CN104677421B - 基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提供了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，包括光学发射系统、光纤传感系统、高光谱分辨扫描系统、光学滤波系统、数据采集系统和控制系统。本发明还公开了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法。本发明基于光纤布里渊散射作为温度和应变的载波，分布式传感温度和应变；利用窄带反射式可调谐布拉格光栅滤出光纤布里渊后向散射，利用腔长可调谐的法布里－帕罗干涉仪对光纤布里渊散射谱进行全光谱扫描，利用单光子技术探测光纤中后向布里渊散射信号；其结构简单、稳定性好，相比于相干探测，降低了信号检测和处理的难度和复杂性，提高了探测的距离分辨率和精度。

Description

基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法。

背景技术

基于布里渊散射的光纤传感技术具有连续分布式、长距离、高精度的测量特点，特别适用于如大型土木工程、光纤通信、石油化工、电力工业等大范围、长距离、高危险领域的结构健康监测。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有三大类：光时域方法、光频域方法和光相干域方法。光时域方法是利用窄脉冲的发射和接收时间差与光速乘积来定位散射信号的位置和距离，其可分为两大类：布里渊光时域分析仪(BOTDA)和布里渊光时域反射计(BOTDR)。BOTDA是在光纤两端分别输入脉冲光和连续探测光，通过调节两者的频率差使连续探测光经受激布里渊放大后的功率达到最大，寻找最大功率位置所对应的频率差便可得到布里渊频移。在BOTDR技术中，传感光纤在单端输入的脉冲光作用下产生自发后向布里渊散射光，通过对布里渊散射谱信号进行探测以反演光纤中的温度和应变信息。

BOTDR于1986年由Tkach等人提出。1992年Kurashima等人报道了第一个BOTDR实验系统，为了相干接收检测微弱的自发布里渊散射信号，采用了两个1320nm波长的Nd:YAG激光器分别提供脉冲泵浦光和本振光。该系统对于11km长的光纤获得了100m空间分辨率和3.6MHz的布里渊频移精度，对应温度和应变精度分别为3K和。1993年Shimizu等人提出了采用一个1.5μm波长激光源同时提供脉冲泵浦光和本振光光源的BOTDR。因BOTDR对应力、应变很敏感，且具有较好的线型关系，国际上一些机构，如日本NTT、加拿大ISIS、瑞士SMARTTECH等开展了大量BOTDR应变测量的应用研究，取得了良好效果。如日本的Kihara M.等人采用BOTDR系统监测河堤的塌陷位移。BOTDR技术可用于监测海底通信光纤光缆的应变，地震破坏的检测，确定冰冻通信光缆应变。BOTDR系统已开始应用于混凝土横梁，铁路桥基中混凝土墩的加载试 验、大型混凝土管、游艇艇体损伤探测、河流防洪堤混凝土结构的应变分布实验测量。

上述BOTDR采用相干检测及微弱信号处理技术。这不仅增加了信号检测和处理的难度和复杂性，影响测量精度，也使整个系统费用增加。

发明内容

光散射是一种常见的光与粒子作用而产生的现象。光纤中散射光包含瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射是最主要的散射现象，它主要由光纤制造过程中材料缺陷或密度波动导致的。拉曼散射是入射光和分子振动(光学声子)相互作用下产生的，拉曼散射光频率存在多普勒频移，当入射光波长在1550nm附近时，频移量约13THz。其能量大概比瑞利散射小约30dB。布里渊散射是入射光和介质声波(声学声子)相互作用下产生的，因此，散射光频率量与光纤中的声波速度有光。当入射光波长在1550nm附近时，频移量为11GHz左右。

参见图1，光纤中后向瑞利散射和后向布里渊散射关于入射光呈对称分布。其中，散射光中频率变大的部分称为反斯托克斯，频率变小的部分为斯托克斯。光纤中的后向布里渊散射强度较后向瑞利散射低20dB到30dB，布里渊散射与瑞利散射距约11.2GHz，布里渊散射谱的半高全宽在30MHz至60MHz之间。因此，为了从后向散射光中直接提取小频移量、线宽几十MHz的微弱布里渊散射信号，对滤波器滤波性能、鉴频器的鉴频精度和探测器性能要求严格。

