本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种偏振正交型双频探测光botda传感装置及方法。
背景技术：
1、布里渊光时域分析技术(brillouin optical time domain analysis,botda)有传感距离长、测量精度高等优点，被广泛应用于大型建筑、智能电网、油气管道等领域。传统botda技术传感速度慢，难以实现动态测量。其测量速度主要由泵浦脉冲的渡越时间、信号的平均次数、探测光扫频数目以及探测光频率切换的时间所决定。为提高botda系统的测量速度，研究者们相继提出多种方案，按照原理可以分为：斜坡辅助botda(slope-assistedbotda,sa-botda)、光学捷变频技术、光学频率梳技术和光学啁啾链技术。
2、romeo bernini等人于2009年首次提出斜坡辅助botda(slope-assisted botda,sa-botda)，该技术通常不需要扫频，其测量时间仅受限于光纤长度和平均次数。通过将泵浦光和探测光的频率差固定在布里渊增益谱半峰处的线性区域内，探测光受到的布里渊增益会随着光纤该位置的布里渊频移发生改变，因此可以通过测量探测光的光强解调布里渊频移(optics letters,2009,vol.34(17):2613-2615)。进一步地，hua zheng等人提出基于相干检测的多斜坡辅助botda，最终将sa-botda的动态范围提升到3600με，在2km的单模光纤上实现了1.5khz的采样率(optics letters,2019,44(5):1245-1248.)。
3、peled y等人于2012年首次提出基于捷变频的动态布里渊技术，采用高性能的awg(频率切换时间在ns量级)对矢量微波源进行iq解调从而对探测光进行扫频，大大减少了频率切换时间。在100m的传感光纤上实现了约10khz采样率，应变精度为5με(opticsexpress,2012,20(8):8584-8591.)。为进一步降低平均次数，hua zheng等人提出基于循环编码和偏振分集技术的长距离f-botda，在2km的单模光纤上实现了不需要平均的动态传感，达到了1.5m的空间分辨率和440hz的采样率(optics express,2018,26(14):18270-18278.)。
4、prabodh chaube等人于2008年首次提出光学频率梳技术，将泵浦光调制成频率梳形式与单一频率的探测光实现受激布里渊散射，通过解调泵浦光的每个频率的信号重构布里渊增益谱(ieee sensors journal,2008,8(7):1067-1072.)。进一步地，jin chao等人将正交偏振泵浦脉冲技术引入基于数字光频梳的免扫频botda，在10km的单模光纤上实现了10khz的采样率，并测量了1khz的振动信号(optics express,2017,25(8):9213-9224.)。
5、周登望等人于2018年提出了基于光学啁啾链(optical chirp chain,occ)的单发botda技术，探测光由光学啁啾脉冲首尾相接组成，与调制成脉冲光的泵浦光发生受激布里渊散射，但其布里渊增益谱的形状不再是洛伦兹型(light,science&applications,2018,7(1):1-11.)。王本章等人在此基础上提出基于模式识别和dpp技术的高性能botda，在100km的光纤上实现了4m的空间分辨率和1.3mhz的传感精度，传感时间为5s(photonicsresearch,2019,7(6):652-658.)。
6、上述方案虽然可以有效提升测量速度，但是也存在以下问题，斜坡辅助技术受限于布里渊增益谱半高处的线性区附近，因此其动态范围较小；捷变频技术需要高性能awg，成本较高并且需要扫频，限制了传感速度的进一步提升；光学频率梳技术空间分辨率受限于探测光的频率间隔，一般在几十米左右；光学啁啾链技术空间分辨率较高，测量速度较快，但其装置复杂且存在增益谱变形的问题，需要一定的解调方法辅助测量。综上所述，需要一种新的光纤传感技术，以解决现有技术中存在的上述问题。
技术实现思路
1、为了提升现有技术中botda系统的测量速度，降低装置的复杂性以及成本，本发明提出了一种偏振正交型双频探测光botda传感装置及方法。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，包括激光器，所述激光器输出的激光信号经第一分束器后分为两束，一束作为探测光，探测光经过双边带调制器调制为双边带探测光后，经保偏光纤调制成两个边带的偏振态正交的双边带探测光，然后进入传感光纤；另一束作为泵浦光经过半导体光放大器调制成脉冲光后经第一光环形器与探测光反向进入传感光纤；
