CN101629855B - 分布式光纤传感系统及利用其的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式光纤传感系统及利用其的检测方法。所述光纤传感系统包括：光源单元，其发出适于检测和处理的光；光环行器，其接收来自所述光源单元的光，并将接收的光传输入用于检测的传感光纤；以及检测单元，其从所述光环行器接收由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光，在所述检测单元中，获得所述后向散射光中的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过外差干涉形成的干涉光，并将所述干涉光转换为电信号，所述检测单元还对所述电信号进行检测，以获得传感光纤中温度和应变的变化。

Description

分布式光纤传感系统及利用其的检测方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统，尤其涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感系统及利用其检测温度和应变的方法。

背景技术

分布式光纤温度应变传感系统(DTSS)是一种较新颖的分布式传感技术，有广泛的应用前景。相比于其他的传统的传感系统，DTSS属于分布式检测系统，其具有灵敏度高、抗电磁干扰及能够同时测量温度和应变等优点。

光在光纤中传输，主要有三种散射光：瑞利、布里渊和拉曼，其中布里渊和拉曼都有斯托克斯和反斯托克斯两种成分光。根据定义，频率下移的成分是斯托克斯光，频率上升的成分是反斯托克斯光。瑞利散射是一种没有传播密度波动的散射光，属于弹性散射，所以没有频移。布里渊散射是基于光学声子的一种散射光而拉曼散射是基于光学光子的一种散射光，二者均是非弹性散射。目前这些散射现象已经被深入研究并且被广泛应用，比如光时域/频域反射计(OT/FDR)，光时域/频域分析仪(OT/FDA)，以及分布式光纤传感器等等。分布式光纤传感器特别是基于布里渊散射的光纤传感器，与其他传感器相比，具有其独特优势，所以目前仍然是研究热点。该传感器具有较高的分辨率，可同时测量温度和应变两大物理量。

现有技术中的布里渊散射分布式光纤传感器包括自发布里渊散射分布式光纤传感器和受激布里渊散射分布式光纤传感器。

典型的自发布里渊散射分布式光纤传感器如图1所示，包括光源101，其输出光被分成第一束光和第二束光，第一束光经过调制进入传感光纤103，第一束光在光纤103中的反向自发布里渊散射光与上述第二束光在外差检测装置104中混合并干涉，并由该检测装置104检测该干涉信号并分析，从而获得传感光纤中的温度和应变的变化。

在该传感器中，需要从光源中分出一束光作参考光，然后与布里渊散射信号进行外差干涉，这就需要性能好、价格高的滤光器将布里渊后向散射光从诸多后向散射光中分离出来或利用声光调制器或微波电光调制器等器件来调制参考光，还需考虑干涉光偏振状态一致性的问题，而且，其中还存在脉冲光脉宽和空间分辨率相互矛盾的问题，在传统方法中或者用频域分析方法来提高空间分辨率，但其不能用于长距离测量，或者只使用窄脉宽的脉冲光来提高空间分辨率，但其使得传感信号弱，后续信号处理较困难。

国际申请PCT/JP2004/009352公开了一种利用受激布里渊散射现象的分布式光纤传感器，图2示出了其中通过受激布里渊散射进行检测的示意图，其中与自发布里渊散射分布式光纤传感器不同之处在于，其包括脉冲光光源和连续光光源，从而在用于检测的光纤的两端分别输入探测光和激发光。这样的方案可以加强探测光的布里渊散射中的斯托克斯成分，使得反斯托克斯成分较弱，甚至可以被忽略，从而可以解决输入光脉冲宽度和空间分辨率的矛盾。但是该系统结构复杂而且安装不方便，使得制造成本加大。

另外，在传统系统中，通常使用光方法或使用软件方法来解耦温度和应变，但前者成本较高，后者影响响应时间。

发明内容

针对现有技术中的上述问题发明了本发明，本发明旨在解决现有技术中空间分辨率低的问题、安装复杂制造成本高的问题、以及温度和应变解耦成本高且不适用的问题。

本发明的一方面涉及一种分布式光纤传感系统，包括：光源单元，其发出适于检测和处理的光，所述光中包括作为脉冲光的探测光；光环行器，其接收来自所述光源单元的光，并将接收的光传输入用于检测的传感光纤；检测单元，其从所述光环行器接收由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光，获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过外差干涉形成的干涉光，并将所述干涉光转换为电信号，所述检测单元还对所述电信号进行检测，以获得传感光纤中温度和应变的变化；以及控制和计算单元，其与所述检测单元连接，以根据所述检测单元的检测，计算所述传感光纤中的温度和应变的变化。

