CN102313568B - 一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，其特征是：包括窄带光源、两个光耦合器、编码脉冲光调制器、光放大器、三个光滤波器、三个光电检测器、电解码器、光频移器、电子处理器、光偏振控制器、波分复用器；本发明的优点在于：在同一器件系统中同时实现布里渊散射和拉曼散射分布式光纤传感；同时利用拉曼散射对布里渊散射进行温度补偿，实现温度、应变的双参量同时测量；并且利用编码调制和光相干检测技术，提高检测信噪比，延长传感距离，提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及布里渊、拉曼分布式光纤传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
分布式光纤传感器由于其抗电磁干扰、耐腐蚀及电绝缘性等优点，可对被测物体进行一维无盲点的在线监测，有着广泛的应用前景。拉曼散射分布式光纤传感器和布里渊散射分布式光纤传感器是两种主要的长距离分布式光纤传感器，两者各有自己的优缺点和实现技术。在一些应用场合可能同时需要这两种分布式光纤传感器，但如何实现这两种传感器的有机结合，即两传感器可共用光源、调制器、光放大器等主要光器件和电子处理装置来实现同一根光纤的双机理传感，是一较难解决的技术难点。
基于拉曼散射的分布式光纤传感，自发拉曼散射光功率小，限制了拉曼散射分布式光纤传感距离，一般需要瓦级以上的高功率脉冲激光器，而对信号进行编码(宋牟平，鲍翀，叶险峰. “采用Simplex编码光外调制的拉曼散射分布式光纤传感器”. 中国激光，2010,37(6)：1462-1466),可以降低对光源功率的要求，并可提高拉曼散射光信噪比，延长传感距离，提高检测精度。但拉曼散射分布式光纤传感器一般不能对应变进行传感。
基于布里渊散射的分布式光纤传感，一般需采用窄线宽光源，并且受限于受激散射，入纤光功率一般不能大于瓦级。由于布里渊频移对温度和应变都敏感，所以在实际应用中便造成交叉敏感问题，即根据布里渊频移无法同时检测温度和应变。解决交叉敏感问题主要有以下几种方法：
1. 散射光强度和频移的双参量测量法(J. Smith et al. , Simultaneousdistributied strain and temperature measurement”, Appl. Opt, 38 :5372-5377,1999),这类利用光强的测量方法限制了测量距离，并且光强容易受到外界扰动，影响了测量精度。
2. 特殊光纤法(M. Alahbabi, Y. T. Cho, and T. P. Newson. “Comparisonof the methods for discriminating temperature and strain in spontaneousBrillouin-based distributed sensors”, Optics Letters, 2004, 29(1): 26~28),这类方法基于特种光纤，很难与现有的光纤网络融合，限制了其使用范围。
3. 布里渊散射结合其它传感原理法。其中有布里渊结合拉曼散射(M. N.Alahbabi, Y. T. Cho, T. P. Newson. Simultaneous temperature and strainmeasurement with combined spontaneous Raman and Brillouin scattering. OPTICSLETTERS，2005，30(11): 1276~1278), 布里渊结合瑞利散射(K. Kishida, K.Nishiguchi, C-H. Li. An important milestone of distributed fiber opticalsensing technology: separate temperature and strain in single SM fiber. OECC,2009, 861~862)等。其中结合拉曼散射的原理如下：
光纤的拉曼散射对温度敏感而对应变不敏感，可以通过检测拉曼散射信号得到外界温度信息，从而对布里渊散射进行温度补偿，得到应变信息，所以通过将拉曼散射与布里渊散射相结合的分布式光纤传感系统可以解决交叉敏感问题，从而拓宽了分布式光纤传感器的应用场合。但拉曼散射分布式光纤传感器使用的光源一般为大于瓦级的高功率脉冲光源，而布里渊散射分布式光纤传感器，受到受激布里渊散射作用的限制，一般为小于瓦级的较低功率脉冲光源，因此两者传感器在通常情况下难以结合在一个装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置。
