CN104180833A - 温度和应变同时传感的光时域反射计 - Google Patents

Abstract

一种温度和应变同时传感的光时域反射计，该系统基于瑞利和布里渊散射光的并行检测，由多波长激光光源、光脉冲调制器、平衡探测器、微波放大器、高速数据采集卡、耦合器、环形器等器件构成。本发明中将多波长激光光源各波长之间的频率间隔设置在9～12GHz范围内，与光纤中的布里渊散射光的频移量相当，使用外差相干检测方法，并行检测瑞利和布里渊散射谱，通过Landau-Placzek比(LPR)与布里渊频移分布对温度和应变信息进行解调，同时降低了相干瑞利噪声，散射谱的叠加提高了散射光的信噪比。本发明可以实现分布式光纤传感系统对温度和应变的同时传感，提升了散射光信噪比，提高了传感精度和距离。

Description

温度和应变同时传感的光时域反射计

技术领域

本发明涉及光纤布里渊光时域反射计，特别是一种温度和应变同时传感的光时域反射计。

背景技术

布里渊光时域反射计是一种基于布里渊散射的新型分布式光纤传感技术，具有可测量多个物理参量(如温度、应变、线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，能够对沿光纤线路范围内的温度和应变变化进行远程监测。这种分布式光纤传感器在很多大型结构，如管道、近海石油平台、油井、堤坝、桥梁、隧道、电缆等方面得到了广泛的关注。布里渊散射光的频移与幅值都与温度和应变线性相关，但由于受到偏振衰落等因素的影响幅值稳定性不高，且布里渊散射光幅值对温度和应变的敏感特性低，不足以实现温度和应变的同时解耦及高精度解调。

1986年Tkach等人首先提出BOTDR技术，该技术提高了分布式光纤传感技术的感知距离。由于自发布里渊散射信号的强度非常微弱，且和入射光之间的频率差为11GHz，难以用探测器直接接收，所以一般采用相干外差检测的方法。自发布里渊散射信号十分微弱，导致相干外差检测得到的信号信噪比仍然比较低，不利于温度和应变的精确感知，虽然理论上可以通过自发布里渊散射光同时对温度和应变进行传感，但由于散射光信噪比、相干瑞利噪声等因素的影响导致传感精度非常低。在常用的BOTDR方案中，一般使用的是窄线宽的单频激光器，这样的激光注入到长距离的光纤中，容易产生受激布里渊散射，因此注入光功率不会很高，且产生的相干瑞利噪声较大，对信噪比有进一步的限制。

在对温度与应变同时解调的诸多方案中，有利用拉曼和布里渊并行检测的方案，但都是通过对拉曼和布里渊的光功率进行直接测量再进行Landau-Placzek比(LPR)求取，如此需要另外加入宽带光源以及测试装置，在传感系统结构变得复杂的同时也使得测试时间变长。

在文献一【Gabriele Bolognini，Marcelo A.Soto,and Fabrizio Di Pasquale，Fiber-Optic Distributed Sensor Based on Hybrid Raman and Brillouin ScatteringEmploying Multiwavelength Fabry–Pérot Lasers[J].IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS，2009,21(20)：1523-1525】中提出通过同时检测自发拉曼和布里渊散射光从而对温度和应变分布进行同时解调，并在方案中使用多波长FP激光器以增强布里渊散射谱的信噪比。该方案在一定距离内得到了温度和应变分布信息，但由于拉曼散射本身的特性难以远距离感知。

在先技术【路元刚，李存磊，张旭苹，基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，专利申请号：201210040047.1】提出使用多波长激光光源注入光纤中产生的散射光与本地移频光拍频得到布里渊散射谱，进而得到温度或应变分布。该方案通过散射谱的多次叠加提高了布里渊散射谱的信噪比，但没有涉及到瑞利散射信号检测以及对相干瑞利噪声的进一步降低，也没有涉及利用LPR进行温度应变的分离和同时感知。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明提出温度和应变同时传感的光时域反射计，该光时域反射计可以实现分布式光纤传感系统对温度和应变的同时传感，提升了散射光信噪比，提高了传感精度和距离。