其中，所述控制和计算单元还与所述光源单元连接，以控制所述光源单元的发光。

其中，所述检测单元包括：第一低通路径，用于测量所述电信号的直流分量；第二高通路径，用于测量所述电信号的交流分量的振幅；以及第三高通路径，用于测量所述电信号的交流分量的频移。

其中，所述光源单元输出作为探测光的脉冲光，所述脉冲光的周期基于光纤的长度设置，所述脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置，并且所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除布里渊散射光中的斯托克斯光或反斯托克斯光。

其中，所述光源单元交替输出不同波长的宽脉宽的作为激发光的第一脉冲光和窄脉宽的作为探测光的第二脉冲光，所述第一和第二脉冲光的周期基于光纤的长度设置，所述第二脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置，以及其中，所述检测单元还包括第二滤光器，用于滤除所述第一脉冲光的后向散射光。

其中，所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除所述探测光的布里渊散射光中的斯托克斯光。

其中，所述第一脉冲光和所述第二脉冲光交替连续发出。

其中，所述光源单元输出叠加作为激发光的连续光和作为探测光的脉冲光的光，所述脉冲光的周期基于光纤的长度设置，且所述脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置。

其中，所述连续光和脉冲光的波长不同，且所述检测单元还包括第二滤光器，用于滤除所述连续光的后向散射光。

其中，所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除所述探测光的布里渊散射光中的斯托克斯光。

其中，所述连续光和脉冲光的波长相同。

其中，所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除所述探测光的布里渊散射光中的斯托克斯光。

一种利用上述分布式光纤传感系统检测温度和应变的方法，包括以下步骤：将所述光纤传感系统放入待检测的环境中；使所述光源单元发出适于检测和处理的光，其中包括探测光，所述光经所述光行器进入传感光纤，同时，由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光进入所述检测单元；在所述检测单元中获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过外差干涉形成的干涉光，然后将所述干涉光转换为电信号并对其进行检测；以及根据对所述电信号的检测，计算所述布里渊的一个成分的散射光的强度变化和频移，从而计算出传感光纤中温度和应变的变化。

相比于现有技术，该系统在技术上有较大突破：该系统利用单端输入激发布里渊散射，这样不仅简化了系统而且安装方便；该系统创造性地提出一种不需要额外参考光的外差干涉方法来检测布里渊频移，不需要考虑干涉光偏振状态一致性的问题，而且使得系统简单化；该系统使用一端入射的两种光，或脉冲光与脉冲光，或脉冲光与连续光，来激发布里渊散射，这样加强了反斯托克斯成分，若其足够强，则相对而言斯托克斯成分较弱，可以被忽略，既可以解决输入光脉冲宽度和空间分辨率的矛盾，还可以避免使用高精度的滤光器，而且也加强了信号；该系统采用电方法来分辨布理渊信号的频移和强度变化，进而可以解耦温度和应变，该方法降低了成本而且不会影响响应时间。

