CN104729751A - 一种基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器，包括窄线宽光源，脉冲调制器，掺铒光纤放大器，3*3耦合器，传感光纤1、传感光纤2及传感光纤3，检测单元。其中，窄线宽光源发出的激光经过脉冲调制和功率放大之后作为入射光，入射光经过耦合器分束之后分别入射至传感光纤1、传感光纤2和传感光纤3.三路铺设在一起的传感光纤中的背向布里渊散射光在耦合器处合束，并经过光电转换生成拍频布里渊信号。通过探测具有多峰特性的拍频布里渊信号频移，我们可以探测传感光纤所处环境的温度与应力信息。本发明在不引入本振光移频器件的前提下，通过多路传感光纤的拍频，降低了检测单元中所需要的光电探测带宽，降低了成本和系统复杂度。同时，利用多峰信号的温度与应力系数不一致，可以分辨温度和应力的作用。

Description

一种基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体说，涉及一种基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器。

背景技术

基于布里渊散射的分布式光纤温度与应力传感器通过检测传感光纤各处的背向自发布里渊散射光或者受激布里渊散射光相对于入射光的频率偏移，即布里渊频移，来探测散射发生位置的温度和／或应力。相对与其他温度与应力传感器而言，其具备的显著优点是可以对所处环境进行分布式测量，即可以测出光纤沿线的温度和／或应力分布。因此能够广泛应用于大型结构的监测中，比如管道、桥梁等。

布里渊频移可以表示为

ν_B=2nv_A／λ  公式(1)

其中n是传感光纤有效折射率，v_A和λ分别是传感光纤中声速与入射光波长。

探测布里渊频移一般使用相干探测的方式。由于布里渊频移在11GHz左右，经过本振光相干之后，一般采用带宽大于10GHz的高速光电转换器进行探测：也可以预先对本振光进行频移，频移的方式可以是声光调制器，电光调制器，布里渊激光器等。这样，可以在百MHz量级探测到布里渊频移。

当传感光纤所处环境某处的温度或者应力发生变化时，布里渊频率偏移会相应地线性变化，它可以表示为

Δν_B(T，ε)=C_TΔT+C_εΔε  公式(2)

其中C_T和C_ε分别是布里渊频移关于温度和应力变化的响应系数。

由于布里渊频移与温度和应力两物理量同时敏感，且均线性相关，因此在应用中面临交叉敏感问题，即只通过布里渊频移无法分离温度和应力各自的影响。要解决此问题，势必要引入第二个物理参量。目前，被用作第二个物理参量的主要有：

1)散射光功率。这类方法同时测量散射光的功率和布里渊频移，然后测得温度和应力变化量。但是，散射光功率容易受外界干扰，因此测量准确的受到了很大的影响;

2)Landau-Placzek比例.Landau-Placzek比例定义为布里渊散射光强度和瑞利散射光强度的比值。通过计算Landau-Placzek比例，可以得到温度的变化量。但是，由于需要引入瑞利散射光的强度，此方法不仅提高了系统复杂度，也在测量范围上受到限制；

3)特种光纤。通过光子晶体光纤等特种光纤的不同声学导模特性产生多峰的布里渊散射光信号，并利用多峰信号的频移确定温度和应力的变化。

以上这些解决温度与应力交叉敏感的方法均面临结构复杂、成本高昂的问题。同时，为了探测布里渊频移，结构中也需要引入高速光电转换器件或者频移器件。因此，成本高昂和结构复杂制约了温度和应力传感的工程应用。

发明内容

本发明要解决的问题是，针对现有基于布里渊散射分布式光纤温度与应力传感器中所存在的结构复杂、成本较高的问题，提出一种低成本、易实现的基于布里渊散射的分布式光纤传感器，并可以同时区分温度和应力的作用。

为了实现上述目的，本发明提供一种布里渊散射分布式光纤温度与传感器，其包括光源，脉冲调制器，掺铒光纤放大器，耦合器，铺设在一起的传感光纤1、传感光纤2与传感光纤3，以及检测单元。

优选的，光源可以为窄线宽激光器。

优选的，该结构中的脉冲调制器可以为声光调制器或者电光调制器。脉冲调制器将入射光调制为有一定间隔的矩形脉冲信号。调制脉冲信号的重复频率决定了传感范围，脉冲信号的脉宽决定了传感分辨率。

优选的，所述的耦合器为3*3耦合器，分光比为均匀分光.

光源发出的激光经过脉冲调制和掺铒光纤放大器放大之后作为入射光，经经过耦合器分成3路探测光分别进入3路传感光纤。传感光纤中均会产生包含温度与应力信息的背向布里渊散射光。3路背向散射光在耦合器处合束并耦合至检测单元。

由于光纤纤芯中的掺杂以及光纤纤芯直径差异，不同的传感光纤具有不同的布里渊频移。多路传感光纤的布里渊背向散射光合束后经过检测单元，能够生成在频域上具有多峰特性的拍频布里渊信号。比如说，传感光纤1和传感光纤2的拍频布里渊信号频移为

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\ν}}_B^{12}=({\mathrm{\ν}}_{B1,\mathrm{ref}}-{\mathrm{\ν}}_{B2,\mathrm{ref}})+(C_T^1-C_T^2)(T-T_{\mathrm{ref}})+(C_{\mathrm{\ϵ}}^1-C_{\mathrm{\ϵ}}^2)(\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ref}})$ 公式(3)