相干检测中，必须通过频率扫描，同时检测布里渊散射的功率、谱宽、频移三个物理量中的任意两个，然后可以分别反演温度和应力信息。因为布里渊后向散射功率受多种因素干扰，研究认为使用熊猫型保偏光纤，同时检测布里渊散射谱的频移和谱宽变化可以达到布里渊光时域反射计技术的最高精度。

布里渊散射谱的频移是传感光纤所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为υ_B(T,ε)，且

式中，υ_B(T₀,0)＝11.2GHz作为参考温度T₀＝25℃，无应力状态ε＝0测得的布里渊散射谱的频率量，是传感光纤的布里渊频移的温度响应系数，且 是传感光纤的布里渊频移的应力响应系数，且

布里渊散射谱的谱宽是传感光纤所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为w_B(T,ε)，且

式中，w_B(T₀,0)＝35MHz作为参考温度T₀＝25℃，无应力状态ε＝0测得布里渊散射谱的频宽量，是传感光纤的布里渊频宽的温度响应系数，且 是传感光纤的布里渊频移的应力响应系数，且

本发明的发明人研究发现，能够采用高光谱分辨技术对布里渊散射谱进行全光谱扫描，通过布里渊谱的频移和谱宽信息反演传感光纤的温度和轴向应力信息。通过调节法布里－帕罗干涉仪控制器的输入电压可实现布里渊谱的扫描，输入电压改变使得法布里－帕罗干涉仪的腔长变化，频率增量Δυ和腔长增量Δl的关系为

式中，υ₀为入射光的频率；l为法布里－帕罗干涉仪的腔长；“-”号表示当要求频率上移时，法布里－帕罗干涉仪的腔长需要缩短。

利用高光谱技术扫描获到的谱线是布里渊散射谱、激光谱线和法布里－帕罗干涉仪透过率曲线三者的卷积，记为S(υ,T,ε)，可表示为

式中S_B(υ,T,ε)为后向布里渊散射谱；L(v)为激光谱；H(υ)为光纤法布里-帕罗干涉仪的透过率曲线。

布里渊散射谱S_B(υ,T,ε)表示为

S_B(υ,T,ε)＝w_B(T,ε)²/{4[υ-υ_B(T,ε)]²+w_B(T,ε)²}, (5)

激光谱线可表示为

式中Δυ_M＝δυ_l/(4ln2)^1/2为激光谱线1/e高度处的宽度；δυ_l为激光谱线的半高全宽。

光纤法布里-帕罗干涉仪的透过率函数计为H(υ)，其级数展开式为

式中T_pe为光纤法布里-帕罗干涉仪的峰值透过率；R_e为有效反射率；Δυ_FSR为自由谱间距；υ_c为透过率曲线的中心频率；θ₀最大发散角的一半。

通过高光谱分辨的频率扫描技术和单光子探测的直接检测技术获得传感光纤即待测光纤中的布里渊散射谱，根据布里渊散射谱的频移和谱宽的变化能够反演光纤中温度和应力变化。

根据以上原理，本发明提供了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法，包括光学发射系统、光纤传感系统、高光谱分辨扫描系统、光学滤波系统、数据采集系统和控制系统，其中，

所述光学发射系统用于输出激光脉冲；所述光纤传感系统用于将光学发射系统输出的激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将光纤的后向散射信号耦合到所述高光谱分辨扫描系统中；所述高光谱分辨扫描系统用于对光纤后向散射谱进行扫描，所述高光谱分辨扫描系统包括法布里-帕罗干涉仪；所述光学滤波系统用于滤除光纤端面反射信号、光纤瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取参考光纤和待测光纤中的布里渊后向散射信号；所述数据采集系统用于对参考光纤和待测光纤后向布里渊散射信号进行探测和采集，根据参考光纤中的已知温度和应变下的后向布里渊散射谱，及待测光纤的后向布里渊散射谱的谱宽和相对频移信息得到待测光纤中的温度和应变信息；所述光学发射系统、高光谱分辨扫描系统和数据采集系统的工作和数据交互均在所述控制系统的控制下完成。