附图说明

本发明的上述以及其他特征和优点将通过下面的参考附图的描述而更加显而易见，在所述附图中：

图1示出了现有技术中自发布里渊散射分布式光纤传感器的结构示意图；

图2示出了现有技术中受激布里渊散射分布式光纤传感器的结构示意图；

图3示出了根据本发明的布里渊散射分布式光纤传感系统的结构的示意图；

图4示出了根据本发明的布里渊散射分布式光纤传感系统的一个示例结构的示意图；

图5是根据本发明的分布式光纤传感系统的检测单元的一个实施例的示意图；

图6是根据本发明的分布式光纤传感系统的检测单元的另一个实施例的示意图；

图7是根据本发明的分布式光纤传感系统的第一实施例的结构图；

图8是基于自发布里渊散射的后向光谱图；

图9是根据本发明的分布式光纤传感系统的第二实施例的结构图；

图10是第二实施例中的激光器和光电调制器的控制时序图；

图11是分别基于自发布里渊散射和受激布里渊散射的后向散射光谱的对比图；

图12是根据本发明的分布式光纤传感系统的第三实施例的结构图；

图13是第三实施例中的激光驱动电流；

图14是根据本发明的分布式光纤传感系统的第四实施例的结构图；

图15是根据本发明的分布式光纤传感系统的第五实施例的结构图；

图16是根据本发明的分布式光纤传感系统的第六实施例的结构图；以及

图17是所述第六实施例中的调制后的光脉冲图。

具体实施方式

下面将具体描述本发明的内容。应当理解，这里的描述只是说明性的，而不是限制性的，本发明还包括本领域技术人员根据本发明而可以想到的其它修改、替换、组合等。

首先，介绍一下DTSS的原理。

布里渊散射光是泵浦入射光和光学声子相互作用的结果。泵浦入射光吸收或释放声子使得散射光频移，其中，泵浦光通过吸收声子转换成频率较高的反斯托克斯光，通过释放声子获得频率较低的斯托克斯光。该散射光频移的大小决定于声波速度。由于光纤所受温度和应变均影响光纤中声波速度，因此测量布里渊频移的大小即可得到温度或应变。简单来说，布里渊频移关系式是

v_B＝2nv_A/λ，

其中n是光纤有效折射率，λ是入射光中心波长，

(E，k，ρ分别为杨氏模量，泊松比以及介质密度)是声速。

另一方面，布里渊散射光的强度也受光纤温度和应变的影响。因此，通过解耦该散射光的频移和强度变化，能够同时获得温度和应变变化。Toshio Kurashima等人在1998年建立了布里渊频移和强度变化分别与温度和应变之间的关系。其关系如下：

δf_B＝C₁δε+C₂δT，(C₁：MHz/με，C₂：MHz/℃)    (1)

δP_B/P_B＝C₃δε+C₄δT，(C₃：％/με，C₄：％/℃)

                                                  (2)

其中δf_B是布里渊频移；δP_B/P_B是强度变化率；δT是温度变化量；δε是应变变化量；C₁是δf_B的应变系数，C₂是δf_B的温度系数；C₃是P_B的应变系数；C₄是P_B的温度系数。例如，1550nm波长的入射光在普通单模光纤中各个系数为：

C₁＝0.0493MHz/με；C₂＝1.2MHz/℃；C₃＝-7.8×10^-4％/με；C₃＝0.27％/℃

在下面的实施例中，通过根据本发明的装置测量布里渊频移和强度变化，从而可以根据公式(1)和(2)计算出温度变化和应变变化。

图3示出了根据本发明的基于布里渊散射检测温度和应变的分布式光纤传感系统的示意图，图中包括光源单元301、光环行器302、传感光纤303、以及检测单元304。在图3及其之后的多个图中，实线箭头代表光信号的传输，虚线箭头代表电信号的传输。

所述光源单元301发出适于检测和处理的光，例如，在自发布里渊散射的情况下，光源单元发出脉冲光，在受激布里渊散射的情况下，光源单元发出结合作为探测光的脉冲光和作为激发光的连续光或脉冲光的光，这将在下面的实施例中具体描述。

来自所述光源单元301的光经所述光环行器302传输入所述传感光纤303，同时，由进入传感光纤的光引起的后向散射光通过光环行器302进入所述检测单元304。光环行器通常具有三个端口，即第一端口305、第二端口306和第三端口307，其中入射光与出射光相对于所述端口的传输具有一定的顺序且是不可逆的，即，射入第一端口305的光，从第二端口306射出但不从第三端口307射出，来自第二端口306的光从第三端口307射出但不从第一端口305射出。在本发明中，来自所述光源单元301的光从所述第一端口305进入该光环行器302再从所述第二端口306传输入所述传感光纤303，同时，由进入传感光纤303的光引起的后向散射光通过光环行器302的第三端口307进入所述检测单元304。

所述检测单元304通过使用滤光器等光学元件获得所述后向散射光中的瑞利散射光和布里渊的一个成分发生外差干涉形成的干涉光，并将干涉光转换为电信号，所述检测单元304还对所述电信号进行检测，以获得布里渊的一个成分的散射光的强度变化和频移，进而获得传感光纤中温度和应变的变化，其具体结构将在下文中参考图5和6具体说明。

图3中的结构相比于现有技术简单得多，其中传感光纤303只在一端接收光，而不需要双端入射，检测单元304只接收散射光，而不需要接收用于外差干涉的额外的参考光，这样的配置更加简单易于操作，并节省了成本，同时也获得了精确的测量结果。

