基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法

1.本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体是一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法。


背景技术：

2.分布式光纤传感器具有体积小而轻、灵敏度高、抗电磁干扰强、传感传输集于一身等优势，在大型结构健康监控、油气管道运输安全、地质灾害检测和医疗检测等领域有着广泛的应用。基于布里渊(brillouin)散射的分布式光纤传感技术不仅能够实现对温度、应变、振动多个外界参量的同时测量，而且测量精度高、传感距离长，受到众多研究者的青睐。
3.传统的布里渊传感装置存在长传感距离、高分辨率、高精度三者不可兼得的问题。对于光时域方案(botda)，通过脉冲飞行时间定位，仅扫描一次就可测定整个光纤的受激布里渊增益；理论上空间分辨率为脉冲宽度的一半，随着空间分辨率的提高，展宽的布里渊增益谱(bgs)将严重影响系统的测量精度；随着传感距离的增加，泵浦脉冲光在传播过程中由于脉冲畸变引起的自相位调制等非线性效应使脉冲频谱与bgs展宽，宽线宽的增益谱对应的频率精度较低。目前已经在布里渊光时域分析系统中实现了150km的温度或应变传感；然而由于声子寿命的限制，理论上布里渊光时域方案的空间分辨率难以突破1m。对于光相关域方案(bocda)，利用窄带相关峰可实现毫米量级的高空间分辨率传感，理论上空间分辨率为自相关曲线宽度的一半，随着相关峰变窄，泵浦光与探测光的拍频谱展宽导致增益谱的展宽，短相关峰内的微弱布里渊增益极易被噪声淹没；随着传感距离的增加，非相关位置处弱受激布里渊放大逐渐积累，严重限制了系统的性能；然而为了避免不同相关峰之间的增益串扰，原理上系统传感距离被限制在相邻相关峰的间隔内，同时调制器件的带宽限制也阻碍了空间分辨率的进一步提升。
4.基于混沌激光、放大自发辐射(ase)等本征低相干、类噪声的宽带激光作为光源，待测光纤中只存在一个相关峰可解决传感距离与空间分辨率的矛盾，且不需要对激光进行高速率的外部调制，可消除对射频信号和调制带宽的限制，更容易实现毫米级空间分辨率。然而，ase光源的功率谱密度很低，导致系统信噪比差、传感距离仅有数十厘米。基于宽带混沌激光的布里渊光相关域测量技术中(中国发明专利zl201310045097.3，基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法)，混沌激光功率时序呈现大幅度、无规则振荡，峰峰值约为普通单频激光的7倍左右，在光功率解调布里渊增益谱时会引入大量的强度噪声，导致微弱受激布里渊增益几乎被噪声淹没，系统信噪比严重受限。
5.分布式布里渊光纤传感装置的性能由传感距离、空间分辨率、布里渊频移不确定度三者决定，最终取决于测量的信噪比。因此，需要对现有技术中的布里渊光传感装置进行改进以提高系统信噪比，进而实现长距离、高空间分辨率、高测量精度兼顾的分布式光纤传感。


技术实现要素：

6.为解决现有技术长传感距离、高空间分辨率、高精度难以兼顾的问题，本发明通过提高布里渊传感系统的信噪比，提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，包括：宽带混沌激光源、可调衰减器、偏振控制器、第一环行器、半导体激光器、分光器、光延迟发生器、光隔离器、传感光纤、单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器、光滤波器、光电探测器、锁相放大器、计算机；
8.所述宽带混沌激光源输出的宽带混沌激光依次经可调衰减器、偏振控制器、第一环行器后注入半导体激光器使其输出宽带混沌激光，所述半导体激光器的输出的宽带混沌激光经第一环形器后，再经分光器分为两束，其中一束作为探测光依次经光延迟发生器、光隔离器后进入传感光纤的一端，另一束作为泵浦光经依次单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器后进入传感光纤另一端使探测光发生布里渊散射；