优选地，还包括恒温箱；

具体地，所述光学发射系统包括激光器和声光调制器；

所述光纤传感系统包括第一环形器和参考光纤；

所述高光谱分辨扫描系统还包括起偏器和法布里－帕罗干涉仪控制器；

所述光学滤波系统包括第二环形器和布拉格光栅；

所述数据采集系统包括单光子探测器和采集卡；

所述控制系统包括任意函数发生器和计算机；

所述激光器输出的光辐射经过所述声光调制器后进入所述第一环形器的输入端，所述第一环形器的收发复用端与所述参考光纤连接，由所述第一环形器的输出端输出的光辐射依次经过所述起偏器、所述法布里－帕罗干涉仪后进入所述第二环形器的输入端，所述布拉格光栅设置在所述第二环形器的收发复用 端的出射光路中，所述第二环形器的输出端与所述单光子探测器和所述采集卡依次连接；

所述法布里－帕罗干涉仪控制器与所述法布里－帕罗干涉仪连接，用于控制所述法布里－帕罗干涉仪；

所述任意函数发生器分别与所述声光调制器、采集卡和单光子探测器连接，用于向所述声光调制器、采集卡和单光子探测器发送控制信号；

所述计算机分别与所述法布里－帕罗干涉仪控制器和采集卡连接，用于向所述法布里－帕罗干涉仪控制器发送控制信号、实现与所述采集卡的信号交互，以及对接收到的信号进行数据处理；

所述参考光纤与所述法布里－帕罗干涉仪放置于所述恒温箱中，所述参考光纤的尾纤用于连接待测光纤。

优选地，所述光学发射系统还包括依次设置于所述声光调制器和所述第一环形器组成的光路之间的放大器和隔离器。

优选地，所述激光器为光纤激光器，所述第一环形器和第二环形器均为光纤环形器，所述声光调制器为光纤声光调制器，所述起偏器为光纤起偏器，所述法布里－帕罗干涉仪为光纤法布里－帕罗干涉仪。

优选地，所述放大器为光纤放大器，所述隔离器为光纤隔离器。

优选地，为了提高探测效率，所述单光子探测器为上转换单光子探测器。

优选地，所述法布里－帕罗干涉仪控制器的电压调节精度为1μV，调节步长为1mV。所述法布里－帕罗干涉仪的自由谱间距为4.02GHz，精细度为43。

优选地，所述布拉格光栅为反射式布拉格光栅，其带宽(半高全宽)为8pm(1GHz)，中心波长为1548.18nm，反射率为99％。

优选地，所述参考光纤为熊猫型保偏光纤。

优选地，所述激光器的中心波长为光通信波段；所述恒温箱的控温精度为0.01K。

本发明还提供了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法，包括以下步骤：

步骤S1、输出激光脉冲；

步骤S2、将激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将参考光纤和待测光纤的后向散射信号耦合到高光谱分辨扫描系统中；

步骤S3、光纤后向散射信号经过法布里-帕罗干涉仪，并保持法布里-帕罗干涉仪的腔长不变；

步骤S4、滤除光纤端面反射信号、光纤瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取待测光纤的布里渊后向散射信号；

步骤S5、对参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射信号进行探测和采集；

步骤S6、重复步骤S1至S5累积信号，直至脉冲累计数达到预设值；

步骤S7、调节一次法布里-帕罗干涉仪的腔长，重复步骤S1至S6；

步骤S8、重复步骤S1至S7直至扫描获得光纤后向布里渊散射谱；

步骤S9、对单位距离内光纤后向布里渊散射谱进行拟合；

步骤S10、根据已知温度和应变下的后向布里渊散射谱信息，及传感光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，利用光纤中谱宽和频移与温度和应变的关系式，求出整根传感光纤内的温度和应变信息。

优选地，步骤S9包括：对单位距离内参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱进行最小二乘法拟合；

所述步骤S10包括：根据已知温度和应变下的参考光纤的后向布里渊散射谱信息，及待测光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，利用光纤中谱宽和频移与温度和应变的关系式，得到待测光纤内的温度和应变信息。

