[发明专利]基于瑞利散射的单端混沌布里渊动态应变测量装置及方法

说明书

本发明公开一种基于瑞利散射的单端混沌布里渊动态应变测量装置及方法，旨在满足当前对分布式传感长距离、高分辨率、大动态范围、实时快速的应用需求，同时解决布里渊光相干域分析系统中泵浦光与探测光需要双端入射，导致系统出现断点就无法工作的问题。光源输出的连续光经耦合器分为两路，一路作为泵浦光，另一路由高速电光调制器进行双边带调制，其后向瑞利散射光作为探测光与泵浦光发生受激布里渊散射，通过高速数据采集系统采集到的强度信息与应变的对应关系解调出相应的动态应变值。本发明结构简单，成本低、能有效减小信号功率波动，实现单端、高空间分辨率、长距离、稳定性好的动态应变测量。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于瑞利散射的单端混沌布里渊动态应变测量装置及方法。

背景技术

军事国防、大型工矿、民用安防等多个领域重要基础设施的结构健康监测，是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展必不可少的环节。当今社会，以人工智能监测网络为核心的“智慧城市”已经成为时代发展的潮流，为满足现代监测网络对动态变化参量实时监测的需求，分布式光纤传感领域针对应变监测实时性的研究已经成为热点。

瑞利散射作为光纤中散射强度最强的信号，其最早应用于传感领域是在光时域反射（OTDR）技术中。通过测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率可获取光纤沿线传输损耗信息，但该技术只能实现光纤故障点诊断和定位。为实现动态应变的监测，Lu等人在OTRD的基础上发展出一种相位敏感OTDR技术，利用背向瑞利信号的相位变化进行动态应变信号测量（Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(22): 3243），信号光从光纤一端入射，结构简单应用方便，但是该技术采用相干检测解调应变信息，系统受外界扰动大，而且大多数相位敏感OTDR技术只能实现定性测量，无法确定应变大小，为解决此问题，基于布里渊散射的动态应变测量技术发展起来。

英国南安普顿大学Masoudi Ali等提出了一种布里渊光时域反射（BOTDR）动态应变传感器，通过使用Mach-Zhender干涉仪将应变诱发的布里渊频移转换为光强的变化（Optics Letters, 2013, 38(17): 3312），东京工业大学Yosuke Mizuno等使用相关域技术开发了一种单端布里渊光相干域反射计（BOCDR），采用连续光作为信号光，使用压控振荡器以高速获得布里渊增益谱（Light: Science Applications, 2016, 5(12): e16184）。上述两种均属于反射技术，信号光从待测光纤一端入射，结构简单，但是由于主要利用光纤中的自发布里渊散射实现光纤沿线动态应变的测量，系统的传感距离小，为增加传感距离，研究者们提出了基于受激布里渊散射的分析技术。以色列特拉维夫大学Yair Peled等人提出斜率辅助式布里渊光时域分析（BOTDA）技术（Optics Express , 2013 , 21(9):10697-10705），系统将脉冲信号作为泵浦光实现光纤沿线的定位传感，斜率辅助式动态应变测量装置受信号功率波动影响较大，且受限于声子寿命，系统的空间分辨率低。为提高空间分辨率，上海交通大学何祖源等提出一种超高速布里渊光学相关域分析（BOCDA）系统（OpticsExpress, 2018, 26(6): 6916），系统空间分辨率提高，但是对激光的正弦调制使得传感距离受限于周期性相关峰之间的距离，系统传感距离与空间分辨率存在矛盾。另外，在分析系统中，泵浦光和探测光分别从光纤两端注入，装置结构复杂，当待测光纤中出现断点时测量便无法完成。

因此需要发明一种新的单端动态应变测量技术，结合瑞利散射和布里渊散射在动态应变测量上的优势，实现单端，高空间分辨率，长距离，稳定性好的动态应变测量。

发明内容

本发明是为了解决现有动态应变测量技术无法同时兼顾单端结构、长距离、高空间分辨率的问题，提供一种基于瑞利散射的单端混沌布里渊动态应变测量装置及方法，旨在满足当前对分布式传感长距离、高分辨率、大动态范围、实时快速的应用需求，同时解决布里渊光相干域分析系统中泵浦光与探测光需要双端入射，导致系统出现断点就无法工作的问题。