9.所述光延迟发生器用于调节探测光的光程，光隔离器用于隔离从传感光纤输出的泵浦光；所述单边带调制器用于对所述泵浦光进行单边带调制使泵浦光的频率上移vb并扫频，半导体光放大器用于将泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间的脉冲光，低噪声放大器用于对单边带的泵浦光进行放大；
10.从传感光纤另一端输出的探测光依次经第二环行器、光滤波器后被光电探测器探测并转化为电信号后发送至锁相放大器，锁相放大器对信号进行锁相放大后发送至计算机进行数据处理得到布里渊增益谱。
11.所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，还包括宽带微波信号源和脉冲信号发生器，所述宽带微波信号源用于输出宽带微波信号驱动所述单边带调制器，所述脉冲信号发生器用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器。
12.所述宽带微波信号源和脉冲信号发生器与所述锁相放大器连接，分别用于向锁相放大器同步输入宽带微波信号和脉冲信号。
13.泵浦光的上移频率vb约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽δvb。
14.所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，还包括光扰偏器，光扰偏器设置在延迟发生器与光隔离器之间，用于对探测光的偏振态进行随机扰动。
15.所述分光器为光纤耦合器，所述宽带混沌激光源、可调衰减器、偏振控制器、第一环行器、半导体激光器、分光器、光延迟发生器、光隔离器、传感光纤、单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器、光滤波器、光电探测器之间通过单模光纤跳线连接。
16.传感光纤采用g652单模光纤或g655单模光纤，所述半导体光放大器为oam-soa-pl型高消光比半导体光放大器，低噪声放大器包括依次连接的第一级光放大器、滤波器和第二级光放大器，所述光延迟发生器为可编程光延迟发生器，所述光滤波器为可调谐光滤波器。
17.此外，本发明还提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感方法，根据所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置实现，包括以下步骤：
18.s1、通过可调衰减器、偏振控制器调节注入光的功率与偏振状态使半导体激光器输出低噪声宽带混沌激光；
19.s2、通过单边带调制器调节泵浦光的频率上移频率和扫频带宽；
20.s3、通过锁相放大器对光电探测器的探测信号进行相关放大，得到布里渊增益谱；
21.s4、通过光延迟发生器调节探测光的光程，使泵浦光和探测光在传感光纤沿线的各个位置处相遇进而发生受激布里渊放大作用，获取传感光纤沿线的布里渊增益谱；
22.s5、利用传感光纤沿线的布里渊增益谱计算整个传感光纤沿线的动温度、应变信息。
23.所述步骤s2中，泵浦光的上移频率vb约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽δvb。
24.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
25.1、本发明提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法，通过注入锁定这一方法用一束弱的宽带强度型混沌激光控制一个强激光器输出光的光谱特性、模式相位特性及空间特性，即通过改变宽带混沌激光与半导体激光器的频率失谐量，调节宽带混沌的注入光功率以及偏振状态使半导体激光器输出低噪声宽光谱的混沌光，输出光功率保持半导体激光器自身特性，既保持了混沌光的宽光谱特性，又抑制了宽带型混沌光源输出混沌光自身功率波动，从而输出宽光谱、低相干性且峰峰值振荡极小的低噪声宽带混沌激光。