图4示出了图3的结构的一个具体示例，其相比于图3还包括控制和计算单元401，其一方面接收来自检测单元的检测信号，从而可以根据上文中的公式(1)和(2)实时地计算所述传感光纤中的温度和应变的变化，另一方面，其发出指令控制光源单元，使其发出合适的光，例如控制发出光的波长、脉冲光的脉宽、周期等。控制和计算单元401可以具体实施为计算机、便携式计算机等，其允许对分布式光纤传感系统的自动化控制，并可以对数据进行实时计算，从而提高了该传感系统的工作效率。当然，图4中的控制和计算单元并不是必要的，例如检测单元的检测数据可以输入另外的计算机以进行存储和计算，而对光源单元的调制可以通过光源单元自身的调节装置进行人工调制等，或者光源单元和检测单元本身可包括用于控制或处理的装置。

下面具体说明通过本发明的分布式光纤传感系统检测温度和应变的变化的原理。在本发明中，无需额外参考光，而通过传感光纤的后向散射光中的瑞利散射光和布里渊-斯托克斯一个成分的散射光的外差干涉进行检测。

假设瑞利光的电磁场和布里渊一个成分光的电磁场表达式如下：

E_R(t)＝E_Rcos(w_Rt+φ_R)     E_B(t)＝E_Bcos(w_Bt+φ_B)  (3)

其中R表示瑞利，B表示布里渊。

光探测器输出光电流

i＝α[E_R(t)+E_B(t)]²

＝α{[E_Rcos(ω_R+φ_R)]²+[E_Bcos(ω_B+φ_B)]²+E_RE_Bcos[(ω_R-ω_B)t+(φ_R-φ_B)]+

E_RE_B[(ω_R+ω_B)+(φ_R+φ_B)]}          (4)

由于上述光探测器的频谱响应特性和频率响应特性，我们得到下列的关系表达式

$i=\mathrm{\α}\{\frac{E_R^2}{2}+\frac{E_B^2}{2}+E_R+E_B\cos [({\mathrm{\ω}}_R-{\mathrm{\ω}}_B)t+({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_B)\left]\right\}---\left(5\right)$

根据公式(5)，只要获得后向散射光的直流部分

和交流部分的振幅i_a-max＝αE_RE_B，就可按

来计算瑞利散射光的强度振幅和布里渊散射光的强度振幅，并且从该输出的光电流可以测出频率ω_R-ω_B，通过连续接收后向散射光，并同样地计算出布里渊散射光的强度振幅和频率ω_R-ω_B，由于ω_R是不变的，因此可以获得布里渊散射光的强度和频率的连续变化，该连续变化对应于用于测量的光脉冲在光纤的不同位置发出的后向散射光，从而可以根据公式(1)和(2)计算出整个光纤上温度和应变的连续变化，即，本发明可以分布式地测量温度和应变的变化。

显然，该外差探测法具有几大优势：

(i)直接利用后向散射光中的布里渊光和瑞利光作干涉，其不需要参考光并且确保了偏振一致性。

(ii)不需要考虑两束光的强度差异。根据公式(5)，无论那种光变强都会增强输出光频率信号，这正是与一般干涉的最大区别所在。参考下面的公式(6)-(10)，一般的光干涉需要三个干涉条件，分别为同频率、同振动方向、恒定的相位差。

在常规光干涉中，由于其为同方向振动

$E_1=E_{10}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1-\frac{2\mathrm{\π}{r}_1}{\mathrm{\λ}})$ $E_2=E_{20}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2-\frac{2\mathrm{\π}{r}_2}{\mathrm{\λ}})---\left(6\right)$

当其相遇时，合成光振动为

$E^2=E_{10}^2+E_{20}^2+2E_{10}{E}_{20}\cos \mathrm{\Δ\φ}$ $\mathrm{\Δ\φ}={\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(r_2-r_1)---\left(7\right)$

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\φ}$

$I=\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}(I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\φ})\mathrm{dt}---\left(8\right)$

$=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\cos \mathrm{\Δ\φdt}$

当相位差变化很快时

I＝I₁+I₂    (9)

当相位差为一恒值时

若I₁＝I₂，那么 $I=2I_1(1+\cos \mathrm{\Δ\φ})=4I_1{\cos }^2\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2}---\left(10\right)$