本发明的技术解决方案如下：

一种温度和应变同时传感的光时域反射计，其特点在于该装置包括多波长激光光源、第一耦合器、光脉冲调制模块、环形器、扰偏器、第二耦合器、双平衡探测器、数据采集与处理系统和传感光纤，所述的多波长激光光源发出的光经第一耦合器分为两束光：一束光经光脉冲调制模块调制成脉冲光后通过所述的环形器注入到所述的传感光纤中，从所述的传感光纤反射回来的背向散射光再经过环形器的3端口输出；另一束光经所述的扰偏器进行偏振扰动后输出，与经所述的环形器传输回来的散射光一起进入第二耦合器进行相干拍频，该拍频光信号由所述的双平衡探测器接收转换为电信号后传输到所述的数据采集与处理系统。

所述的多波长激光光源的频率间隔为9～12GHz。

所述的多波长光源的每个波长的线宽一致，且单波长的线宽为MHz量级以内。

该多波长激光也作为本地参考光与散射光信号进行相干拍频，得到较低频带的拍频频谱，无需进行宽带移频；

对多波长激光光源使用具有一定频移的脉冲调制器进行脉冲调制并注入待传感光纤，声光调制器的移频量决定探测器得到的瑞利散射谱的频移。

对瑞利和布里渊散射信号进行并行检测解调，且可用较低频带的平衡探测器探测接收，受相干瑞利噪声影响小。

本发明的具体原理如下：

多波长激光注入到光纤中，因为等效线宽要大得多，受激布里渊散射阈值的光功率会提高很多，注入光纤中的激光功率得到增强，同时也大大地降低了相干瑞利噪声，另外多个波长产生的散射光信号经相干拍频后在光电探测接收端能够实现频谱叠加，如此可以增强散射谱信号强度，减少数据采集处理工程中的平均次数，提高系统运行速度。而特定间隔多波长光源的使用，在实现上述功能的同时，也能同时得到瑞利散射谱和布里渊的散射谱，以实现温度应变的同时解调。

注入光纤的脉冲光为间隔为9～12GHz的多波长激光，会产生等波长间隔的布里渊散射光和瑞利散射光，波长间隔均与注入的多波长激光的间隔相等，多波长光源同时也分束一部分作为本地参考光与散射光进行相干拍频，即为两种波长间隔相同的散射光与另一个同样间隔的本地参考光进行拍频，得到的散射谱会在较低频段实现叠加，同时实现了信噪比提高和低频段移频探测。如此可得到高信噪比的瑞利散射信号和布里渊散射信号，文献二【P.C.Wait and T.P.Newson.Landau Placzek RatioApplied to Distributed Fibre Sensing[J].Optics Communications,1996,122(4-6):141-146】指出，通过布里渊散射信号和瑞利散射信号的强度之比(LPR)可以解调出温度信息，即

$\mathrm{LPR}=\frac{I_B}{I_R}=\frac{T}{T_F(\mathrm{\ρ}{V}_A^2{B}_T-1)},---\left(1\right)$

式中T_F为标定温度，ρ为材料密度，B_T为标定温度T_F下的等温压缩率，V_A为声学声子的速率，均为定值，I_B为布里渊散射光强度，I_R为瑞利散射光强度，T为温度。由(1)式可知，通过对LPR值的求解可以解调出温度信息。

布里渊频移与温度和应变成线性关系，即

Δν_B＝C_ν,TΔT+C_ν,εε   (2)

式中Δν_B为布里渊频移，C_ν,T和C_ν,ε为温度变化和应变变化系数且均为常数，ΔT和ε分别为温度和应变变化量，通过LPR分布得到光纤沿线的温度分布之后，将既得的温度和布里渊频移代入(2)式中即可得到应变分布。

在光时域反射计系统中，相干瑞利噪声会降低散射光信噪比，影响探测精度，而该噪声与入射光谱的线宽相关，线宽越宽则噪声越低。相比于窄线宽单频激光器，本发明中使用的多波长激光的线宽要大得多，因而可以降低相干瑞利噪声的影响。