26.2、本发明提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法，对泵浦光进行单边带调制，通过对泵浦光施加脉冲持续时间小于反馈延迟时间τ的脉冲调制，将边带调制带来的噪声限制在脉冲持续时间内并有效抑制光纤沿线非零噪声基底对系统信噪比的恶化。通过低噪声放大器提高泵浦光的有效功率并减小放大过程中产生的自发散射噪声；这样泵浦光到探测光的低强度噪声传递对测量的影响忽略不计，可实现长距离传感；同时，探测光路实验装置较少，极大程度降低实验装置复杂度，充分提高系统的信噪比。放大后的探测光进入光电探测器转换为电信号。bocda系统由于空间分辨率高，布里渊作用的距离短，信号非常弱，电信号通过锁相放大器进行相关放大，去除噪声干扰，提高了测量的效率。
27.3、相较于宽带强度型混沌激光的布里渊传感技术，宽带强度型混沌激光的时序呈大幅度、无规则振荡，在光功率解调布里渊增益谱时会引入大量的强度噪声，导致微弱受激布里渊增益几乎被噪声淹没，系统信噪比严重受限。本发明基于注入锁定混沌激光的布里渊分布式光纤传感方法，在保持混沌激光的宽光谱特性时，通过调节主从激光器的失谐频率，改变注入光功率、偏振状态等方式改善宽带混沌激光的特性，将混沌激光时序的峰峰值振荡抑制到原宽带强度型混沌激光峰峰值的1/6，避免了传统系统中的功率波动，降低由宽带混沌激光源引入的强度噪声，理论上可将系统的信噪比提升至原来的7.7db，进一步拓宽了有效传感距离。
28.4、相较于传统的基于正弦调制与相位编码的布里渊光相关域测量技术，本发明所述的基于注入锁定混沌激光的布里渊光相关域分布式光纤传感装置具有以下优点：(1)该光源具有类噪声特性，传感光纤中仅存在一个相关峰避免了相邻相关峰的串扰，并通过脉冲调制与低噪声放大器抑制光纤沿线非零噪声基底对系统信噪比的影响，可实现较长传感距离；(2)该光源具有宽光谱、低相干性特征，从根源上降低激光的强度噪声，使短相关峰内的微弱布里渊增益不易被噪声淹没，系统空间分辨率由相关峰的半高全宽确定，可达毫米
量级；(3)传统布里渊传感技术中光源的不完全调制导致非峰值布里渊相互作用会引入额外的噪声，且噪声会随光纤长度的增加累积，从而使得系统的传感性能恶化。而本光源不受调制信号的带宽限制，且省去了昂贵的微波信号源，结构简单，成本低廉；(4)通过调节可编程光延迟发生器改变探测光与泵浦光的光程差以实现相关峰的位置扫描，不会改变光源的线宽，也不会因改变光源调制频率而导致输出光源振幅和频率的相位延迟，引起系统误差，降低测量精度。因此在分布式测量过程中系统无位置扫描误差，能够实现传感点的精准定位。
附图说明
29.图1为本发明实施例一提供的一种注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置的结构示意图；
30.图2为本发明实施例中低噪声放大器的结构示意图；
31.图3为宽带混沌激光源与注入锁定的半导体激光器输出的混沌光的光谱图；
32.图4为宽带混沌激光源与注入锁定的半导体激光器输出的混沌光的时序图；
33.图5为本发明实施例中，宽带混沌激光和注入锁定混沌激光分别作为信号源时，得到的布里渊增益谱；图6为本发明实施例二提供的一种注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置的结构示意图；
34.图中：1-宽带混沌激光源、2-可调衰减器、3-偏振控制器、4-第一环行器、5-半导体激光器、6-分光器、7-光延迟发生器、8-光扰偏器、9-光隔离器、10-传感光纤、11-单边带调制器、12-宽带微波信号源、13-半导体光放大器、14-脉冲信号发生器、15-低噪声放大器、16-第二环行器、17-光滤波器、18-光电探测器、19-锁相放大器、20-计算机。
具体实施方式
35.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做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。
36.实施例一