本发明解决上述技术问题所采用的方案为：
一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，其特征是：包括窄带光源、两个光耦合器、编码脉冲光调制器、光放大器、三个光滤波器、三个光电检测器、电解码器、光频移器、电子处理器、光偏振控制器、波分复用器；
窄带光源的线宽应小于光纤的布里渊散射谱，其发出光经光耦合器分为两路，一个输出端与编码脉冲光调制器的一个输入端相连，另一个输出端与光频移器的一个输入端相连；
光频移器的输出端与光偏振控制器的输入端相连，光偏振控制器的输出端与光电检测器的一个输入端相连；
编码脉冲光调制器的输出端与光放大器的输入端相连，光放大器的输出端与光耦合器的输入端相连，光耦合器输出信号与传感光纤相连，返回的光信号经光耦合器与波分复用器输入端相连，波分复用器分三路输出，其中的布里渊散射光、拉曼散射反斯托克斯光、拉曼散射斯托克斯光或瑞利散射光分别进入三个光滤波器，光滤波器的输出端分别与三个光电检测器的输入端相连，光电检测器的输出端，分别与电解码器的三个输入端相连，电解码器的输出端与电子处理器的输入端相连。
优选的，电子处理器与编码脉冲调制器相连。
优选的，电子处理器与光频移产生装置相连。
优选的，光耦合器还可替换为光环形器。
所述的编码脉冲装置受电子处理器控制，将输入的直流光进行编码调制后输出为光脉冲序列，这样既可满足拉曼散射分布式光纤传感器所需的高能量光源的要求，又由于编码调制的扩频作用，可抑制受激布里渊散射的影响，符合布里渊散射分布式光纤传感器的光源要求。
所述的光频移产生器，可以是电光调制器或声光调制器，通过调制使输入的光信号产生一定的光频移，输出至光电检测器与布里渊散射光信号进行相干解调，也可采用直接光电检测。
本发明的布里渊、拉曼分布式传感器是基于信号编码和解码的原理，利用背向光纤自发布里渊散射光的频谱测量光纤所受的应变，利用背向光纤自发拉曼散射光中的反斯托克斯光和斯托克斯光测量光纤所受温度，从而实现对温度、应变的双参量测量。
利用拉曼散射光测温原理：拉曼散射光的反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比为：
(1)
式中λa与λs分别为反斯托克斯光与斯托克斯光的波长，h为普朗克常量，c为光速，μ为波尔兹曼常数，T为绝对温度。根据两种光的强度比可以测量外界温度情况。
利用光纤布里渊散射测量温度、应变原理：在光纤中，布里渊散射光的频移与光纤中的有效折射率和超声声速有关，外界温度和应力的变化都能使有效折射率和超声声速产生变化，从而改变布里渊频移。所以只要检测布里渊散射光的频移就能得到温度或应力在光纤上的分布。布里渊频移的数学表达式为：
(2)
vB为布利渊频移；n为光纤纤芯折射率；va为声速；λ为泵浦光的波长。当泵浦光的波长λ=1.55um时，布里渊频移约为11GHz。
布里渊频移与外界温度、应变的关系：
(3)
其中：△VB为布里渊频移变化量；为应变的变化量；△T为温度变化量；CvT为布里渊频移温度系数；CτE为布里渊频移应变系数；CvT、CτE测量可得，温度变化量△T已由拉曼散射光测得，根据布里渊频移就可测得应变的变化量。
对信号进行编码优点：对于分布式光纤传感器，系统测量距离的空间分辨率与系统的信号精度之间存在互斥性。即当增加光源脉冲宽度以提高系统的信号信噪比时，系统的空间分辨率也会因此而降低。为了克服系统信噪比与空间分辨率之间的矛盾，采用编码的方式可以改善分布式光纤传感器系统。例如采用Simplex code编码格式可在不改变光源脉冲宽度、强度及系统叠加次数的前提下，提高系统信噪比，延长传感测量距离，提高测量精度。
对布里渊散射光相干解调原理：激励光的频率为υP，产生的布里渊散射光频率为υP-υB，瑞利散射光频率为υP；本地参考光的频率为υP-υLO，υLO为参考光相对于激励光的频移，其大小一般和υP相近；在散射光和参考光相干接收后产生的外差光电信号中，由布里渊散射光产生的信号频率为：
(4)
一般为几十兆赫兹到几百兆赫兹的较低频率，而由瑞利散射光产生的信号频率为：
(5)
为11GHz左右的微波频率。两信号频率差异很大，因此容易从总的光电信号中取出布里渊散射光信号。