本发明是一种分布式传感光纤中的温度和应变的直接探测方法和装置。本发明利用光纤后向布里渊散射作为温度和应变的载波；利用窄带反射式可调谐布拉格光栅滤出光纤后向布里渊散射；利用腔长可调谐的法布里－帕罗干涉仪对光纤后向布里渊散射谱进行全光谱扫描；利用单光子技术探测光纤中后向布里渊散射信号；利用已知温度和应变条件下的光纤后向布里渊散射谱进行标定。

本发明的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法具有如下有益效果：

(1)根据光纤后向布里渊散射谱的频移和谱宽信息可同时反演温度和应变信息，相比现有的相干检测技术，有效解决了多个被测参数之间的交叉敏感问题。

(2)本发明装置采用光纤分布式传感的直接检测技术，通过光纤后向布里渊散射的全光谱扫描及单光子检测，提高了系统稳定性，降低了系统成本，提高了测量精度。

(3)本发明后期数据处理简单，无需大量复杂计算。

(4)采用高性能的上转换单光子探测器，相比于现有的铟镓砷单光子探测器或超导单光子探测器，其探测效率高，暗计数低，利于实现长距离、高信噪比和高动态范围的探测。

(5)采用反射式布拉格光栅，其带宽(半高全宽)为8pm(1GHz)，中心波长为1548.18nm，反射率为99％，可有效滤除强的光纤端面反射和光纤瑞利后向散射信号。

(6)采用控温精度为0.01K的恒温箱，通过温控有效地消除了环境温度对本发明中的法布里－帕罗干涉仪的影响；同时精确地标定了位于恒温箱中参考光纤的后向布里渊散射谱。

(7)采用任意函数发生器可实现激光器、探测器和采集卡之间的同步运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为光纤中后向瑞利散射和后向布里渊散射谱分布示意图。

图2为本发明实施例提供的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法的结构框图。

图3为本发明实施例提供的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法的工作时序图。

图4为本发明实施例提供的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法的实验测得的光纤中后向布里渊散射的分布图。

图5为本发明实施例提供的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法的实验测得的光纤中后向布里渊散射的另一个分布图。

图中：1-第一环形器，2-第二环形器，3-参考光纤，100-光学发射系统，200-光纤传感系统，300-高光谱分辨扫描系统，400-光学滤波系统，500-数据采集系统，600-控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参见图2，本发明实施例提供了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，包括光学发射系统100、光纤传感系统200、高光谱分辨扫描系统300、光学滤波系统400、数据采集系统500和控制系统600，其中，

所述光学发射系统100用于输出激光脉冲；所述光纤传感系统200用于将光学发射系统100输出的激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将光纤的后向散射信号耦合到所述高光谱分辨扫描系统300中；所述高光谱分辨扫描系统300用于对光纤后向散射谱进行扫描，所述高光谱分辨扫描系统300包括法布里-帕罗干涉仪；所述光学滤波系统400用于滤除光纤端面反射信号、光纤瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取参考光纤和待测光纤中的布里渊后向散射信号；所述数据采集系统500用于对参考光纤和待测光纤后向布里渊散射信号进行探测和采集，根据参考光纤中的已知温度和应变下的后向布里渊散射谱，及待测光纤的后向布里渊散射谱的谱宽和相对频移信息得到待测光纤中的温度和应变信息；所述光学发射系统100、高光谱分辨扫描系统300和数据采集系统500的工作和数据交互均在所述控制系统600的控制下完成。

优选地，还包括恒温箱；

具体地，所述光学发射系统100包括激光器和声光调制器；

所述光纤传感系统200包括第一环形器1和参考光纤3；

所述高光谱分辨扫描系统300还包括起偏器和法布里－帕罗干涉仪控制器；

所述光学滤波系统400包括第二环形器2和布拉格光栅；

所述数据采集系统500包括单光子探测器和采集卡；

所述控制系统600包括任意函数发生器和计算机；

所述激光器输出的光辐射经过所述声光调制器后进入所述第一环形器1的输入端，所述第一环形器1的收发复用端与所述参考光纤3连接，由所述第一环形器1的输出端输出的光辐射依次经过所述起偏器、所述法布里－帕罗干涉 仪后进入所述第二环形器2的输入端，所述布拉格光栅设置在所述第二环形器2的收发复用端的出射光路中，所述第二环形器2的输出端与所述单光子探测器和所述采集卡依次连接；

