CN101629852A

CN101629852A - 布里渊光纤传感中温度和应力后向影响效应的消除方法

Info

Publication number: CN101629852A
Application number: CN200910115992A
Authority: CN
Inventors: 万生鹏
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2010-01-20

Abstract

一种布里渊光纤传感中温度和应力后向影响效应的消除方法，其特征是方法步骤为：窄线宽光源发出的光一分为二，一路和980nm的泵浦光一起进入布里渊掺铒光纤激光器，另一路进入光调制器，光调制器输出的脉冲光经光放大器后进入环行器，由瑞利散射信号可以计算出泵浦光信号功率，再结合前面的布里渊散射信号功率进行计算。本发明的技术效果是：能够修正布里渊信号功率的改变因素，如外界的温度(或应变)的变化和装置上的泵浦光功率，当实际环境下和参考环境下相对应点上的泵浦光功率不相等时，通过检测布里渊和泵浦信号功率的变化准确地得到温度(或应变)的变化。

Description

布里渊光纤传感中温度和应力后向影响效应的消除方法

技术领域

本发明涉及一种后向影响效应的消除方法，尤其涉及一种布里渊光纤传感中温度和应力后向影响效应的消除方法。

背景技术

布里渊信号功率的改变不只由外界的温度(或应变)的变化引起，而且与该位置上的泵浦光功率有关。当实际环境下和参考环境下相对应点上的泵浦光功率不相等时，布里渊信号功率的变化不能准确地反应温度(或应变)的变化，同时，即使实际环境下和参考环境下的泵浦光功率相等，功率温度(或应变)系数也与泵浦光功率的大小有关。因此，必须对上面的传感原理进行修正，这正是本发明所要解决的问题。

布里渊散射效应涉及到泵浦脉冲光和连续光(探测光)之间的相互作用，其作用可以用耦合模方程来表示，在耦合模方程的求解时，若知道了边界条件，那么就可以求出脉冲光和连续光的作用情况。当脉冲光沿着光纤传输时，在脉冲光刚到达空间某一位置时，该位置上的连续光只由光纤损耗决定、与沿光纤分布的温度和应变无关，是确定的(对于BOTDR系统也是一样)。但泵浦光则不一样，它会随着沿前面光纤分布的温度和应变的变化而变化。在已经提出的检测方法中，均是以一均匀温度和应变分布下的布里渊信号作为归一化信号，这显然会给布里渊信号变化的测量带来误差，因为实际测量的环境不可能是均匀的，这使得实际测量环境下泵浦脉冲光的分布和参考环境下泵浦脉冲光的分布不一样。这样，在空间某一位置上作用时，布里渊散射的边界条件就发生了改变，从而导致布里渊作用的强弱发生变化。这样，归一化以后的布里渊信号不能真实反映温度和应变的分布，将给温度和应变的测量带来误差。

在BOTDA系统中，脉冲光放大(或衰减)引起的布里渊频移检测误差引起了人们的注意，已经提出了同时从光纤的另一端测量泵浦光信号来解决。但是，对于布里渊信号功率的检测问题还没有引起关注。

另外，即使实际测量环境下的泵浦光功率分布与参考环境下的泵浦光功率分布一致，布里渊功率温度(或应变)系数也会随着泵浦光功率的变化而变化，如果不加以修正，也会对温度(或应变)的测量结果造成影响。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种布里渊光纤传感中温度和应力后向影响效应的消除方法，该方法解决了布里渊信号功率变化对泵浦光功率的信赖关系。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：窄线宽光源发出的光一分为二，一路和980nm的泵浦光一起进入布里渊掺铒光纤激光器，另一路进入光调制器，光调制器输出的脉冲光经光放大器后进入环行器，之后进入传感光纤，从传感光纤返回的瑞利散射和布里渊散射信号再由环行器进入光滤波器，光滤波器将瑞利散射和布里渊散射信号分开，从光滤波器出来的布里渊散射信号再一分为二，一路和布里渊掺铒光纤激光器出来的光进行外差，以检测布里渊散射信号频移，另一路直接进行布里渊散射信号功率检测，对从光滤波器出来的瑞利散射信号进行功率检测，由瑞利散射信号可以计算出泵浦光信号功率，再结合前面的布里渊散射信号功率进行计算。

本发明的技术效果是：能够修正布里渊信号功率的改变因素，如外界的温度(或应变)的变化和装置上的泵浦光功率，当实际环境下和参考环境下相对应点上的泵浦光功率不相等时，通过检测布里渊和泵浦信号功率的变化准确地得到温度(或应变)的变化。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为本发明的脉冲光和连续光在光纤中的作用示意图。

图3为本发明泵浦功率与参考环境下的泵浦功率偏移时的示意图。

图4为本发明泵浦功率逐渐变小时的P′_BN的变化示意图。

图5为本发明泵浦功率变化时的P″_BN示意图。

图6为本发明的P″_BN与温度的示意图。

在图中，1、窄线宽光源2、光调制器3、光放大器4、环行器5、传感光纤6、980nm的泵浦光7、布里渊掺铒光纤激光器8、布里渊散射信号频移9、光滤波器10、布里渊散射信号功率11、瑞利散射信号12、泵浦光信号功率13、计算14、泵浦脉冲光分布15、连续光分布

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：窄线宽光源1发出的光一分为二，一路和980nm的泵浦光6一起进入布里渊掺铒光纤激光器7，另一路进入光调制器2，光调制器2输出的脉冲光经光放大器3后进入环行器4，之后进入传感光纤5，从传感光纤5返回的瑞利散射和布里渊散射信号再由环行器4进入光滤波器9，光滤波器9将瑞利散射和布里渊散射信号分开，从光滤波器9出来的布里渊散射信号再一分为二，一路和布里渊掺铒光纤激光器7出来的光进行外差，以检测布里渊散射信号频移8，另一路直接进行布里渊散射信号功率10检测，对从光滤波器9出来的瑞利散射信号11进行功率检测，由瑞利散射信号11可以计算出泵浦光信号功率12，再结合前面的布里渊散射信号功率10进行计算13。利用下式