3、传感光纤中的双边带探测光在反向传输的泵浦光的作用下发生受激布里渊放大和衰减后，经第一光环形器输出并被第二分束器分为第一探测光和第二探测光，第一探测光和第二探测光分别经第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅滤除高频边带和低频边带后入射至平衡探测器，所述平衡探测器用于对两路探测信号进行差分转换成布里渊重构谱，并发送至数据采集和分析系统，所述数据采集和分析系统用于根据布里渊重构谱解调出传感光纤沿线的温度/应变信息。
4、所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，还包括微波信号源和任意序列发生器，所述微波信号源用于驱动所述双边带调制器，所述任意序列发生器用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器，双边带调制器的驱动信号的中心频率等于光纤本征布里渊频移。
5、所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，还包括第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器和光隔离器，所述保偏光纤的输出信号经所述第一掺铒光纤放大器进行放大，光隔离器进行光隔离后入射至所述传感光纤的第一端，所述半导体光放大器的输出信号经所述第二掺铒光纤放大器进行放大后入射至所述传感光纤的第二端。
6、所述第一光环行器的第一端口与所述半导体光放大器的输出端连接，第二端口与所述传感光纤的第二端连接，第三端口与所述第二分束器的输入端连接。
7、所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，还包括第二光环行器和第三光环行器，所述第二光环行器的第一端口和所述第二分束器的第一输出端接，第二端口与所述第一光纤布拉格光栅连接，第三端口与所述平衡探测器的第一输入端口连接；所述第三光环行器的第一端口与所述第二分束器第二输出端连接，第二端口与所述第二光纤布拉格光栅连接，第三端口与所述平衡探测器的另一个输入端口连接。
8、所述第一分束器为1×2保偏光纤耦合器，所述第二分束器为1×2光纤耦合器，所述激光器为线宽小于1mhz的窄线宽激光器。
9、所述保偏光纤的快轴与双边带调制器输出端的快轴拼接夹角为45°，且所述保偏光纤的长度为：
10、
11、其中，lpmf表示保偏光纤的长度，lbeat表示保偏光纤的拍频长度，c表示光的传播速度，λ表示探测光的平均波长，δvbfm表示光纤本征布里渊频移。
12、此外，本发明还提供了一种偏振正交型双频探测光botda传感方法，基于所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置实现，包括以下步骤：
13、s1、启动装置；
14、s2、对所述的双边带调制器的驱动信号进行扫频，使偏振态正交的双频探测光和泵浦脉冲光在传感光纤中同时发生受激布里渊放大和衰减作用；
15、s3、通过平衡探测器探测不同偏振状态下双边带探测光的布里渊增益信号和损耗信号，并对其作差得到布里渊重构谱后发送给数据采集和分析系统；
16、s4、利用数据采集和分析系统对得到的布里渊重构谱数据进行处理，解调出传感光纤沿线的温度/应变信息。
17、所述步骤s4中，数据采集和分析系统分别对平衡探测器采集到的布里渊重构谱进行处理，解调出传感光纤沿线的温度/应变信息。
18、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
19、1、传统botda技术为了消除泵浦光和探测光之间的偏振随机噪声，在探测路设置一个扰偏器，扰乱探测光的偏振状态，以减弱探测光和泵浦光之间的偏振相关损害来提高系统的信噪比，但由于扰偏器很难遍历所有的偏振态，在数据接收端需要对数据进行大量平均处理以消除偏振随机噪声，大量的平均处理使得数据采集耗时很长不利于实时测量；与传统botda技术相比，本发明在探测路中双边带调制器的输出端设置一定长度的保偏光纤，通过保偏光纤对探测光进行偏振态调制，使得探测光不同频率的两个边带产生大小为π的相位差，双频探测光实现偏振态正交，与脉冲泵浦光在光纤中同时发生受激布里渊增益和衰减作用产生偏振正交的布里渊信号，最后通过平衡探测器将增益谱与衰减谱做差即得到最终信号，本发明在有效去除光纤中两路光之间偏振随机噪声的同时，极大地减少了平均次数，从而实现实时传感。因此，本发明装置结构简单容易实现，且省去了传统botda装置中的扰偏器，大大降低了该系统的复杂度及成本。
20、2、本发明通过数据处理将采集到的增益谱和衰减谱进行叠加，使得采集到的布里渊信号强度增强为原来的两倍，进一步提高系统的信噪比。