37.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，包括：宽带混沌激光源1、可调衰减器2、偏振控制器3、第一环行器4、半导体激光器5、分光器6、光延迟发生器7、光隔离器9、传感光纤10、单边带调制器11、半导体光放大器13、低噪声放大器15、第二环行器16、光滤波器17、光电探测器18、锁相放大器19、计算机20。
38.所述宽带混沌激光源1输出的宽带混沌激光依次经可调衰减器2、偏振控制器3、第一环行器4后注入半导体激光器5使其输出宽带混沌激光，所述半导体激光器5的输出的宽带混沌激光经第一环形器4后，再经分光器6分为两束，其中一束作为探测光依次经光延迟发生器7、光隔离器9后进入传感光纤10的一端，另一束作为泵浦光经依次单边带调制器11、半导体光放大器13、低噪声放大器15、第二环行器16后进入传感光纤10另一端。
39.所述光延迟发生器7用于调节探测光的光程，光隔离器9用于隔离从传感光纤10输
出的泵浦光；所述单边带调制器11用于对所述泵浦光进行单边带调制使泵浦光的频率上移并扫频，半导体光放大器13用于将泵浦光调制成脉冲宽度小于半导体激光器5输出的宽带混沌激光的反馈延迟时间的脉冲光，低噪声放大器15用于对单边带的泵浦光进行放大。其中，半导体激光器5输出的宽带混沌激光的反馈延迟时间即为半导体激光器5输出的宽带混沌激光的外腔时延。
40.从传感光纤10另一端输出的探测光经第二环行器16、光滤波器17后被光电探测器18探测并转化为电信号后发送至锁相放大器19，锁相放大器19对信号进行锁相放大后发送至计算机20进行数据处理得到布里渊增益谱。
41.具体地，本实施例中，泵浦光的上移频率vb约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽δvb。假设半导体激光器5发出的宽带混沌激光的频率为v0，则单边带调制器对泵浦光进行调制后，产生频率上移的泵浦光的频率为v0+vb，普通单模光纤来说，布里渊频移量的值约为10.8ghz，则vb的取值为10.6～11ghz，扫频带宽为200～400mhz。具体地，本实施例中，所述分光器6为1
×
2光纤耦合器，所述宽带混沌激光源1、可调衰减器2、偏振控制器3、第一环行器4、半导体激光器5、分光器6、光延迟发生器7、光隔离器9、传感光纤10、单边带调制器11、半导体光放大器13、低噪声放大器15、第二环行器16、光滤波器17、光电探测器18之间通过单模光纤跳线连接。具体地，宽带混沌激光源1通过单模光纤跳线依次连接可调衰减器2、偏振控制器3和第一环行器4的第一端口，第一环行器4的第二端口通过单模光纤跳线与半导体激光器5的光输出端连接，第一环行器4的第二端口通过单模光纤跳线与1
×
2光纤耦合器的输入端连接；1
×
2光纤耦合器6的第一个输出端通过单模光纤跳线与光延迟发生器7的输入端连接，可编程光延迟发生器7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的一端连接；1
×
2光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与单边带调制器11的输入端连接，单边带调制器11的输出端通过单模光纤跳线与半导体光放大器13的输入端连接，半导体光放大器13的输出端通过单模光纤跳线与低噪声光放大器15的输入端连接；低噪声光放大器15的输出端通过单模光纤跳线与第二光环行器16的第一端口端连接；第二光环行器16的第二端口与传感光纤10的另一端连接，第三端口通过单模光纤跳线与光滤波器17的输入端连接；光滤波器的输出端通过单模光纤跳线与光电探测器18的输入端连接。光电探测器18的输出端通过高频同轴电缆输入到锁相放大器19中，最后通过计算机20处理得到增益谱。
42.具体地，本实施例中，传感光纤10采用g652单模光纤或g655单模光纤，所述半导体光放大器13为oam-soa-pl型高消光比半导体光放大器，所述光延迟发生器7为可编程光延迟发生器，通过光延迟发生器7可以调节探测光的光程以控制相关峰的位置，进而实现整个待测光纤的分布式测量；所述光滤波器17为可调谐光滤波器，例如xtm-50宽带波长可调型滤波器；通过光滤波器可以滤除传感光纤另一端输出的探测光中的杂散光。单边带调制器11具体可以为马赫曾德尔调制器。
