CN107036733A - 基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法，系统包括宽带暗脉冲光源、弱光栅阵列、双芯光纤、光电转换单元、光纤延迟线、陷波滤光片、信息采集单元、计算机、双芯光纤耦合器。本发明利用脉宽可调谐暗脉冲光源的高功率稳定的背景光激发的高强度瑞利散射光进行分布式测量；同时，利用光源的暗脉冲和弱光栅阵列对全光纤范围内的瑞利散射进行空间分段定位，以提高传感系统的空间分辨率和测量精度，实现对温度和应变的同时精确测量和其在区间内的精确定位。本发明结构简单、响应速度快、空间分辨率高，能够同时实现温度和应变参量高精度的分布式光纤传感测量。

Description

基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统 及测量方法

技术领域

本发明涉及多参量分布式测量系统，更具体地说，涉及一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统。

背景技术

随着科学技术的发展和物联网应用要求的提高，光纤传感网络正在向大容量和多参量测量方向发展，基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的分布式光纤传感网络为高电压、强磁场干扰、大电流、复杂几何空间、易燃、易爆等恶劣环境的空间上连续分布各点的温度、应变等物理参量的测量提供了可行的新手段。分布式光纤传感技术是伴随着光时域反射技术(OTDR)的产生而发展起来的，如利用光时域反射技术测量后向的瑞利散射信号的强度和偏振态来监测温度/应变；利用光时域反射技术测量后向的拉曼散射信号的强度来监测温度；利用光时域反射技术测量布里渊散射信号的强度和频移来监测温度/应变。

受限于技术原理，基于布里渊散射的分布式光纤传感器和基于拉曼散射的分布式光纤传感器响应速度与空间分辨率都较低，不适合许多应用场合对于事故快速响应的监测要求，复杂昂贵的系统也限制了两类分布式测量技术的工程化应用。基于瑞利散射的分布式光纤传感器响应速度快、灵敏度高,开始受到重视。然而，基于单模光纤瑞利散射的分布式光纤传感系统以微弱的背向瑞利散射信号为信息载体,系统的信噪比较低,测量精度与空间分辨率低，传感功能比较单一，难以实现对温度和应变的定量检测等，制约了基于瑞利散射的分布式光纤传感技术的发展。特别是由于光纤对温度与应变的交叉敏感，通过另外加一根只感温光纤的方式很难保证该光纤不受到应力的扰动，温度补偿光栅与测量光栅的位置偏差等都会造成测量精度难已保证，在工程应用中存在困难。目前还没有看到能够采用弱光纤光栅阵列对光纤沿线所有位置同时进行应变和温度连续分布式光纤传感检测的报道。若能同时对应变、温度等参量进行长距离快速分布式精确监测，则可大大减少监测成本，并提高监测的有效性和可靠性。因此，有必要寻求创新的传感机理与方法，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法，可以实现温度、应变信号的高空间分辨率、高精度分布式测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，包括宽带暗脉冲光源、第一耦合器、第一环形器、双芯光纤耦合器、双芯光纤、第二环形器、第二耦合器、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管、信息采集单元和计算机；所述双芯光纤包括第一芯层和第二芯层，所述第一芯层和第二芯层上分别设有全同弱光栅阵列；

宽带暗脉冲光源输出的宽带光经过第一耦合器分为两束探测光及一束参考光，其中探测光分别为第一束探测光和第二束探测光；

所述参考光入射到第一光电二极管被转换为参考电信号，传输到信息采集单元的第一端口；

第一束探测光入射到第一环形器的第一端口，从其第二端口射出，进入双芯光纤耦合器的第一端口，并从第三端口耦合进双芯光纤的第一芯层中，通过弱光栅阵列以及瑞利散射效应所产生的第一反射光入射到双芯光纤耦合器的第三端口，并从双芯光纤耦合器的第一端口射出，入射到第一环形器的第二端口，从环形器的第三端口射出，紧接着入射到第二耦合器，被分为两束反射光，分别为第一光栅反射光和第一瑞利反射光；

第二束探测光入射到第二环形器的第一端口，从第二环形器的第二端口射出，进入双芯光纤耦合器的第二端口，并从第四端口耦合进双芯光纤的第二芯层中，通过弱光栅阵列以及瑞利散射效应所产生的第二反射光入射到双芯光纤耦合器的第四端口，并从双芯光纤耦合器的第二端口射出，入射到第二环形器的第二端口，从环形器的第三端口射出，经过光纤延迟线和第二陷波滤波片入射到第四光电二极管中被转换为第二电信号，传输到信息采集单元的第四端口；