所述法布里－帕罗干涉仪控制器与所述法布里－帕罗干涉仪连接，用于控制所述法布里－帕罗干涉仪；

所述任意函数发生器分别与所述声光调制器、采集卡和单光子探测器连接，用于向所述声光调制器、采集卡和单光子探测器发送控制信号；

所述计算机分别与所述法布里－帕罗干涉仪控制器和采集卡连接，用于向所述法布里－帕罗干涉仪控制器发送控制信号、实现与所述采集卡的信号交互，以及对接收到的信号进行数据处理；

所述参考光纤3与所述法布里－帕罗干涉仪放置于所述恒温箱中，所述参考光纤3的尾纤用于连接待测光纤。

优选地，所述光学发射系统100还包括依次设置于所述声光调制器和所述第一环形器组成的光路之间的放大器和隔离器。

优选地，所述激光器为光纤激光器，所述第一环形器1和第二环形器2均为光纤环形器，所述声光调制器为光纤声光调制器，所述起偏器为光纤起偏器，所述法布里－帕罗干涉仪为光纤法布里－帕罗干涉仪。

优选地，所述放大器为光纤放大器，所述隔离器为光纤隔离器。

优选地，本发明中的光纤器件之间均采用熔接方式连接。

具体地，所述光纤激光器的输出尾纤与所述声光调制器的输入端连接，所述声光调制器的输出端与所述第一环形器1的输入端连接，所述第一环形器1的收发复用端与所述参考光纤3连接，所述第一环形器1的输出端与所述起偏器、光纤法布里－帕罗干涉仪、所述第二环形器2的输入端依次连接，所述第二环形器2的收发复用端与所述光纤布拉格光栅连接，所述第二环形器2的输出端与所述探测器和所述采集卡依次连接；

具体地，所述光纤放大器的入纤与所述声光调制器的输出端连接，所述光纤放大器的尾纤与所述隔离器的入纤连接，所述隔离器的尾纤与所述第一环形器1的输入端连接。

优选地，为了提高探测效率，所述单光子探测器为上转换单光子探测器，相比于现有的铟镓砷单光子探测器或超导单光子探测器，其探测效率高，暗计 数低，利于实现长距离、高信噪比和高动态范围的探测。

优选地，所述法布里－帕罗干涉仪控制器的电压调节精度为1μV，调节步长为1mV。该控制器可实现法布里－帕罗干涉仪KHz量级的频率扫描精度。所述法布里－帕罗干涉仪的自由谱间距为4.02GHz，精细度为43。

优选地，所述布拉格光栅为反射式布拉格光栅，其带宽(半高全宽)为8pm(1GHz)，中心波长为1548.18nm，反射率为99％。当工作波长为1550nm时线宽为998.3MHz，通过调节其中心波长，可滤除强的光纤端面反射和光纤后向瑞利散射信号。

相干检测中，必须通过频率扫描，同时检测布里渊散射的功率、谱宽、频移三个物理量中的任意两个，然后可以分别反演温度和应力信息。因为布里渊后向散射功率受多种因素干扰，研究认为使用熊猫型保偏光纤，同时检测布里渊散射谱的频移和谱宽变化可以达到布里渊光时域反射计技术的最高精度。优选地，所述参考光纤3为熊猫型保偏光纤。

优选地，所述激光器的中心波长为光通信波段。所述激光器的中心波长为1548.1nm，平均功率为48μW，脉冲宽度为300ns，重复频率为20KHz。

优选地，采用控温精度为0.01K的恒温箱，通过温控有效地消除了环境温度对本发明中的法布里－帕罗干涉仪的影响；同时精确地标定了位于恒温箱中参考光纤3的后向布里渊散射谱。

优选地，光纤放大器出射的激光中心波长为1548.1nm，最大功率为2.2W。

起偏器保证信号入射到法布里－帕罗干涉仪时为单一偏振光。

计算机与法布里－帕罗干涉仪控制器采用串口连接，计算机与采集卡采用USB AMTO min USB连接线连接。通过计算机程序控制法布里－帕罗干涉仪控制器的电压扫描间隔、扫描步数、扫描起始电压、每个扫描位置的累计脉冲数，及其控制采集卡的采集的距离和采集的精度。