43.具体地，如图2所示，本实施例中，低噪声放大器15包括依次连接的第一级光放大器edfa1、滤波器和第二级光放大器edfa2，低噪声放大器15为双级放大模块，第一级光放大器对泵浦光进行预放大，将较低功率的泵浦光放大，后接滤波器去除部分自发辐射噪声，该滤波器的输出与第二级光放大器相连接，第二级光放大器对泵浦光的功率进行再一次放大，通过低噪声放大器提高泵浦光的有效功率。
44.由于bocda系统的空间分辨率高，布里渊作用的距离短，信号非常弱，本实施例中，将光电探测器18得到的电信号通过锁相放大器19进行相关放大，去除噪声干扰，提高系统信噪比。
45.本发明实施例的工作原理如下：
46.1、宽带混沌激光源1为输出中心波长为1550nm、中心频率为v0、-3db光谱线宽约10ghz的带宽增强混沌激光，其理论空间分辨率为毫米量级，功率时序呈现大幅度、无规则振荡，波动峰峰值约为普通单频激光的7倍左右。宽带混沌激光源1、可调衰减器2、偏振控制器3、第一环行器4、半导体激光器5共同组成注入系统。弛豫振荡是半导体激光器的固有特性，当半导体激光器5的偏置电流较小时，激光器的频响曲线中存在弛豫振荡峰。随着偏置电流的增加，激光器谐振腔内的光子数增多，从而弛豫振荡频率向高频方向移动，同时光子数密度增大也就意味着腔内弛豫振荡的反馈加快，使得弛豫振荡峰值减小。当增大半导体激光器5的功率时，随着偏置电流的增大，半导体激光器5输出光的功率和波长也在逐渐增大，弛豫振荡频率逐渐增大，峰值逐渐减小，频率响应曲线逐渐变平坦。光注入锁定是可以用一束弱的激光束控制一个强激光器输出光的光谱特性、模式相位特性及空间特性，即通过调节宽带混沌光的注入光功率、频率失谐量以及偏振状态使半导体激光器输出宽光谱的混沌光，输出光功率保持该半导体激光器自身特性，既保持了混沌光的宽光谱特性，又抑制了宽带型混沌光源输出混沌光自身功率波动，从而输出低噪声宽带型混沌激光。宽带混沌激光源1与注入锁定的半导体激光器5输出的混沌光的光谱图如图3所示，时序图如图4所示，图4中(a)对应宽带混沌激光源1输出的混沌激光，(b)对应的半导体激光器5输出的混沌光，从图中可以观察到，注入锁定后的半导体激光器5输出的混沌光仍保持6.5ghz的宽光谱，但频谱趋于平坦且时序振荡峰峰值从27.57mv减小到3.97mv。
47.2、半导体激光器5输出的宽带混沌光由10:90的1
×
2光纤耦合器分为两路，一路作为探测光(90％)，另一路作为泵浦光(10％)。探测光进入光延迟发生器7，通过调节光延迟发生器7的距离改变传感光纤中相关峰的位置，进而实现整个光纤的分布式扫描。单边带调制器11对泵浦光(10％)进行调制，产生频率上移的泵浦光，频率为v0+vb，其中vb为频率上移的频移量，其等于布里渊频移量(普通单模光纤的布里渊频移值约为10.8ghz)。通过半导体光放大器13对泵浦光施加脉冲持续时间小于反馈延迟时间的脉冲调制，可将边带调制带来的噪声限制在脉冲持续时间内并有效抑制光纤沿线非零噪声基底对系统信噪比的恶化；泵浦脉冲光入射到低噪声光放大器15中，补偿单边带调制造成的光功率损耗。
48.3、频率失谐的混沌泵浦光和和探测光从光纤两端相向入射并在光纤中相遇，当其频率失谐量满足sbs相位匹配条件时，光纤中的相干拍频位置会激发稳定的sbs声波场，其位置和强度均服从混沌激光自相关函数曲线。因此，由于混沌激光的类δ函数特征，易得混沌bocda系统的sbs声波场被限制在自相关函数的中心峰内，称之为相关峰，相关峰的半高全宽决定了被激励声波场的空间范围，即空间分辨率。混沌激光的宽带、自相关特性保证了任意长光纤内存在唯一、窄带的相关峰，原理上解决了传感距离和空间分辨率无法兼顾的矛盾。
49.4、由于光源振幅的波动，输出泵浦光与探测光|as(z＝0,t)|2的功率本质上是随机的，与受激布里渊散射无关，而超短分辨点上探测光的相对功率增益非常弱。这种噪声机制对测量信噪比有根本的限制，不能通过简单地提高平均信号功率来克服。信号功率增益
测量的信噪比snr可以估计为：
[0050][0051]
g0是单模光纤中的sbs增益系数，vg是光纤中光传播的群速度，|a