Δφ＝±2kπ       I＝4I₁

Δφ＝±(2k+1)π   I＝0

图5和6分别是图1和2中的检测单元的电路布局的一个实例，当然，其可以具有其他形式的布局，只要其能实现相同的功能即可。

在图5中，大体来说，检测单元包括第一低通路径501、第二高通路径502和第三高通路径503，第一低通路径501用于测量公式(5)中的直流部分

第二高通路径502用于测量公式(5)中的交流部分的振幅i_α-max＝αE_RE_B，而第三高通路径503用于测量公式5中的交流部分的完整的信号，从而结合第二高通路径502测得的振幅，测出频率ω_R-ω_B。

具体来说，来自光环行器的后向散射光首先进入滤光器504，该滤光器504根据具体实施而设置。例如在本发明中的自发布里渊散射中，其用于滤除后向散射光中的布里渊散射光的一个成分，例如布里渊斯托克斯光或反斯托克斯光，以使测量更加精确。在本发明中的受激布里渊散射的情况下，由于探测光的布里渊反斯托克斯光比斯托克斯光强得多，可以不设置过滤斯托克斯光的滤光器，当然出于精确测量的目的，也可以设置用于过滤斯托克斯光的滤光器，另外，在该情况下，滤光器504还包括用于滤除激发光的后向散射光的滤光器。在特定情况下，也可以不设置任何滤光器，参考本发明的第六实施例，当然，出于精确测量的目的，也可以设置用于过滤斯托克斯光的滤光器。

然后利用光学耦合器将来自滤光器504的光分成两束光以分别进入第一低通路径中的第一光探测器506和用于高通路径的第二光探测器509，第一光探测器506为低通光探测器，以将光信号中的直流部分转换为电信号，例如如图中所示，第一光探测器506可接收125MHz以下的光。出自第一光探测器506的电信号依次进入低通滤波器507(例如小于100MHz)和放大器508最后进入模数转换装置517，模数转换装置517将模拟信号转换为数字信号以用于计算机等计算装置的处理，该模数转换装置在本发明中具体为高速采集卡，当然其也可以为其他类似装置。由于第一低通路径使低频信号通过，因此，其获得公式(5)中的直流部分

第二光探测器509例如可接受3kHz-12GHz的光并将其转为电信号，通过其获得10.861GHz的干涉电信号，其与布里渊散射信号的频移一致。出自第二光探测器509的电信号在经过带宽为700MHz-18GHz的射频放大器510(例如12GHz)后进入带宽为9GHz-13GHz的高通滤波器511(例如大于5GHz)，以进行高频滤波，滤除电频、音频、无线频率等信号，再由功率分配器512分成两路进入两个具有不同函数功能的第一转换器513和第二转换器515中。所述第一和第二转换器513、515如图所示分别用于获得来自功率分配器512的高通信号中的随后向散射光强度变化的分量和随后向散射光强度和频移都变化的量，即，从第一转换器513输出的信号为i_a-max＝αE_RE_B，从第二转换器515输出的信号为i₂＝αE_RE_Bcos[(ω_R-ω_B)t+(φ_R-φ_B)]。其中，第二转换器515用于识别频率变化，具体是，其可以将不同频率转换为振幅变化，如果输入信号具有不同的频率，则输出信号具有不同的振幅，从而可以获得频移。微波检测器514、516分别与第一和第二转换器相连以分别测出来自其的微波信号，其带宽都为12GHz，可以检测0-50MHz的随时间变化的包络。然后微波检测器514和516将其获得的模拟信号输入模数(A/D)转换装置517中进行模数转换。

图6中的检测单元的结构与图5中相似，同样包括第一低通路径601和第二高通路径602和第三高通路径603，不同的是，图6中只包括一个带宽为0-12GHz的光探测器604，其将光转换为电信号后，由功率分配器605将所述电信号分成两部分，其中一部分经过带宽小于100MHz的低通滤波器606而只通过电信号中的直流部分，另一部分经过带宽大于5GHz的高通滤波器607而只通过电信号中的交流部分，图6中的其他装置与图5中基本相同，在此不再赘述。