本发明还提供了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法，包括以下步骤：

步骤S1、输出激光脉冲；

步骤S2、将激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将参考光纤和待测光纤的后向散射信号耦合到高光谱分辨扫描系统中；

步骤S3、光纤后向散射信号经过法布里-帕罗干涉仪，并保持法布里-帕罗 干涉仪的腔长不变；

步骤S4、滤除光纤端面反射信号、光纤瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取待测光纤的布里渊后向散射信号；

步骤S5、对参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射信号进行探测和采集；

步骤S6、重复步骤S1至S5累积信号，直至脉冲累计数达到预设值；

步骤S7、调节一次法布里-帕罗干涉仪的腔长，重复步骤S1至S6；

步骤S8、重复步骤S1至S7直至扫描获得光纤后向布里渊散射谱；

步骤S9、对单位距离内光纤后向布里渊散射谱进行拟合；

步骤S10、根据已知温度和应变下的后向布里渊散射谱信息，及传感光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，利用光纤中谱宽和频移与温度和应变的关系式，求出整根传感光纤内的温度和应变信息。

优选地，步骤S9包括：对单位距离内参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱进行最小二乘法拟合；

所述步骤S10包括：根据已知温度和应变下的参考光纤的后向布里渊散射谱信息，及待测光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，利用光纤中谱宽和频移与温度和应变的关系式，得到待测光纤内的温度和应变信息。

参见图3，从上往下分别为激光器触发信号、激光脉冲出射、探测器使能信号、采集卡使能信号和采集的布里渊后向散射信号。本发明中，采用任意函数发生器可实现激光器、探测器和采集卡之间的同步运行。

本发明的原理如下：

参见图1，光纤中后向瑞利散射和后向布里渊散射关于入射光呈对称分布。其中，散射光中频率变大的部分称为反斯托克斯，频率变小的部分为斯托克斯。光纤中的后向布里渊散射强度较后向瑞利散射低20dB到30dB，布里渊散射与瑞利散射距约11.2GHz，布里渊散射谱的半高全宽在30MHz至60MHz之间。因此，为了从后向散射光中直接提取小频移量、线宽几十MHz的微弱布里渊散射信号，对滤波器滤波性能、鉴频器的鉴频精度和探测器性能要求严格。

相干检测中，必须通过频率扫描，同时检测布里渊散射的功率、谱宽、频移三个物理量中的任意两个，然后可以分别反演温度和应力信息。因为布里渊后向散射功率受多种因素干扰，研究认为使用熊猫型保偏光纤，同时检测布里渊散射谱的频移和谱宽变化可以达到布里渊光时域反射计技术的最高精度。

布里渊散射谱的频移是传感光纤所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为υ_B(T,ε)，且

式中，υ_B(T₀,0)＝11.2GHz作为参考温度T₀＝25℃，无应力状态ε＝0测得的布里渊散射谱的频率量，是传感光纤的布里渊频移的温度响应系数，且 是传感光纤的布里渊频移的应力响应系数，且

布里渊散射谱的谱宽是传感光纤所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为w_B(T,ε)，且

式中，w_B(T₀,0)＝35MHz作为参考温度T₀＝25℃，无应力状态ε＝0测得布里渊散射谱的频宽量，是传感光纤的布里渊频宽的温度响应系数，且 是传感光纤的布里渊频移的应力响应系数，且

本发明的发明人研究发现，能够采用高光谱分辨技术对布里渊散射谱进行全光谱扫描，通过布里渊谱的频移和谱宽信息反演传感光纤即待测光纤的温度和轴向应力信息。通过调节法布里－帕罗干涉仪控制器的输入电压可实现布里渊谱的扫描，输入电压改变使得法布里－帕罗干涉仪的腔长变化，频率增量Δυ和腔长增量Δl的关系为

式中，υ₀为入射光的频率；l为法布里－帕罗干涉仪的腔长；“-”号表示当要求频率上移时，法布里－帕罗干涉仪的腔长需要缩短。

利用高光谱技术扫描获到的谱线是布里渊散射谱、激光谱线和法布里－帕罗干涉仪透过率曲线三者的卷积，记为S(υ,T,ε)，可表示为

式中S_B(υ,T,ε)为后向布里渊散射谱；L(v)为激光谱；H(υ)为光纤法布里-帕罗干涉仪的透过率曲线。

布里渊散射谱S_B(υ,T,ε)表示为

S_B(υ,T,ε)＝w_B(T,ε)²/{4[υ-υ_B(T,ε)]²+w_B(T,ε)²}, (5)