21、3、本发明通过将保偏光纤的快轴与双边带调制器输出端的快轴拼接夹角设置为45°，45°拼接使得双边带调制探测光在保偏光纤的快轴和慢轴受到相同增益，进而使得保偏光纤的长度更容易确定，而且，两边带探测光与泵浦光作用之后的光功率也基本一致，光路最后用平衡探测器接收信号，当两边带的探测光功率基本一致时，平衡探测器抑制共模噪声的效果更好。
22、4、现有技术中，布里渊增益谱和衰减谱同时测量的botda系统中多是利用偏振控制器、法拉第反射镜、偏振开关等器件。本发明利用一定长度的保偏光纤对探测光进行偏振态正交调制，且保偏光纤的快轴与双边带调制器输出端的快轴夹角通过45°拼接，避免了调整光路的过程，使得系统稳定性较好。
23、综上所述，本发明提出一种偏振正交型双频探测光botda传感装置及方法，在不增加泵浦光和探测光注入功率的情况下，可以有效提高系统的信噪比，降低系统测量时间，装置简单易实现，进而实现高性能的快速分布式温度/应变传感。
1.一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，包括激光器(1)，所述激光器(1)输出的激光信号经第一分束器(2)后分为两束，一束作为探测光，探测光经过双边带调制器(3)调制为双边带探测光后，经保偏光纤(5)调制成两个边带的偏振态正交的双边带探测光，然后进入传感光纤(8)；另一束作为泵浦光经过半导体光放大器(9)调制成脉冲光后经第一光环形器(12)与探测光反向进入传感光纤(8)；
2.根据权利要求1所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，还包括微波信号源(4)和任意序列发生器(10)，所述微波信号源(4)用于驱动所述双边带调制器(3)，所述任意序列发生器(10)用于输出脉冲信号驱动所述半导体光放大器(9)，双边带调制器(3)的驱动信号的中心频率等于光纤本征布里渊频移。
3.根据权利要求1所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，还包括第一掺铒光纤放大器(6)、第二掺铒光纤放大器(11)和光隔离器(7)，所述保偏光纤(5)的输出信号经所述第一掺铒光纤放大器(6)进行放大，光隔离器(7)进行光隔离后入射至所述传感光纤(8)的第一端，所述半导体光放大器(9)的输出信号经所述第二掺铒光纤放大器(11)进行放大后入射至所述传感光纤(8)的第二端。
4.根据权利要求1所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，所述第一光环行器(12)的第一端口与所述半导体光放大器(9)的输出端连接，第二端口与所述传感光纤(8)的第二端连接，第三端口与所述第二分束器(13)的输入端连接。
5.根据权利要求3所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，还包括第二光环行器(14)和第三光环行器(16)，所述第二光环行器(14)的第一端口和所述第二分束器(13)的第一输出端接，第二端口与所述第一光纤布拉格光栅(15)连接，第三端口与所述平衡探测器(18)的第一输入端口连接；所述第三光环行器(16)的第一端口与所述第二分束器(13)第二输出端连接，第二端口与所述第二光纤布拉格光栅(17)连接，第三端口与所述平衡探测器(18)的另一个输入端口连接。
6.根据权利要求4所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，所述第一分束器(2)为1×2保偏光纤耦合器，所述第二分束器(13)为1×2光纤耦合器，所述激光器(1)为线宽小于1mhz的窄线宽激光器。
7.根据权利要求1所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，所述保偏光纤(5)的快轴与双边带调制器(3)输出端的快轴拼接夹角为45°。
8.根据权利要求1所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置，其特征在于，所述保偏光纤(5)的长度为：
9.一种偏振正交型双频探测光botda传感方法，其特征在于，基于权利要求1～8任一项所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感装置实现，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种偏振正交型双频探测光botda传感方法，其特征在于，所述步骤s4中，数据采集和分析系统(19)分别对平衡探测器(18)采集到的布里渊重构谱进行处理，解调出传感光纤(8)沿线的温度/应变信息。