p0
|2是泵浦光的平均功率，δτ是混沌激光中心峰的半高全宽，即系统的理论空间分辨率，t
pd
是探测器积分时间，τc为滤出探测光的相干时间。相比之下，在注入锁定混沌光的布里渊光相关域分布式测量中，信号波的功率可以被视为确定性的，降低了由宽带混沌激光源引入的强度噪声。
[0052]
与宽带型混沌激光相比，注入锁定混沌激光的功率波动小，强度振荡峰峰值很低，混沌激光的本征强度噪声大幅下降，系统信噪比被提升。如图5所示，以宽带混沌激光为信号源，其布里渊增益谱噪声峰值达0.378，系统信噪比约4.23db；以相同带宽注入锁定混沌激光为信号源，其布里渊增益谱噪声峰值达0.087，系统信噪比可达10.65db，提升了6.42db，且噪声基底波动很微弱，进一步拓宽了有效传感距离。此外，宽带型混沌激光激发的受激布里渊散射增益谱被进一步展宽，且伴随有强烈的噪声；注入锁定混沌激光可激发产生较窄且强烈的受激布里渊散射增益谱。故本发明所使用的注入锁定混沌激光可抑制强度噪声，提高系统信噪比，获得信号强度较大的布里渊增益谱，拓宽有效传感距离。
[0053]
5、采用xtm-50宽带波长可调型滤波器对探测光进行滤波，滤出所需要的斯托克斯光，滤出的光信号由光电探测器转化为电信号并通过高频同轴电缆输入到锁相放大器19中，然后通过计算机20计算得到增益谱进而得到温度、压力传感信息。
[0054]
实施例二
[0055]
如图6所示，本发明实施例二提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，与实施例相同的是，其包括宽带混沌激光源1、可调衰减器2、偏振控制器3、第一环行器4、半导体激光器5、分光器6、光延迟发生器7、光隔离器9、传感光纤10、单边带调制器11、半导体光放大器13、低噪声放大器15、第二环行器16、光滤波器17、光电探测器18、锁相放大器19、计算机20。
[0056]
与实施例一不同的，本实施例中，还包括宽带微波信号源12和脉冲信号发生器14，所述宽带微波信号源12用于输出宽带微波信号驱动所述单边带调制器11，所述脉冲信号发生器14用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器13。
[0057]
进一步地，本实施例中，所述宽带微波信号源12和脉冲信号发生器14与所述锁相放大器连接，分别用于向锁相放大器同步输入宽带微波触发信号和脉冲参考信号。
[0058]
锁相放大器19为可以从较强的噪声环境中分离出特定载波频率信号的放大器，它可以测量微弱的连续周期性信号。例如，脉冲信号发生器14输入的脉冲参考信号表示为vssin(wrt+θs)，其中vs为信号强度，wr为信号频率，θs为相位。同时，锁相放大器根据光电探测器18输入的信号，产生一个内部本振信号v
loc sin(w
l
t+θ
loc
)。v
loc
为信号强度，w
l
为信号频率，θ
loc
为相位，锁相放大器19中的乘法器将这两个信号相乘，可得到两个频率分别为(wr+w
l
)和(w
r-w
l
)的交流信号：
[0059]
[0060]
此信号经过锁相放大器19中的低通滤波器后，只有与参考信号频率接近的信号被保留。即锁相放大器19的输出v
output
为：
[0061][0062]
锁相放大器19测得的信号实际是与参考信号同频同相的受激布里渊增益与其他噪声的累积，将脉冲信号发生器14的频率作参考信号来在待测信号中提取参考信号同频同相的受激布里渊增益，这样可大大降低噪声的影响。锁相放大器的检测灵敏度非常高，可高度抑制噪声，能够改善接收的信噪比。
[0063]
其中，宽带微波信号源12的扫频输出信号作为锁相放大器19的触发信号，以此实现扫频和信号采集的同步。
[0064]
进一步地，本实施例中的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，还包括光扰偏器8，光扰偏器8设置在光延迟发生器7与光隔离器9之间，用于对探测光的偏振态进行随机扰动，避免布里渊增益偏振敏感的影响。
[0065]
实施例三
[0066]