激光谱线可表示为

式中Δυ_M＝δυ_l/(4ln2)^1/2为激光谱线1/e高度处的宽度；δυ_l为激光谱线的半高全宽。

光纤法布里-帕罗干涉仪的透过率函数计为H(υ)，其级数展开式为

式中T_pe为光纤法布里-帕罗干涉仪的峰值透过率；R_e为有效反射率；Δυ_FSR为自由谱间距；υ_c为透过率曲线的中心频率；θ₀最大发散角的一半。

参见图4，本发明中，利用基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法获得的300米参考光纤3和10km传感光纤即待测光纤中的布里渊散射谱分布。其中，参考光纤3放置于恒温箱中，恒温箱处的温度T＝29℃，应力ε＝0，传感光纤放置于室温中，室温温度T＝23℃。

参见图5，取图4中的一段，即取扫描获得的300米参考光纤3和900m待测光纤中的布里渊散射谱分布来观察，利用该发明扫描获得的布里渊散射谱线信噪比高，温度对光纤后向布里渊散射频移的影响显著，利用该谱线可进一步反演光纤中温度和应力信息。

最后，将基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法获得布里渊散射谱，利用式(4)进行最小二乘法拟合，通过获得的每个布里渊谱中的υ_B(T,ε)和w_B(T,ε)信息，根据式(1)和式(2)反演待测光纤中的温度T和应力ε。

本发明的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置具有如下有益效果：

(1)根据光纤后向布里渊散射谱的频移和谱宽信息可同时反演温度和应变信息，相比现有的相干检测技术，有效解决了多个被测参数之间的交叉敏感问题。

(2)本发明装置采用光纤分布式传感的直接检测技术，通过光纤后向布里渊散射的全光谱扫描及单光子检测，提高了系统稳定性，降低了系统成本，提高了测量精度。

(3)本发明后期数据处理简单，无需大量复杂计算。

(4)采用高性能的上转换单光子探测器，相比于现有的铟镓砷单光子探测器或超导单光子探测器，其探测效率高，暗计数低，利于实现长距离、高信噪 比和高动态范围的探测。

(5)采用反射式布拉格光栅，其带宽(半高全宽)为8pm(1GHz)，中心波长为1548.18nm，反射率为99％，可有效滤除强的光纤端面反射和光纤瑞利后向散射信号。

(6)采用控温精度为0.01K的恒温箱，通过温控有效地消除了环境温度对本发明中的法布里－帕罗干涉仪的影响；同时精确地标定了位于恒温箱中参考光纤的后向布里渊散射谱。

(7)采用任意函数发生器可实现激光器、单光子探测器和采集卡之间的同步运行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，包括光学发射系统(100)、光纤传感系统(200)、高光谱分辨扫描系统(300)、光学滤波系统(400)、数据采集系统(500)和控制系统(600)，其中，

所述光学发射系统(100)用于输出激光脉冲；所述光纤传感系统(200)用于将光学发射系统(100)输出的激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将光纤的后向散射信号耦合到所述高光谱分辨扫描系统(300)中；所述高光谱分辨扫描系统(300)用于对光纤后向散射谱进行扫描，所述高光谱分辨扫描系统(300)包括法布里-帕罗干涉仪；所述光学滤波系统(400)用于滤除光纤端面反射信号、光纤瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取参考光纤和待测光纤中的布里渊后向散射信号；所述数据采集系统(500)用于对参考光纤和待测光纤后向布里渊散射信号进行探测和采集，根据参考光纤中的已知温度和应变下的后向布里渊散射谱，及待测光纤的后向布里渊散射谱的谱宽和相对频移信息得到待测光纤中的温度和应变信息；所述光学发射系统(100)、高光谱分辨扫描系统(300)和数据采集系统(500)的工作和数据交互均在所述控制系统(600)的控制下完成；