附图说明

图1是本发明温度和应变同时传感的光时域反射计的基本结构框图。

图2是本发明的波长分布原理示意图。

图3是本发明实施例1的系统结构示意图。

图4是本发明实施例2的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，根据本发明的思想，可以采用若干实施方法，如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案不局限于此。

先请参阅图1，图1是本发明温度和应变同时传感的光时域反射计的基本结构框图，由图可见，本发明温度和应变同时传感的光时域反射计包括多波长激光光源1、第一耦合器2、光脉冲调制模块3、环形器4、扰偏器5、第二耦合器6、双平衡探测器7、数据采集与处理系统8以及传感光纤9，上述器件的连接关系如下：多波长激光光源1发出的光经第一耦合器2分为两束：一束光经光脉冲调制模块3调制成脉冲后通过环形器4注入到传感光纤9中，反射回来的背向散射光再经过环形器3端口输出；另一束多波长激光经扰偏器5进行偏振扰动，与经环形器4传输回来的散射光一起进入第二耦合器6进行相干拍频，拍频光信号由双平衡探测器7接收转换为电信号后传输到数据采集与处理系统8进行采集处理，从而获得沿光纤分布的瑞利和布里渊散射谱，以解调出温度和应变信息。中心频率为υ₀、各波长之间频率间隔为Δυ的多波长激光光源，在用光脉冲调制模块进行脉冲调制的同时也对光源进行偏移量为υ_A的移频，注入传感光纤后，产生的背向散射光包括多波长的瑞利散射光和布里渊散射光，如图2所示，其中瑞利散射光频率包括：

υ₀+υ_A-nΔυ、υ₀+υ_A-(n-1)Δυ、…、υ₀+υ_A、…、υ₀+υ_A+(n-1)Δυ、υ₀+υ_A+nΔυ，

布里渊散射光频率包括：

υ₀+υ_A-nΔυ-υ_B、υ₀+υ_A-(n-1)Δυ-υ_B、…、υ₀+υ_A-υ_B、…、υ₀+υ_A+(n-1)Δυ-υ_B、υ₀+υ_A+nΔυ-υ_B，

而本地参考光的波长有：

υ₀-nΔυ、υ₀-(n-1)Δυ、…、υ₀、…、υ₀+(n-1)Δυ、υ₀+nΔυ。

瑞利散射光与本地参考光相干拍频得到中心频率为υ_A的拍频信号；光源每个波长产生的布里渊散射光与其相邻的波长进行相干拍频得到中心频率为υ_A+Δυ-υ_B、带宽为30～40MHz的拍频信号，本发明中将Δυ设置在9～12GHz范围内，与υ_B相近，通过调谐Δυ可使得中心频率υ_A+Δυ-υ_B在较低频段，可被频宽较低的双平衡探测器接收。双平衡探测器接收到的信号，相当于2n+1个单波长探测信号的叠加。通过同时得到高信噪比的瑞利和布里渊散射谱，可以对温度和应变分布同时传感。

实施例1

如图3所示，利用电光调制器进行多波长调制，窄线宽激光器(11)发出1550nm附近的激光，经由压控振荡器12调制的电光调制器13产生间隔9～11GHz的幅值平坦的多波长激光，多波长激光经第一耦合器2分为两束，一束光经由脉冲信号发生器31控制的声光调制器32调制成脉冲，光脉冲由掺铒光纤放大器33放大后注入环形器4的1端口，然后从环形器4的2端口输出到传感光纤9中，在传感光纤9中产生的背向散射光返回，再经过环形器4的3端口输出。另一束多波长连续激光经扰偏器5扰偏后输出，与经环形器4的3端口输出的散射光一起进入50:50的第二耦合器6进行相干拍频，拍频光信号由双平衡探测器71接收转换为电信号后由微波放大器72放大并传输到高速数据采集卡81及数据处理系统82，对时域信号按空间分辨率分段后进行傅里叶变换，获得沿光纤分布的瑞利和布里渊散射谱，通过二者的幅值比得到温度信息，再利用既得温度和布里渊频移解调出应变信息。本实例中声光调制器的移频量为160MHz，则得到的瑞利散射谱中心频率为160MHz，但不限于160MHz；多波长间隔为9～12GHz，根据其间隔的变化，可以实现瑞利散射谱中心频率的调谐，由压控振荡器12的输出射频信号频率控制。因此800MHz带宽的双平衡探测器71能够同时探测到瑞利和布里渊的拍频信号，经一定倍数放大后采集并处理，得到二者的散射谱，其幅值比即为LPR值，可以解调出光纤中的温度分布，根据已得的温度分布及布里渊散射谱中心频率的变化可以解调出光纤中的应变分布，从而实现温度应变的同时解调。

