CN103207033A - 一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式光纤传感技术，提供一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法和装置。所述方法包括：首先标定待测传感光纤在两个不同波长的入射光对应的布里渊频移温度系数和应变系数；再测量两个不同波长下所述传感光纤的布里渊频移量；最后计算得到所述传感光纤的温度和应变分布。具体测量时可以将两个不同波长的入射光先后单独注入所述传感光纤，也可以将两个不同波长的入射光通过波分复用器同时注入所述传感光纤。本发明采用普通单模光纤，成本低且可以远距离分布式传感；仅需测量不同泵浦波长下的布里渊频移量，有效提高了测量精度，系统结构也较为简单。

Description

一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法及装置

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术，具体涉及一种基于双波长的温度和应变同时测量的基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。

背景技术

分布式光纤传感器以光纤本身既作传感体又作传输介质,可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，可以比较容易实现长距离、分布式监测。如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网,实现对监测对象的全方位检测，克服传统点式检测漏检的弊端，提高检测的成功率。基于分布式光纤传感器的突出特点，它在油气管道监测、电缆状态监控、城市基础设施、大型建筑物的结构健康监控、火灾及山体滑坡预警以及飞机、轮船等的损伤监测等方面具有其它传感技术无法比拟的应用前景。在其二十多年的研究中，产生了一系列传感机理和测量系统，其中基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能够同时测量温度和应变两大参数，因其在温度、应变测量上具有高测量精度、大测量范围以及高空间分辨率等优势，吸引了国内外广泛的关注。

布里渊分布式光纤传感系统的一个关键问题是温度应变的交叉敏感，这是由于布里渊频移既对温度敏感又对应变敏感，在实验室测量中可以基本保持温度不变，比较准确地测量应变变化，但在实际的应用环境中这种情况难以实现。因此如何实现温度应变的同时测量吸引着众多研究者的兴趣。早期的一种解决方法是采用相邻的两段光纤，其中一段光纤处于无应力状态用来测量温度变化，另一段光纤则用来测试温度和应力的双重影响，两者结合便可同时解调出某一段区域的温度和应力变化，这种方法在实用中并不方便。进一步的研究表明布里渊散射光功率也随温度和应变变化，同时测量光纤的布里渊频移和功率分布就可实现温度和应变的同时传感。实际上由于影响因素不止应变和温度，比如弯曲损耗、接头、绞接、耦合或者附加光纤都会导致功率的变化，连续波的波动、激光脉冲功率的波动以及脉冲宽度的波动也会影响布里渊峰值功率。尤其布里渊增益的偏振敏感性也使得布里渊功率随偏振态变化随机起伏。因此，利用布里渊频移和布里渊功率进行温度应变的同时测量，精度不高。由于瑞利散射信号反映了光纤的损耗等特性但随温度变化不敏感，TR Parker等人引入布里渊散射和瑞利散射信号的强度比，即Landau-Placzec Ratio（LPR），利用LPR建立布里渊信号光功率与温度和应变的关系，有利于减少光纤微弯和接头损耗、光源波动等带来的误差，实现了温度和应变的同时传感。采用LPR确定温度或应变的难点在于如何将微弱的自发布里渊散射信号从总散射信号中分离出来，虽然LPR能够减少光源波动、光纤损耗等造成的测量误差，但是由PMD导致的光功率波动依旧无法消除。

单模光纤中布里渊光功率的波动主要由光纤的PMD引入的偏振态变化决定，使得功率测量精度存在很大的误差，进而导致基于布里渊功率和频移进行温度应变同时传感的测量精度不高。而保偏光纤（PMF）则不存在这个问题，假设PMF中温度应变系数沿光纤不变，并且光沿某一主轴注入，则其信号强度的波动主要由光源的功率波动导致。如果光源的功率波动可以忽略，就可准确测得温度应变变化导致的强度变化。实验还发现，当所用光源的频率稳定且线宽极窄时，布里渊频谱宽度和温度应变之间也有对应的关系，因此PMF中有三个量（Stokes强度、布里渊频移、布里渊线宽）可以用于实现温度应变的同时测量。光子晶体光纤（PCF）和大有效面积非零色散位移光纤（large-effective-areanonzero-dispersion-shifted fiber，LEAF）因其布里渊散射谱表现出多个峰值，通过测试主峰和某一次极大峰对应的布里渊频移值，可实现高精度的温度和应变同时测量。但这些特殊光纤，如PMF、PCF、LEAF等，价格昂贵，传感距离不长。

基于光纤中拉曼散射的温度敏感性和布里渊散射的温度应变敏感性，利用拉曼散射测温度，补偿布里渊频移的温度变化测应变，发展了基于拉曼和布里渊融合的分布式光纤温度应变传感器。然而这种方案涉及到拉曼散射和布里渊散射，系统结构以及信号处理较为复杂。