根据上述描述，通过从第一路径和第二路径输出的信号

和i_a-max＝αE_RE_B，可以计算布里渊的一个成分的散射光的强度振幅，而根据从第二路径和第三路径输出的信号，可以计算布里渊的一个成分的散射光的频移，在连续测量下，可以计算布里渊的一个成分的散射光的强度变化和频移，从而可以根据公式(1)和(2)计算出传感光纤中温度和应变的变化。这些数据处理可在例如计算机的外部计算装置进行，或者检测单元也可以自带处理单元用于进行数据处理。

虽然图5和图6中具体示出了本发明中检测单元的结构，但是其并不限制本发明的范围，对光电信号的测量是本领域所熟知的，而对干涉信号的强度、频率等的测量在分布式传感光纤的领域也有多个文献涉及，本发明在这一部分与现有技术不同之处仅在于本发明利用的是布里渊散射光和瑞利散射光的外差干涉光，而对所述干涉光的测量，完全可以应用现有技术中其他熟知的方案，因此检测单元还可以具有其他本领域技术人员可以想到的其他结构。

在下文中，将详细描述根据本发明的几个实施例。各实施例的相同内容将只在第一实施例中作介绍，在以后各实施例中不再赘述。

图7是根据本发明的分布式光纤传感系统的第一实施例的结构。

图7示出了基于自发布里渊散射的分布式光纤温度应变传感系统，其结构为图3所示的示意结构的一个具体实施例，具体是，图7中对应于图3中的光源单元301的部分包括：分布式反馈半导体激光器(DFB激光器)701，其用作光源；激光器驱动器702，其以240mA电流驱动所述激光器701使其发出40mW、中心波长在1552.072nm的连续光，所述连续光的线宽小于1MHz，比布里渊散射光的线宽窄很多；光电调制器703，其经调制器驱动器704在计算机707的控制下，将所述连续光调制成周期为150μs、脉宽为10ns的脉冲光，其中150μs的周期是由光纤15km的长度决定的，而10ns的脉宽是由1m的空间分辨率决定的；掺铒光纤放大器(EDFA)705，其放大所述脉冲光；以及，滤光器706，其滤除由掺铒光纤放大器造成的噪声。

之后，从滤光器706输出的光通过光环行器708进入传感光纤709中。图中的传感光纤709可以为单模光纤，但是其可以为任何用于通信的光纤。其中，所述光电调制器703与所述激光器701之间通过保偏光纤(PMF)相连，而所述光电调制器703、EDFA 705、滤光器706以及光环形器708之间通过标准单模光纤(SMF)相连，当然，其也可以通过其他类型的光纤连接。

如参考图3和图4的描述，来自所述传感光纤的后向散射光经所述光环行器进入检测单元710，这里，由于该实施例是属于自发布里渊散射的情况，因此检测单元710中包括的对应于图5中的滤光器504的滤光器(未示出)为用于过滤斯托克斯或反斯托克斯光的滤光器，下文中将其称为第一滤光器，以便于区分。由于已经参考图5和图6对检测单元的结构进行了详细说明，在此不再具体说明该检测单元。从检测单元输出的数字信号进入计算机707中，从而通过在计算机中处理和分析信号而计算出温度和应变。同时，计算机707还控制调制器驱动704以便使光脉冲发射与数据处理同步。

图8示出了通过图7的结构获得的后向散射光谱图。在该图中，从左至右的光分别为布里渊-反斯托克斯、瑞利和布里渊-斯托克斯光。

对于该实施例中的第一滤光器(未示出)，尽管只用低通滤光器就可以滤除布里渊-反斯托克斯光或高通滤光器滤出布里渊-斯托克斯，但该滤光器的性能要求较高，价格不菲。在实验中，我们发现在受激布里渊散射中，激发光的布里渊斯托克斯光非常强，甚至比瑞利散射光还强，其产生大量的声子。探测光的布里渊反斯托克斯光吸收这些声子而变强，而其布里渊斯托克斯光相比之下可以忽略。这样，可以不使用用于滤除布里渊斯托克斯光的第一滤光器，从而使得成本降低，同时同样具有第一实施例中的各个优点。在下面的第二至六实施例中示出了利用受激布里渊散射的结构。