又因为不同的传感光纤具有不同的温度、应力系数，当外界温度和应力发生变化时，拍频布里渊信号频移亦产生线性变化。变动值为

$\mathrm{\Δ\δ}{\mathrm{\ν}}_B^{\mathrm{ij}}=(C_T^i-C_T^j)\mathrm{\ΔT}+(C_{\mathrm{\ϵ}}^i-C_{\mathrm{\ϵ}}^j)\mathrm{\Δ\ϵ}$ 公式(4)

其中i和j为传感光纤序号。那么，温度系数和应力系数不同的传感光纤所生成的多峰的拍频布里渊信号频移可以作为多维物理量，实现温度和应力作用的分辨：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ν}}_{B\_\mathrm{beat}1}\\ \mathrm{\Δ}{v}_{B\_\mathrm{beat}2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^1& C_{T,\mathrm{\ν}}^1\\ C_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^2& C_{T,\mathrm{\ν}}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]$ 公式(5)

优选的，该结构中的检测单元包括光电转换器和电频谱分析仪。光电转换器将光信号转换为电信号，从而得到拍频布里渊信号。电频谱分析仪可以探测拍频布里渊信号。

优选的，检测单元中的光电转换器只需要较低带宽的便可以完成测量，因为拍频布里渊信号的带宽大致为1GHz左右。

本发明相对现有技术具有的优势有两点：

●利用3路传感光纤布里渊散射光进行拍频，使得高频探测转换为低频探测，从而不需要成本较高的高带宽光电转换器，也不需要预先对本振光进行频率调制从而提升结构复杂度。

●利用拍频布里渊信号的多峰特性，扩展传感物理量，在不提升系统复杂度和成本的同时实现分辨温度和应力作用

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是本发明的基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器的结构示意图；

图2是拍频布里渊信号的多峰频谱特性示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图对本发明的各个实施例进行详细描述。

参照图1所示，本发明所述的基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器，包括光源，脉冲调制器，掺铒光纤放大器，耦合器，铺设在一起的传感光纤1、传感光纤2及传感光纤3，检测单元。优选的，光源可以是窄线宽激光器，其中心波长为1550nm，线宽为MHz量级。光源发出的激光经过脉冲调制和掺铒光纤放大器放大之后作为入射光。

入射光经过耦合器分束成3路之后，分别作为探测光并通过耦合器的4端口、5端口和6端口与传感光纤1，传感光纤2和传感光纤3耦合。3路铺设在一起的传感光纤均会产生包含温度信息的背向布里渊散射光。背向散射光返回于耦合器处合束并由检测单元转换成为拍频布里渊电信号，从而我们可以提取出含有传感光纤链路上的温度信息。优选的，检测单元可以是光电转换器和电频谱分析仪。光电转换器将光信号转换成为电信号，生成拍频布里渊信号。电频谱分析仪用于观测拍频布里渊信号频谱，以观测多峰拍频布里渊频移量。

在电频谱仪探测端，拍频布里渊信号的各峰值均处于1GHz附近。相较传统方案的11GHz，得到了较大的优化，从而降低了探测成本。又因为可以采用温度和应力系数不一样的传感光纤，因此可以实现温度和应力作用的分辨。根据公式(5)，所得到的应力和温度的变化分别为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{C_{T,\mathrm{\ν}}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B\_\mathrm{beat}1}-C_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B\_\mathrm{beat}2}}{C_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^1{C}_{T,\mathrm{\ν}}^2-C_{T,\mathrm{\ν}}^1{C}_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^2}$ 公式(6)

$\mathrm{\ΔT}=\frac{-C_{T,\mathrm{\ν}}^1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B\_\mathrm{beat}1}+C_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B\_\mathrm{beat}2}}{C_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^1{C}_{T,\mathrm{\ν}}^2-C_{T,\mathrm{\ν}}^1{C}_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^2}$ 公式(7)

实现温度和应力作用的分辨的条件是温度和应力系数满足：

$C_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^1{C}_{T,\mathrm{\ν}}^2-C_{T,\mathrm{\ν}}^1{C}_{\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ν}}^2\≠0$ 公式(8)

图2示出了拍频布里渊信号的多峰频谱特性。图中可见，拍频布里渊信号的峰值均在在1.1GHz左右，因此探测带宽均低于传统结构。

因此，本发明利用3路铺设在一起的传感光纤的布里渊散射光所产生的拍频布里渊信号进行温度和应力传感，可以使用较低带宽的光电探测设备，从而降低结构的成本；并且可以分辨温度和应力作用。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构，权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确。

Claims (6)

1.一种基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器，包括窄线宽激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、耦合器、传感光纤1、传感光纤2、传感光纤3、以及检测单元。其中，窄线宽激光器发出的激光经过脉冲调制和功率放大之后，由耦合器分束并进入3路传感光纤。3路传感光纤中的背向布里渊散射光在耦合器处合束，并经由检测单元中的光电转换器转换为电信号，即拍频布里渊信号。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器，其中，3路传感光纤具有不一样的布里渊频移。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器，其中，3路传感光纤的温度与应力系数两两之差，即拍频布里渊频移温度与应力系数，应满足

4.根据权利要求1所述的基于布里渊散射分布式光纤温度和应力传感器，其中，耦合器为3*3耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于布里渊散射分布式光纤温度传感器，其中，检测单元包含光电转换器和电频谱分析仪。

6.根据权利要求3所述的基于布里渊散射分布式光纤温度传感器，其中，光电转换器带宽为1.5GHz，电频谱分析仪用于显示拍频布里渊信号频谱。