还包括恒温箱；

所述光学发射系统(100)包括激光器和声光调制器；

所述光纤传感系统(200)包括第一环形器(1)和参考光纤(3)；

所述高光谱分辨扫描系统(300)还包括起偏器和法布里－帕罗干涉仪控制器；

所述光学滤波系统(400)包括第二环形器(2)和布拉格光栅；

所述数据采集系统(500)包括单光子探测器和采集卡；

所述控制系统(600)包括任意函数发生器和计算机；

所述激光器输出的光辐射经过所述声光调制器后进入所述第一环形器(1)的输入端，所述第一环形器(1)的收发复用端与所述参考光纤(3)连接，由所述第一环形器(1)的输出端输出的光辐射依次经过所述起偏器、所述法布里－帕罗干涉仪后进入所述第二环形器(2)的输入端，所述布拉格光栅设置在所述第二环形器(2)的收发复用端的出射光路中，所述第二环形器(2)的输出端与所述单光子探测器和所述采集卡依次连接；

所述法布里－帕罗干涉仪控制器与所述法布里－帕罗干涉仪连接，用于控制所述法布里－帕罗干涉仪；

所述任意函数发生器分别与所述声光调制器、采集卡和单光子探测器连接，用于向所述声光调制器、采集卡和单光子探测器发送控制信号；

所述计算机分别与所述法布里－帕罗干涉仪控制器和采集卡连接，用于向所述法布里－帕罗干涉仪控制器发送控制信号、实现与所述采集卡的信号交互，以及对接收到的信号进行数据处理；

所述参考光纤(3)与所述法布里－帕罗干涉仪放置于所述恒温箱中，所述参考光纤(3)的尾纤用于连接待测光纤。

2.根据权利要求1所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，所述光学发射系统(100)还包括放大器和隔离器，所述放大器设置于所述声光调制器和所述第一环形器(1)组成的光路之间，所述隔离器设置于所述放大器和所述第一环形器(1)组成的光路之间。

3.根据权利要求2所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，所述第一环形器(1)和第二环形器(2)均为光纤环形器，所述声光调制器为光纤声光调制器，所述起偏器为光纤起偏器，所述法布里－帕罗干涉仪为光纤法布里－帕罗干涉仪，所述放大器为光纤放大器，所述隔离器为光纤隔离器。

4.根据权利要求1或3所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，所述法布里－帕罗干涉仪控制器的电压调节精度为1μV，调节步长为1mV；所述法布里－帕罗干涉仪的自由谱间距为4.02GHz，精细度为43，所述单光子探测器为上转换单光子探测器。

5.根据权利要求4所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，所述布拉格光栅为反射式布拉格光栅，其带宽为8pm，中心波长为1548.18nm，反射率为99％。

6.根据权利要求1所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，所述激光器的中心波长为光通信波段。

7.根据权利要求6所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，所述参考光纤(3)为熊猫型保偏光纤，所述恒温箱的控温精度为0.01K。

8.基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、输出激光脉冲；

步骤S2、将激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将参考光纤和待测光纤的后向散射信号耦合到高光谱分辨扫描系统中；

步骤S3、参考光纤和待测光纤的后向散射信号经过法布里-帕罗干涉仪，并保持法布里-帕罗干涉仪的腔长不变；

步骤S4、滤除参考光纤和待测光纤的端面反射信号、瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取待测光纤的布里渊后向散射信号；

步骤S5、对参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射信号进行探测和采集；

步骤S6、重复步骤S1至S5累积信号，直至脉冲累计数达到预设值；

步骤S7、调节一次法布里-帕罗干涉仪的腔长，重复步骤S1至S6；

步骤S8、重复步骤S1至S7直至扫描获得参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱；

步骤S9、对单位距离内参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱进行拟合；

步骤S10、根据已知温度和应变下的参考光纤的后向布里渊散射谱信息，及待测光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，得到待测光纤内的温度和应变信息。

9.根据权利要求8所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法，其特征在于，

步骤S9包括：对单位距离内参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱进行最小二乘法拟合；

所述步骤S10包括：根据已知温度和应变下的参考光纤的后向布里渊散射谱信息，及待测光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，利用光纤中谱宽和频移与温度和应变的关系式，得到待测光纤内的温度和应变信息。