因此探索基于普通单模光纤的温度应变同时传感的布里渊分布式光纤传感系统依然具有重大的理论和现实意义。

发明内容

本发明要解决的问题就是在普通单模光纤中，仅利用布里渊频移实现温度应变的同时传感，既不需要测试布里渊散射光功率，又无需昂贵的特种光纤，同时仅仅基于布里渊散射。该方法测量精度高，容易实现。

本发明的原理是：依据布里渊频移与温度应变的线性关系，利用双波长法，即考虑采用两个波长差值较大的光源进行布里渊频移测量，根据各自的频移与温度应变系数，联立以下两个方程实现温度应变的同时传感：

${\mathrm{\λ}}_1:v_{B1}=v_{{B1}_0}+C_{\mathrm{\ϵ},v_1}\·\mathrm{\Δ\ϵ}+C_{T,v_1}\·\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

${\mathrm{\λ}}_2:v_{B2}=v_{{B2}_0}+C_{\mathrm{\ϵ},v_2}\·\mathrm{\Δ\ϵ}+C_{T,v_2}\·\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$ 即

$\left[\begin{array}{c}{v}_{B1}-v_{{B1}_0}\\ v_{B2}-v_{{B2}_0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{v}_{B1}\\ \mathrm{\Δ}{v}_{B2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{\ϵ},v_1}& C_{T,v_1}\\ C_{\mathrm{\ϵ},v_2}& C_{T,v_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{\ϵ},v_1}& C_{T,v_1}\\ C_{\mathrm{\ϵ},v_2}& C_{T,v_2}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{v}_{B1}\\ \mathrm{\Δ}{v}_{B2}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中v_B1、v_B2是分别对应入射光波长λ₁、λ₂的布里渊频移量，

分别对应两个波长的入射光在固定温度和零应变时的参考布里渊频移量，

为对应入射光波长λ₁的布里渊频移温度系数和应变系数，

为对应入射光波长λ₂的布里渊频移温度系数和应变系数，ΔT、Δε分别为温度和应变的变化量。

对于某一特定的传感光纤，根据事先标定好的布里渊频移温度、应变系数，联合两种波长下的布里渊频移量，利用（4）式便可以得到传感光纤的温度应变分布信息。

本发明采用的技术方案是：

一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法，包括以下步骤：

S1.对需要测量的传感光纤分别标定两个不同波长的入射光对应的布里渊频移温度系数和应变系数；

S2.采用步骤S1中所述两个不同波长的入射光分别对需要测量的传感光纤进行布里渊频移测量，得到两个不同波长下所述传感光纤的布里渊频移量；

S3.根据步骤S1得到的不同波长下的布里渊频移温度系数和应变系数，以及步骤S2得到的不同波长下的布里渊频移量，计算得到所述传感光纤的温度和应变分布。

优选地，所述步骤S2中进行布里渊频移测量的步骤是将所述两个不同波长的入射光先后单独注入所述传感光纤，首先测量第一个波长下的布里渊频移量，然后测量第二个波长下的布里渊频移量。

优选地，所述步骤S2中进行布里渊频移测量的步骤是将所述两个不同波长的入射光同时注入所述传感光纤，再同时分别测量两个不同波长下的布里渊频移量。

优选地，所述两个不同波长的入射光的频差至少大于100MHz。

本发明还提供一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括：两个窄线宽激光器、隔离器、耦合器、脉冲光产生装置、扰偏器、掺饵光纤放大器、移频装置、偏振控制器、环形器、光电探测器、数据采集卡、计算机和传感光纤，所述环形器为设有第一端口、第二端口和第三端口的三端口环形器，所述窄线宽激光器产生的入射光经过隔离器后，再经过所述耦合器分为两个支路，第一支路经所述脉冲光产生装置调制为脉冲光，再经过所述掺饵光纤放大器放大后作为脉冲泵浦光连接所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口接入所述传感光纤的一端；第二支路经过所述移频装置移频作为移频后的探测光接入所述传感光纤的另一端，所述的环形器的第三端口连接所述光电探测器进行光电转换，最后由所述数据采集卡和计算机得到所述传感光纤的布里渊频移量；所述两个窄线宽激光器为不同时接入的不同波长的窄线宽激光器，在工作时首先接入第一个波长下的窄线宽激光器进行测量，然后再接入第二个波长下的窄线宽激光器进行测量。