本发明实施例三提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感方法，基于实施例以或二所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置实现，包括以下步骤：
[0067]
s1、通过可调衰减器2、偏振控制器3调节注入光的功率与偏振状态使半导体激光器5输出低噪声宽带混沌激光；
[0068]
s2、通过单边带调制器11调节泵浦光的频率上移频率和扫频带宽；
[0069]
s3、通过锁相放大器19对光电探测器18的探测信号进行相关放大，得到布里渊增益谱；
[0070]
s4、通过光延迟发生器7调节探测光的光程，使泵浦光和探测光在传感光纤10沿线的各个位置处相遇进而发生受激布里渊放大作用，获取传感光纤10沿线的布里渊增益谱；
[0071]
s5、利用传感光纤10沿线的布里渊增益谱计算整个传感光纤沿线的动温度、应变信息。
[0072]
所述步骤s2中，泵浦光的频移频率vb约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽δvb。
[0073]
综上所述，本发明提供了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置和方法，使用注入锁定混沌激光激发窄带相关峰，抑制了宽带混沌激光源引入的强度噪声，提高了测量信噪比。单边带调制与脉冲调制位于泵浦路中，不仅抑制时延带来的噪声，并且将单边带调制带来的强度噪声限制在脉冲持续时间内；这样，从泵浦光到探测波的低强度噪声传递对测量的影响可以忽略不计。为了优化信噪比，通过低噪声放大器去除部分自发辐射噪声，提高泵浦光的有效功率；此外，经受激布里渊散射后的探测光通过锁相放大器进行相关放大，去除噪声干扰，充分提高系统信噪比。同时，本发明的空间分辨率仅决定于注入锁定混沌激光的带宽，并不会随定位距离而改变，可实现全光纤等精度、无盲区的传感测量，最终实现长距离与高空间分辨率兼顾的分布式温度、应变传感。
[0074]
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。

技术特征：
1.一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，包括：宽带混沌激光源(1)、可调衰减器(2)、偏振控制器(3)、第一环行器(4)、半导体激光器(5)、分光器(6)、光延迟发生器(7)、光隔离器(9)、传感光纤(10)、单边带调制器(11)、半导体光放大器(13)、低噪声放大器(15)、第二环行器(16)、光滤波器(17)、光电探测器(18)、锁相放大器(19)、计算机(20)；所述宽带混沌激光源(1)输出的宽带混沌激光依次经可调衰减器(2)、偏振控制器(3)、第一环行器(4)后注入半导体激光器(5)使其输出宽带混沌激光，所述半导体激光器(5)的输出的宽带混沌激光经第一环形器(4)后，再经分光器(6)分为两束，其中一束作为探测光依次经光延迟发生器(7)、光隔离器(9)后进入传感光纤(10)的一端，另一束作为泵浦光经依次单边带调制器(11)、半导体光放大器(13)、低噪声放大器(15)、第二环行器(16)后进入传感光纤(10)另一端使探测光发生布里渊散射；所述光延迟发生器(7)用于调节探测光的光程，光隔离器(9)用于隔离从传感光纤(10)输出的泵浦光；所述单边带调制器(11)用于对所述泵浦光进行单边带调制使泵浦光的频率上移v
b
并扫频，半导体光放大器(13)用于将泵浦光调制成脉冲宽度小于反馈延迟时间的脉冲光，低噪声放大器(15)用于对单边带的泵浦光进行放大；从传感光纤(10)另一端输出的探测光依次经第二环行器(16)、光滤波器(17)后被光电探测器(18)探测并转化为电信号后发送至锁相放大器(19)，锁相放大器(19)对信号进行锁相放大后发送至计算机(20)进行数据处理得到布里渊增益谱。2.