P_{BN}^{''} (z) \approx {\frac{1}{P_{cw} (L) \exp (- αL)} \cdot \frac{P_{B}^{'} (z)}{\exp [\frac{g_{B}}{A_{eff}} {&Integral;}_{z}^{z + W} P_{p}^{'} (z) dz] - 1} - 1} \cdot \frac{\exp (\frac{g_{B} (z)}{A_{eff}} P_{p}^{'} (z) W) - 1}{P_{p}^{'} (z) Wexp (\frac{g_{B} (z)}{A_{eff}} P_{p}^{'} (z) W)}

即可求出P″_BN。再利用P″_BN与温度和应变的关系，结合布里渊频移，即可获得外界的温度和应变。

为实现上述目的，本发明采取的检测方案为：

第一、通过检测瑞利散射信号，来计算得到待测环境中泵浦光脉冲功率P′_p(z)分布(瑞利散射信号功率与泵浦光功率成正比)。

第二、检测待测环境中布里渊信号光功率P′_B(z)。

第三、通过下面公式计算得到P′_BN(z)。

P_{BN}^{'} (z) = \frac{\exp {&Integral;}_{z}^{z + W} \frac{g_{B}^{'} (z)}{A_{eff}} P_{p}^{'} (z) dz - 1}{\exp [\frac{g_{B}}{A_{eff}} {&Integral;}_{z}^{z + W} P_{p}^{'} (z) dz] - 1} - 1 = \frac{1}{P_{cw} (L) \exp (- αL)} \cdot \frac{P_{B}^{'} (z)}{\exp [\frac{g_{B}}{A_{eff}} {&Integral;}_{z}^{z + W} P_{p}^{'} (z) dz] - 1} - 1

对于BOTDR系统，P_cw(L)exp(-αL)(L是传感光纤长度)就是噪声功率，其值是固定的，大致在1～0.1nW左右，对于BOTDA系统，P_cw(L)是已知的，W是由光脉冲宽度所决定的空间分辨率。

在传统检测中，

P_{BN} (z) = \frac{\exp {&Integral;}_{z}^{z + W} \frac{g_{B}^{'} (z)}{A_{eff}} P_{p}^{'} (z) dz - 1}{\exp [\frac{g_{B}}{A_{eff}} {&Integral;}_{z}^{z + W} P_{p} (z) dz] - 1} - 1 = \frac{1}{P_{cw} (L) \exp (- αL)} \cdot \frac{P_{B}^{'} (z)}{\exp [\frac{g_{B}}{A_{eff}} {&Integral;}_{z}^{z + W} P_{p} (z) dz] - 1} - 1

随着脉冲光泵浦功率的变化或脉冲光泵浦功率与参考环境中的脉冲光泵浦功率不相等时，即使温度(或应变)变化量相同，P_BN也会发生变化，正如图3、图4所示。

第四、通过下面公式计算得到P″_BN(z)。

令g′_B(z)＝g_B+Δg_B(z)，因为

当W较小时，如10米，此时，

则有：

P″_BN(z)与布里渊增益的变化Δg_B(z)成正比，与泵浦光功率无关，因此，上述问题得到解决。

我们进一步用龙格库塔算法进行了仿真，仿真结果如图5所示，P″_BN(z)与泵浦光功率几乎无关。

第五、P″_BN(z)与外界的温度和应变变化成正比，再结合布里渊频移的检测，通过下式可得到温度和应变的变化。

δv_B＝v′_B-v_B＝C_εvδε+C_TvδT

P″_BN(z)＝C_εPBNδε+C_TPBNδT

如图3所示，泵浦功率与参考环境下的泵浦功率偏移时的P_BN，其中温度升高1度，横坐标为泵浦功率相对变化量，参考的泵浦功率为0.1W。这说明，由于实际环境与参考环境的偏移，泵浦光功率与参考环境下的泵浦光功率不再相等，从而导致泵浦功率相对变化量不仅依赖于温度的变化，而且依赖于泵浦功率的相对变化量。

如图4所示，泵浦功率逐渐变小(但此时仍然等于参考环境下的泵浦功率相等)时的P′_BN的变化。这说明采用P′_BN作判据，可以消除泵浦功率偏移所造成的影响，但依然与泵浦功率的大小有关。

如图5所示，泵浦功率变化时的P″_BN。采用P″_BN作判据可以消除由于泵浦功率变化所造成的影响。

如图6所示，P″_BN与温度的关系。P″_BN与温度的变化成线性关系，这说明本发明所提出的方案是可行的。

Claims

1、一种布里渊光纤传感中温度和应力后向影响效应的消除方法，其特征是方法步骤为：窄线宽光源发出的光一分为二，一路和980nm的泵浦光一起进入布里渊掺铒光纤激光器，另一路进入光调制器，光调制器输出的脉冲光经光放大器后进入环行器，之后进入传感光纤，从传感光纤返回的瑞利散射和布里渊散射信号再由环行器进入光滤波器，光滤波器将瑞利散射和布里渊散射信号分开，从光滤波器出来的布里渊散射信号再一分为二，一路和布里渊掺铒光纤激光器出来的光进行外差，以检测布里渊散射信号频移，另一路直接进行布里渊散射信号功率检测，对从光滤波器出来的瑞利散射信号进行功率检测，由瑞利散射信号可以计算出泵浦光信号功率，再结合前面的布里渊散射信号功率进行计算。