本发明还提供另一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括：两个窄线宽激光器、耦合器、隔离器、脉冲光产生装置、掺饵光纤放大器、移频装置、扰偏器、偏振控制器、环形器、光电探测器、数据采集卡、计算机和传感光纤、波分复用器，所述环形器为设有第一端口、第二端口和第三端口的三端口环形器，所述两个窄线宽激光器为两个同时接入的不同波长的窄线宽激光器，均同时接入所述波分复用器，再经过隔离器到达所述耦合器分为两个支路，第一支路经所述脉冲光产生装置调制为脉冲光，再经过所述掺饵光纤放大器放大后作为脉冲泵浦光连接所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口接入所述传感光纤的一端，第二支路经过所述移频装置移频作为移频后的探测光接入所述传感光纤的另一端，所述的环形器的第三端口连接所述光电探测器进行光电转换，最后由所述数据采集卡和计算机将两个波长对应的数据分别进行布里渊增益谱拟合，最终得到所述传感光纤在不同波长下对应的布里渊频移量。

优选地，所述两个窄线宽激光器的频差至少大于100MHz。

优选地，所述两个窄线宽激光器、耦合器、隔离器、脉冲光产生装置、掺饵光纤放大器、移频装置、扰偏器、偏振控制器、环形器、传感光纤均为单模器件。

优选地，所述两个窄线宽激光器均为半导体激光器或均为光纤激光器，且输出的波长均在C波段。

优选地，所述脉冲泵浦光的脉宽为10ns～100ns。

本发明的有益技术效果是：

本发明提供的基于双波长的温度和应变同时测量的基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，与采用特殊光纤法相比，双波长法由于采用的传感光纤是常见的普通单模光纤，成本低并且可以实现远距离的分布式传感；与同时测量布里渊频移和布里渊功率的方案相比，双波长法仅需测量不同泵浦波长下的布里渊频移量便可以实现温度和应变同时测量，避免了布里渊光功率的测量，可以大大提高测量精度；与联合拉曼散射和布里渊散射效应法相比，双波长法的测量原理、测试系统结构都较为简单。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图；

图2是本发明所述装置第一个实施例的结构图；

图3是本发明所述装置第二个实施例的结构图。

其中，1为窄线宽光源，2为隔离器，3为耦合器，4为脉冲光产生装置，5为扰偏器，6为掺饵光纤放大器，7为窄带滤波器，8为环形器，9为掺饵光纤放大器，10为偏振控制器，11为移频装置，12为隔离器，13为光电探测器，14为采集卡，15为计算机，16为传感光纤，101为波长为λ₁的窄线宽光源，102为波长为λ₂的窄线宽光源，103为波分复用器，41为声光调制器，42为信号源，81为环形器的1端口，82为环形器的2端口，83为环形器的3端口，111为电光强度调制器，112为微波源，113为直流电源。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述一种实现温度和应变同时测量的分布式光纤传感技术以基于布里渊光时域分析技术（BOTDA）为例，在用于传感的普通单模光纤两端一段注入脉冲泵浦光，另一端注入经电光强度调制器移频后的连续探测光。可以是基于增益性（泵浦光的频率高于探测光）或损耗性（探测光的频率高于泵浦光）的BOTDA技术。

如图1所示是本发明所述方法的流程图。具体包括：

S1.对需要测量的传感光纤分别标定两个不同波长的入射光对应的布里渊频移温度系数和应变系数；

S2.采用步骤S1中所述两个不同波长的入射光分别对需要测量的传感光纤进行布里渊频移测量，得到两个不同波长下所述传感光纤的布里渊频移量；

S3.根据步骤S1得到的不同波长下的布里渊频移温度系数和应变系数，以及步骤S2得到的不同波长下的布里渊频移量，计算得到所述传感光纤的温度和应变分布。

本领域技术人员均了解，步骤S1与步骤S2的先后顺序并无限制。

本发明所述装置第一个实施例结合图2进行说明。本发明所述实现温度和应变同时测量的分布式光纤传感装置中，首先将波长为λ₁的窄线宽光源101发出的光经过隔离器2，再由耦合器3将光一分为二，一路光经过脉冲光产生装置4调制为脉冲光，脉冲光经过扰偏器（PS）5消除偏振态变化带来的影响，然后经过掺饵光纤放大器（EDFA）6放大，用滤波器7滤除ASE噪声进入环形器8的1端口，然后由环形器8的2端口进入传感光纤用作BOTDA的高功率脉冲泵浦光；另一路光首先经过EDFA9进行放大，由偏振控制器（PC）10控制光的偏振态，然后进入移频装置11移频，经过隔离器12注入传感光纤用作BOTDA的连续探测光。光电探测器13连接环形器8的3端口将光信号转换为电信号，利用数据采集卡14进行数据采集，最后送入计算机15进行数据处理及显示，扫描施加给EOIM的微波调制频率便完成了此泵浦波长下的布里渊频移测量。然后将波长为λ₂的窄线宽光源102替换窄线宽光源1重复上述步骤。这样我们便得到了两个波长下的光纤每一位置处的布里渊频移，最后根据事先标定的布里渊频移温度、应变系数，利用（4）式得到传感光纤每一位置处的温度应变信息。