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，还包括宽带微波信号源(12)和脉冲信号发生器(14)，所述宽带微波信号源(12)用于输出宽带微波信号驱动所述单边带调制器(11)，所述脉冲信号发生器(14)用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器(13)。3.根据权利要求2所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，所述宽带微波信号源(12)和脉冲信号发生器(14)与所述锁相放大器连接，分别用于向锁相放大器同步输入宽带微波信号和脉冲信号。4.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，泵浦光的上移频率v
b
约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽δv
b
。5.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，还包括光扰偏器(8)，光扰偏器(8)设置在延迟发生器(7)与光隔离器(9)之间，用于对探测光的偏振态进行随机扰动。6.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，所述分光器(6)为光纤耦合器，所述宽带混沌激光源(1)、可调衰减器(2)、偏振控制器(3)、第一环行器(4)、半导体激光器(5)、分光器(6)、光延迟发生器(7)、光隔离器(9)、传感光纤(10)、单边带调制器(11)、半导体光放大器(13)、低噪声放大器(15)、第二环行器(16)、光滤波器(17)、光电探测器(18)之间通过单模光纤跳线连接。7.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置，其特征在于，传感光纤(10)采用g652单模光纤或g655单模光纤，所述半导体光放大器(13)为oam-soa-pl型高消光比半导体光放大器，低噪声放大器(15)包括依次连接的第一级光放大器、滤波器和第二级光放大器，所述光延迟发生器(7)为可编程光延迟发生器，所述光滤波
器(17)为可调谐光滤波器。8.一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感方法，根据权利要求1所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置实现，其特征在于，包括以下步骤：s1、通过可调衰减器(2)、偏振控制器(3)调节注入光的功率与偏振状态使半导体激光器(5)输出低噪声宽带混沌激光；s2、通过单边带调制器(11)调节泵浦光的频率上移频率和扫频带宽；s3、通过锁相放大器(19)对光电探测器(18)的探测信号进行相关放大，得到布里渊增益谱；s4、通过光延迟发生器(7)调节探测光的光程，使泵浦光和探测光在传感光纤(10)沿线的各个位置处相遇进而发生受激布里渊放大作用，获取传感光纤(10)沿线的布里渊增益谱；s5、利用传感光纤(10)沿线的布里渊增益谱计算整个传感光纤沿线的动温度、应变信息。9.根据权利要求所述的一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感方法，其特征在于，所述步骤s2中，泵浦光的上移频率v
b
约等于布里渊频移，扫频带宽大于布里渊谱线的带宽δv
b
。

技术总结
本发明属于分布式光纤传感技术领域，公开了一种基于注入锁定混沌激光的低噪声布里渊传感装置及方法，装置包括宽带混沌激光源、可调衰减器、偏振控制器、第一环行器、半导体激光器、分光器、光延迟发生器、光隔离器、传感光纤、单边带调制器、半导体光放大器、低噪声放大器、第二环行器、光滤波器、光电探测器、锁相放大器、计算机；本发明利用注入锁定混沌激光激发窄带相关峰，抑制了宽带混沌激光源引入的强度噪声，提高了测量信噪比，可实现长距离、高空间分辨率、高测量精度兼顾的分布式温度、应变监测。测。测。


技术研发人员：张明江 牛林洮 王亚辉 刘慧 陈靖 乔丽君
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/9/13