本发明的优点在于：在同一器件系统中同时实现布里渊散射和拉曼散射分布式光纤传感；同时利用拉曼散射对布里渊散射进行温度补偿，实现温度、应变的双参量同时测量；并且利用编码调制和光相干检测技术，提高检测信噪比，延长传感距离，提高检测精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1是窄带光源、2和5是两个光耦合器、3是编码脉冲光调制器、4是光放大器、6是传感光纤、7、8、9是光滤波器、10、11、12是光电检测器、13是电解码器、14是光频移器、15是电子处理器、16是光偏振控制器、17是波分复用器。
具体实施方式
参照图1，本发明为一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，窄带光源1、两个光耦合器2、5、编码脉冲光调制器3、光放大器4、三个光滤波器7、8、9、三个光电检测器10、11、12、电解码器13、光频移器14、电子处理器15、光偏振控制器16、波分复用器17。窄带光源1发出光经光耦合器2分为两路，一个输出端与编码脉冲光调制器3的一个输入端相连，另一个输出端与光频移器14的一个输入端相连。光频移产生装置14的输出端与偏振控制器16的输入端相连，光偏振控制器16的输出端与光电检测器10的一个输入端相连。编码脉冲光调制器3的输出端与光放大器4的输入端相连，光放大器4的输出端与光耦合器5的输入端相连，光耦合器5输出信号与传感光纤6相连，返回来的光信号经光耦合器5与波分复用器17输入端相连，波分复用器17分三路输出，其中的布里渊散射光、拉曼散射反斯托克斯光、拉曼散射斯托克斯光（或瑞利散射光）分别进入光滤波器7、8、9，光滤波器7、8、9的输出端分别与光电检测器10、11、12的输入端相连，光电检测器10、11、12的输出端，分别与电解码器13的三个输入端相连，解码器13的输出端与电子处理器15的输入端相连。
窄带光源的线宽应小于布里渊散射带宽，光频移产生装置可采用射频/微波电光调制器或声光调制器。
编码脉冲调制可采用Simplex编码或其他编码方式。编码调制产生的脉冲光序列经放大器进入传感光纤。光纤中返回来的散射光经过波分复用器17分为三路，分别为布里渊散射光、拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光（或瑞利散射光）。
三路光分别经过光滤波器滤波，光电检测后转换为电信号。其中布里渊信号可与从光源来的另一路频移光进行光相干解调或直接光电检测。
信号经电解码器解码，电子处理器进行累加等信号处理，得到传感信息。
将一段光纤作为参考光纤，已知其温度为T0，根据公式：
(6)
结合公式(1)，可以测得传感温度T。
再由测得的布里渊散射频移，可得到传感应变情况：
(7)
Claims (3)
1.一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，其特征是：包括窄带光源(1)、光耦合器(2)、光耦合器(5)、编码脉冲光调制器(3)、光放大器(4)、三个光滤波器(7)、(8)、(9)、三个光电检测器(10)、(11)、(12)、电解码器(13)、光频移器(14)、电子处理器(15)、光偏振控制器(16)、波分复用器(17)；光耦合器(2)一个输出端与编码脉冲光调制器(3)的一个输入端相连，另一个输出端与光频移器(14)的一个输入端相连；光频移器(14)的输出端与光偏振控制器(16)的输入端相连，光偏振控制器(16)的输出端与光电检测器(10)的一个输入端相连；编码脉冲光调制器(3)的输出端与光放大器(4)的输入端相连，光放大器(4)的输出端与光耦合器(5)的输入端相连，光耦合器(5)输出信号与传感光纤(6)相连，光耦合器(5)与波分复用器(17)输入端相连，波分复用器(17)分三路输出，分别进入光滤波器(7)、(8)、(9)，光滤波器(7)、(8)、(9)的输出端分别与光电检测器(10)、(11)、(12)的输入端相连，光电检测器(10)、(11)、(12)的输出端，分别与电解码器(13)的三个输入端相连，电解码器(13)的输出端与电子处理器(15)的输入端相连。
2.根据权利要求1所示的一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，其特征是：电子处理器(15)与编码脉冲调制器(3)相连。
3.根据权利要求1所示的一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，其特征是：光耦合器(5)还可替换为光环形器。
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