实施例2，

如图4所示，窄线宽激光器11发出1550nm波段的激光，经由压控振荡器12调制的相位调制器13产生间隔9～12GHz的幅值平坦的多波长激光，该多波长激光经第一耦合器2分为两束光：一束多波长连续激光经由脉冲信号发生器31控制的声光调制器32调制成脉冲，光脉冲由掺铒光纤放大器33放大后注入环形器4的1端口，从环形器4的2端口注入到传感光纤9中，产生背向散射光，再经过环形器4的3端口输出。另一束多波长连续激光经扰偏器5扰偏后，与经环形器4的3端口输出的散射光一起进入50:50的第二耦合器6进行相干拍频，拍频光信号由双平衡探测器71接收转换为电信号后分为两部分：一部分直接传输到双通道高速数据采集卡81的1通道，另一部分经高通滤波器72滤波后由微波放大器73放大并传输到双通道高速数据采集卡81的2通道，数据处理系统82对两个通道的电压信号分别进行分析，分别得到布里渊散射光和瑞利散射光与本地光的拍频频谱，二者的幅值比即为LPR值，可以解调出光纤中的温度分布，根据已得的温度分布及布里渊散射谱中心频率的变化可以解调出光纤中的应变分布，从而实现温度应变的同时解调。

以上方案均可以进行多种拓展或变形，限于篇幅不再赘述，但均属于该专利。

Claims (8)

1.一种温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于该装置包括多波长激光光源(1)、第一耦合器(2)、光脉冲调制模块(3)、环形器(4)、扰偏器(5)、第二耦合器(6)、双平衡探测器(7)、数据采集与处理系统(8)和传感光纤(9)，所述的多波长激光光源(1)发出的光经第一耦合器(2)分为两束光：一束光经光脉冲调制模块(3)调制成脉冲光后通过所述的环形器(4)注入到所述的传感光纤(9)中，从所述的传感光纤(9)反射回来的背向散射光再经过环形器的3端口输出；另一束光经所述的扰偏器(5)进行偏振扰动后输出，与经所述的环形器(4)传输回来的散射光一起进入第二耦合器(6)进行相干拍频，该拍频光信号由所述的双平衡探测器(7)接收转换为电信号后传输到所述的数据采集与处理系统(8)。

2.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于所述的多波长激光光源(1)的频率间隔为9～12GHz。

3.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于多波长光源的每个波长的线宽一致，且单波长的线宽为MHz量级以内。

4.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于所述的多波长激光光源(1)由窄线宽激光器(11)发出1550nm的激光，经由压控振荡器(12)调制的电光调制器(13)产生间隔9～11GHz的幅值平坦的多波长激光。

5.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于所述的光脉冲调制模块(3)由脉冲信号发生器(31)控制的声光调制器(32)和掺铒光纤放大器(33)构成。

6.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于所述的双平衡探测器(7)由双平衡探测器(71)和微波放大器(72)构成。

7.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于所述的数据采集与处理系统(8)由高速数据采集卡(81)和数据处理系统(82)构成。

8.根据权利要求1所述的温度和应变同时传感的光时域反射计，其特征在于所述的双平衡探测器(71)接收转换为电信号后分为两部分：一部分直接传输到双通道高速数据采集卡(81)的第一通道，另一部分经高通滤波器(72)滤波后由微波放大器(73)放大并传输到双通道高速数据采集卡(81)的第二通道，送往所述的数据处理系统(82)。