[发明专利]参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪及其校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及对光纤的应变与温度进行全分布式测量的布里渊光时域反射仪，可实现对布里渊光时域反射仪中的不同频点处参考光的光功率进行校准，以确保应变与温度的精确测量，为一种布里渊光时域反射仪的参考光光功率校准方法及反射仪。

背景技术

布里渊光时域反射仪(Brillouin optical fiber time domain reflectometry，BOTDR)是一种基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统。该系统从光纤的一端发射脉冲，同时在发射端检测背向布里渊散射信号，发送脉冲与接收到散射信号的时间延迟与光速的乘积可以提供光纤检测的位置信息，由于布里渊散射光谱的频移和强度与光纤所受到的温度和应变存在线性关系，所以通过测量布里渊信号的强度和频移就可以得到光纤的温度和应变的分布信息。由于BOTDR具有单端测量、空间分辨率高、传感距离长等优点，已经在很多结构安全监测中得到了应用。

BOTDR一股采用自外差相干检测的方法获得微弱的布里渊散射信号光谱。在自外差相干检测的方法中，现有技术(宋牟平，微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术，光学学报，2004，24(8)：1111～1114)采用微波电光调制器产生频率可调的参考光与布里渊信号进行相干检测的方法。其检测系统的基本结构如图1所示。窄线宽激光器出射的连续光被耦合器分成两路，其中一路作为探测光，首先被脉冲调制器调制为一定宽度的脉冲光，再经光放大器和耦合器后注入传感光纤。另一路激光经过约11GHz微波驱动的电光调制器，产生该激光的正负一级边频光，将其作为本地参考光与传感光纤中散射回来的布里渊散射光相干，被外差光接收机接收。经光电转换，产生中心频率约为100MHz，半峰全宽为数十兆赫兹的布里渊散射谱电信号。布里渊散射谱电信号经混频器与本地振荡源混频，可获得布里渊散射谱的基带信号，再经滤波、模数转换和累加平均处理后，获得整个传感光纤上的布里渊散射信号，送入计算机进行显示。若滤波器的带宽小于布里渊散射谱谱宽，为了获得整个布里渊散射谱，需要多次向光纤中注入探测脉冲光，同时每次改变微波源的输出频率，使本地参考光的频率改变，从而使布里渊散射谱上不同频率成分的信号通过滤波器得到检测。

该方法具有以下两个优点：一是获得的拍频信号中心频率约为100MHz，相对于参考光路不使用电光调制器直接获得11GHz拍频信号的方法，对光电探测器的探测带宽要求降低，可选择有更高探测灵敏度的光电探测器，从而获得更大的动态范围；二是由于参考光频率可调，对光电探测器后的电信号采集只需一个带通滤波器即可，简化了电信号的处理。但是根据相干检测的原理，参考光功率的波动会转移到计算获得的布里渊信号功率上，因此不同频点处的参考光功率的差异直接影响着布里渊散射谱的探测精度。

如前所述，作为本地参考光的光信号是光源激光的正负一级边频光，是由光源激光经过微波电信号调制的电光调制器产生的。实际应用中会出现以下三个方面的不利情况：一是微波源的输出功率受工作环境温度的影响，很难做到在不同环境下每个频点微波信号的功率都等于设定值；二是连接微波源与电光调制器的微波传输线对不同频率的微波信号传输效率不同；三是电光调制器对于不同频率微波信号的功率响应也有差别。这三种因素会导致不同频率的参考光功率往往相差较大。因此，如果不对参考光的光功率进行校准，就无法对不同频率点参考光的光功率与预定光功率的误差进行有效的控制，那么根据相干检测方法获得的布里渊散射谱将是不可靠的，从而导致温度或应变的测量结果出现较大误差。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有布里渊光时域反射仪在自外差相干检测中，电光调制器产生的不同频率的参考光功率相差较大，无法确保应变与温度的精确测量。

本发明的技术方案为：参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪，激光器的出射光经耦合器输出到探测光路和参考光路中，探测光路中连续激光经脉冲调制器、光放大器后注入传感光纤，得到布里渊散射光输入外差光接收机，参考光路中连续激光经过电光调制器产生参考光输入外差光接收机，所述电光调制器由一微波源驱动，连续激光经电光调制器得到其正负一级边频光作为本地参考光，外差光接收机输出布里渊散射光与本地参考光相干后产生的电信号，外差光接收机设有低频和高频两个输出端口，所述高频端口输出信号在10MHz以上，低频端口输出信号在100KHz以下，高频输出端口经滤波器、模/数转换器和数字处理器后输入计算机，低频输出端口经模/数转换器后输入计算机，计算机设有与微波源连接的输出端口。

作为优选方式，电光调制器与外差光接收机的光路连接上设有扰偏器。