图9示出了根据本发明的第二实施例的结构。图10是用于图9中的结构的激光器和调制器的时序控制示意图。

图9中不同于图7之处包括，其中利用计算机901通过激光器驱动器902进行激光内调制而获得不同波长的光，并利用计算机901通过调制器驱动器903进行光电调制器外调制，通过该方法来产生受激布里渊散射，而不需要结构复杂的双端输入。由于图9中的结构属于受激布里渊散射的情况，因此，图9中的检测单元中的对应于图5中的滤光器504的滤光器是用于滤除激发光的后向散射光的滤光器(未示出)，在下文中将该滤光器表示为第二滤光器，以用于区分。当然，出于更精确的目的，这里的检测单元可以包括第一滤光器和第二滤光器两个滤光器。

具体来说，如图10所示，通过计算机901以图10中上部的时序控制激光器驱动器902和以图10中下部的时序控制调制器驱动器903，所述激光器驱动器902将激光器的电流控制为在200mA和240mA之间转换，以便得到两个不同中心波长不同强度的光，而所述调制器驱动器驱动光电调制器的开关如图10中下部所示地开或关，而得到不同中心波长不同强度的第一脉冲和第二脉冲。第一脉冲的中心波长为1551.644nm，脉宽为90μs或更长，其作为激发光，用于激发布里渊散射以便产生更多的光学声子，随后中心波长为1552.072nm、脉宽为10ns的第二脉冲作为探测光进入光纤，吸收所述声子，从而其布里渊-反斯托克斯光变强。图11示出了自发布里渊散射和受激布里渊散射的对比图，图中靠上的以实线描绘的曲线示出了受激布里渊散射的光谱，靠下的以虚线描绘的曲线示出了自发布里渊散射的光谱，明显可看出，受激布里渊散射中的斯托克斯光比反斯托克斯光要强得多，即产生了大量的光学声子，那么后继的第二个光脉冲吸收这些声子，从而第二个光脉冲的布里渊-反斯托克斯光变强。如果光源功率达到一定程度，第二个光脉冲产生的布里渊-反斯托克光足够强，以至于可以忽略布里渊-斯托克斯光的程度，那么在该实施例中不再需要类似于第一实施例中用于滤除布里渊的一个成分的散射光的第一滤光器，从而节省了成本。通过使用第二滤光器(未示出)滤除第一脉冲的后向散射光，从而得到由于第二个脉冲发出的的后向散射光。按图8所示的控制时序来控制激光器和光电调制器的作用之一是，当激光器的驱动电流从200mA变到240mA时，激光器发出光波长的渐进变化可由光电调制器的开关避免。

图12示出了根据本发明的第三实施例。

图12中的第三实施例仅通过内部调制，即通过激光器驱动器控制激光器的驱动电流，也可以获得受激布里渊散射。由于只对激光器进行内部调制，图12中的光源单元仅包括与计算机相连的激光器驱动器1202和DFB激光器1201，该图中的其它部分与9中相同。图13示出了激光器驱动电流的控制时序，其中，通过200mA的电流的驱动获得的激光与通过240mA的电流的驱动获得的激光的波长不同，而通过240mA的电流驱动的激光相当于第二实施例中的脉宽为10ns的脉冲，通过200mA的电流驱动获得的激光是脉宽较宽的脉冲，以用于激发受激布里渊散射。也就是说，该实施例中由激光器控制器控制驱动电流使得光源单元连续地交替输出不同波长的宽脉冲光和窄脉冲光以分别作为激发光和探测光。

图14示出了根据本发明的第四实施例，该实施例与第二实施例不同之处包括，光源单元包括两个激光器，第一DFB激光器1401和第二DFB激光器1402，其中，通过激光器1401获得连续光，通过激光器1402如第一实施例中所述获得窄脉冲的脉冲光，这两种光通过组合器1403而组合成一束光射入光环形器。在传感光纤中，连续光作为激发光激发布里渊散射而产生更多的光学声子，从而引起受激布里渊散射，从而获得作为探测光的脉冲光的更强的布里渊-反斯托克斯光。该实施例中的检测单元的结构与第二实施例中相同。

图15示出了根据本发明的第五实施例，该实施例与第四实施例的不同之处在于，其只包括一个高输出功率的DFB激光器1501，通过光学分配器1502将来自激光器1501的光分成两束，从而随后如同第四实施例中的布置，一束仍为连续光，另一束光经过调制成为窄脉宽的脉冲光，其同样经组合器1503组合成一束光射入光环形器，从而引起激发光的受激布里渊散射，获得探测光的更强的反斯托克斯光。该实施例中的检测单元的结构与第二实施例中相同。