本发明中所述的脉冲泵浦脉冲光脉宽为10ns～100ns，所述的窄线宽光源波长处于C波段。

本发明所述装置第二个实施例结合图3进行说明。与前述第一个实施例不同的是将波长为λ₁的窄线宽光源101和波长为λ₂的窄线宽光源102通过波分复用器103同时注入传感光纤，在两束光的波长差值满足各自激发的后向布里渊散射光不存在重叠的前提下(所述两个窄线宽激光器的频差至少大于100MHz),可由同一个光电探测器将光信号转为电信号而不会发生信号的重叠,当扫描微波调制频率时波长为λ₁和λ₂的泵浦光将依次发生受激布里渊放大,数据处理时将两个波长对应的数据分别进行布里渊增益谱拟合便可以得到各自对应的布里渊频移,最后根据事先标定的布里渊频移温度、应变系数，利用（4）式得到传感光纤每一位置处的温度应变信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。

Claims (10)

1.一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.对需要测量的传感光纤分别标定两个不同波长的入射光对应的布里渊频移温度系数和应变系数；

S2.采用步骤S1中所述两个不同波长的入射光分别对需要测量的传感光纤进行布里渊频移测量，得到两个不同波长下所述传感光纤的布里渊频移量；

S3.根据步骤S1得到的不同波长下的布里渊频移温度系数和应变系数，以及步骤S2得到的不同波长下的布里渊频移量，计算得到所述传感光纤的温度和应变分布。

2.根据权利要求1所述的同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述步骤S2中进行布里渊频移测量的步骤是将所述两个不同波长的入射光先后单独注入所述传感光纤，首先测量第一个波长下的布里渊频移量，然后测量第二个波长下的布里渊频移量。

3.根据权利要求1所述的同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述步骤S2中进行布里渊频移测量的步骤是将所述两个不同波长的入射光同时注入所述传感光纤，再同时分别测量两个不同波长下的布里渊频移量。

4.根据权利要求3所述的同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法，其特征在于：所述两个不同波长的入射光的频差至少大于100MHz。

5.一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于包括：两个窄线宽激光器、隔离器、耦合器、脉冲光产生装置、扰偏器、掺饵光纤放大器、移频装置、偏振控制器、环形器、光电探测器、数据采集卡、计算机和传感光纤，所述环形器为设有第一端口、第二端口和第三端口的三端口环形器，所述窄线宽激光器产生的入射光经过隔离器后，再经过所述耦合器分为两个支路，第一支路经所述脉冲光产生装置调制为脉冲光，再经过所述掺饵光纤放大器放大后作为脉冲泵浦光连接所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口接入所述传感光纤的一端；第二支路经过所述移频装置移频作为移频后的探测光接入所述传感光纤的另一端，所述的环形器的第三端口连接所述光电探测器进行光电转换，最后由所述数据采集卡和计算机得到所述传感光纤的布里渊频移量；所述两个窄线宽激光器为不同时接入的不同波长的窄线宽激光器，在工作时首先接入第一个波长下的窄线宽激光器进行测量，然后再接入第二个波长下的窄线宽激光器进行测量。

6.一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于包括：两个窄线宽激光器、耦合器、隔离器、脉冲光产生装置、掺饵光纤放大器、移频装置、扰偏器、偏振控制器、环形器、光电探测器、数据采集卡、计算机和传感光纤、波分复用器，所述环形器为设有第一端口、第二端口和第三端口的三端口环形器，所述两个窄线宽激光器为两个同时接入的不同波长的窄线宽激光器，均同时接入所述波分复用器，再经过隔离器到达所述耦合器分为两个支路，第一支路经所述脉冲光产生装置调制为脉冲光，再经过所述掺饵光纤放大器放大后作为脉冲泵浦光连接所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口接入所述传感光纤的一端，第二支路经过所述移频装置移频作为移频后的探测光接入所述传感光纤的另一端，所述的环形器的第三端口连接所述光电探测器进行光电转换，最后由所述数据采集卡和计算机将两个波长对应的数据分别进行布里渊增益谱拟合，最终得到所述传感光纤在不同波长下对应的布里渊频移量。

7.根据权利要求6所述同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述两个窄线宽激光器的频差至少大于100MHz。

8.根据权利要求5或6所述同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述两个窄线宽激光器、耦合器、隔离器、脉冲光产生装置、掺饵光纤放大器、移频装置、扰偏器、偏振控制器、环形器、传感光纤均为单模器件。

9.根据权利要求5所述同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述两个窄线宽激光器均为半导体激光器或均为光纤激光器，且输出的波长均在C波段。

10.根据权利要求5所述同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述脉冲泵浦光的脉宽为10ns～100ns。

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