离器9，经光隔离器9输出后，探测光注入到传感光纤10的一端。混沌泵浦光直接入
射到半导体光放大器11，其中半导体光放大器11被脉冲信号发生器12输出的高速脉冲信号
调制，经脉冲调制后的混沌光信号入射到脉冲光放大器13，经脉冲光放大器13放大后输出
至光环形器14的输入端，经光环形器14输入到待测光纤10的另一端。

[0045] 相向传输的混沌探测光与泵浦光在传感光纤中的某一位置处相遇，除受激布里渊散射外，脉冲调制后的混沌泵浦光激发产生显著的后向自发混沌拉曼散射，拉曼散射光和
经受激布里渊放大后的探测光经光环形器14环行后进入1×2波分复用器15；波分复用器15
第一个输出端输出混沌自发拉曼散射斯托克斯光，接入第一光电探测器16转换为电域信
号，并通过高频同轴电缆经端口I传输至高速数据采集与分析系统19；波分复用器15第二个
输出端输出经受激布里渊放大后的混沌探测光，放大后的探测光进入可调谐光滤波器17，
只保留斯托克斯光分量，将滤出的光信号接入第二光电探测器18转换为电域信号，并通过
高频同轴电缆经端口II传输至高速数据采集与分析系统19。

[0046] 脉冲调制的混沌泵浦光经后向拉曼散射可构成混沌拉曼光时域反射仪，同时采集并处理混沌拉曼斯托克斯光信号，可以实时解调光纤沿线损耗信息，并对探测光功率进行
补偿，消除光纤沿线损耗引起的动态应变测量误差；此外，混沌拉曼光时域反射仪可实现光
纤沿线任意点的快速定位，与可编程光延迟发生器6组合使用实现传感光纤沿线的快速探
测和精准定位。

[0047] 此外，本发明实施例还提供了基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测方法，包括以下步骤：

[0048] 将同一激光器输出的无时延宽带混沌激光分为两束，分别作为探测光和泵浦光；

[0049] 通过双频啁啾边带调制将探测光与泵浦光的频差锁定在布里渊增益谱上升沿斜坡与下降沿斜坡的线性区，然后将探测光和泵浦光从传感光纤两束输入传感光纤；

[0050] 采集并处理传感光纤中输出的混沌拉曼斯托克斯光信号，同时采集传感光纤中输出的经布里渊放大后的混沌探测光中的布里渊斯托克斯光；

[0051] 通过处理混沌拉曼斯托克斯光信号，实时解调光纤沿线任意位置的本征损耗、动态应变拉伸损耗分布情况；通过处理混沌布里渊斯托克斯光得到光纤中特定位置的动态应
变信息，并利用同步获取的损耗分布进行功率补偿；可编程光延迟发生器调节探测光光程，
使得混沌探测光和泵浦光在传感光纤不同位置出发生受激布里渊放大作用，从而得到光纤
沿线任意位置动态应变信息。

[0052] 综上所述，本发明提供了一种基于无时延混沌激光的高精度动态应变监测方法和装置，无时延宽带混沌激光消除了混沌布里渊增益谱的双峰效应，大幅拓展了混沌布里渊
增益谱线性区，实现了长距离高分辨率兼顾的大范围动态应变实时监测。基于探测光双频
率啁啾边带的双斜坡辅助技术可消除泵浦光功率波动的影响，提高动态应变的测量精度。
混沌拉曼光时域反射技术实时补偿光纤沿线损耗信息，消除光纤沿线损耗引起的动态应变
测量误差，提高动态应变的测量精度；并与可编程光延迟发生器组合使用实现传感光纤沿
线的快速探测和精准定位。因此，本发明可消除布里渊增益谱次峰对线性区的限制，继续拓
宽动态应变测量范围，并利用双斜坡辅助技术和混沌后向拉曼散射补偿提高动态应变测量
精度，最终实现长监测距离与高测量精度兼顾的大范围动态应变实时监测。

[0053] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。