图16示出了根据本发明的第六实施例，该实施例除了不包括所述第一和第二滤光器中任一个之外，其它都与第一实施例中的结构相同。在该实施例中，通过计算机控制调制器驱动器1602，以控制光电调制器1601的偏置电压，而得到如图17所示的调制光，该调制光可以等同于振幅为P/2、脉宽为10ns的脉冲光与振幅为P/2的连续光相叠加的光。这样，平均功率可以足够强来引起受激布里渊散射，并且可以跟踪脉冲光沿光纤的移动来定位传感位置。由于该实施例中为受激布里渊散射，因此在该实施例的检测单元中不需要第一实施例中的所述第一滤光器，又由于该实施例中的调制光为单一波长的光，因此也不需要第二实施例中的用于滤除激发光的后向散射光的第二滤光器。当然，出于更精确的目的，这里的检测单元也可以包括第一滤光器。

虽然已经在优选实施例中说明了本发明的基本新颖特征，但是应当理解，在不脱离本发明的精神下，本领域技术人员可以对所述的装置和方法的形式和细节进行多种修改、省略或替代等。

Claims (12)

1.一种分布式光纤传感系统，包括：

光源单元，其发出适于检测和处理的光，所述光为结合作为探测光的脉冲光和作为激发光的连续光或脉冲光的光；

光环行器，其接收来自所述光源单元的光，并将接收的光传输入用于检测的传感光纤；

检测单元，其从所述光环行器接收由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光，获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过外差干涉形成的干涉光，并将所述干涉光转换为电信号，所述检测单元还对所述电信号进行检测，以获得传感光纤中温度和应变的变化；以及

控制和计算单元，其与所述检测单元连接，以根据所述检测单元的检测，计算所述传感光纤中的温度和应变的变化。

2.根据权利要求1的分布式光纤传感系统，其中，所述控制和计算单元还与所述光源单元连接，以控制所述光源单元的发光。

3.根据权利要求1或2的分布式光纤传感系统，其中所述检测单元包括：第一低通路径，用于测量所述电信号的直流分量；第二高通路径，用于测量所述电信号的交流分量的振幅；以及第三高通路径，用于测量所述电信号的交流分量的频移。

4.根据权利要求1的分布式光纤传感系统，其中所述光源单元交替输出不同波长的宽脉宽的作为激发光的第一脉冲光和窄脉宽的作为探测光的第二脉冲光，所述第一和第二脉冲光的周期基于光纤的长度设置，所述第二脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置，以及

其中，所述检测单元还包括第二滤光器，用于滤除所述第一脉冲光的后向散射光。

5.根据权利要求4的分布式光纤传感系统，其中，所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除所述探测光的布里渊散射光中的斯托克斯光。

6.根据权利要求4或5的分布式光纤传感系统，其中所述第一脉冲光和所述第二脉冲光交替连续发出。

7.根据权利要求1或2的分布式光纤传感系统，其中所述光源单元输出叠加作为激发光的连续光和作为探测光的脉冲光的光，所述脉冲光的周期基于光纤的长度设置，且所述脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置。

8.根据权利要求7的分布式光纤传感系统，其中所述连续光和脉冲光的波长不同，且所述检测单元还包括第二滤光器，用于滤除所述连续光的后向散射光。

9.根据权利要求8的分布式光纤传感系统，其中所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除所述探测光的布里渊散射光中的斯托克斯光。

10.根据权利要求7的分布式光纤传感系统，其中所述连续光和脉冲光的波长相同。

11.根据权利要求10的分布式光纤传感系统，其中所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除所述探测光的布里渊散射光中的斯托克斯光。

12.一种利用根据权利要求1-11中任一项的分布式光纤传感系统检测温度和应变的方法，包括以下步骤：

将所述光纤传感系统放入待检测的环境中；

使所述光源单元发出适于检测和处理的光，其中包括探测光，所述光经所述光环行器进入传感光纤，同时，由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光进入所述检测单元；

在所述检测单元中获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过外差干涉形成的干涉光，然后将所述干涉光转换为电信号并对其进行检测；以及

根据对所述电信号的检测，计算所述布里渊的一个成分的散射光的强度变化和频移，从而计算出传感光纤中温度和应变的变化。

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