第一光栅反射光入射到第二光电二极管被转化为第一光栅电信号，传输到信息采集单元的第二端口；

第一瑞利反射光经过第一陷波滤波片，入射到第三光电二极管被转化为第一瑞利电信号，传输到信息采集单元的第三端口；

信息采集单元采集到的四路电信号最终被传输计算机中进行信号处理以及图像显示。

上述方案中，所述的宽带暗脉冲光源为脉宽可调谐的宽带暗脉冲光源。

上述方案中，所述的双芯光纤以及双芯光纤耦合器中的传输两路光并不会发生耦合。

上述方案中，所述第一芯层和第二芯层对温度的敏感系数不同。

上述方案中，所述第一芯层和第二芯层对压力的敏感系数不同。

本发明还提供了一种利用上述的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置宽带暗脉冲光源的脉宽τ要求与光栅阵列中相邻光栅的间距L相匹配，即：

其中n为双芯光纤的纤芯折射率，c为光速；

(2)、利用第一光栅电信号中的暗脉冲可以计算出wFBG的距离为

d＝2(t-t₀)c/n (2)

其中t₀为接收到参考电信号中对应暗脉冲的时间，从而可以对弱光栅阵列中的每一个光栅进行定位；

(3)、当暗脉冲进入光纤后，每经过一个点都会有一定强度的瑞利散射光反射回来，所以光探测器所接收到的瑞利散射信号是不断累加的，某一时刻接收到的光强表达式为：

I(t)＝I₁+I₂+I₃+……+I_n (3)

其中I_n为t/2时刻经过的某点的瑞利散射信号强度，I(t)曲线的斜率与t/2时刻经过的某点的瑞利散射信号强度的关系为：

其中Δt为采样频率的倒数；

(4)、通过联立第一瑞利电信号I₁₂和第二电信号I₂的斜率矩阵求解：

其中，Δt为采样频率的倒数，分别为双芯光纤的第一芯层和第二芯层的温度敏感系数，分别为双芯光纤的第一芯层和第二芯层的应变敏感系数；

(5)、得到温度和应变与时间的关系曲线，将获得的温度和应变与时间的关系曲线与暗脉冲定位相结合，即可得到温度和应变在空间域上分别的分布情况。

实施本发明的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法，具有以下有益效果：

1、本发明利用脉宽可调谐暗脉冲光源的高功率稳定的背景光激发的高强度瑞利散射光进行分布式测量；同时，利用光源的暗脉冲和弱光栅阵列对全光纤范围内的瑞利散射进行空间分段定位，以提高传感系统的空间分辨率和测量精度，并利用双芯光纤每两个相邻弱光栅区间的瑞利散射信号构建温度和应变求解矩阵，实现对温度和应变的同时精确测量和其在区间内的精确定位。

2、本系统结构简单、响应速度快、空间分辨率高，能够同时实现温度和应变参量高精度的分布式光纤传感测量。

3、本发明结合双芯光纤中的瑞利散射与弱光栅阵列进行分布式测量，测量精度高并且空间分辨高，在一根光纤上实现了温度与应变的同时测量，结构简单且实用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统的示意图；

图2是时间与光纤长度的关系曲线；

图3是温度与时间的关系曲线；

图4是应变与时间的关系曲线；

图5是温度在空间域上分布曲线；

图6是应变在空间域上分布曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，在本发明的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统包括宽带暗脉冲光源1、第一耦合器2、第一环形器3、双芯光纤耦合器4、双芯光纤5、第二环形器7、第二耦合器9、光纤延时线8、第一光电二极管12、第二光电二极管13、第三光电二极管14、第四光电二极管15、信息采集单元16和计算机17。双芯光纤5包括第一芯层501和第二芯层502，所述第一芯层501和第二芯层502上分别设有全同弱光栅阵列6。

宽带暗脉冲光源1为脉宽可调谐的宽带暗脉冲光源，其带宽需要具体计算来设计光路后实现。双芯光纤5以及双芯光纤耦合器4中的传输两路光并不会发生耦合。光纤延迟线8用于调整第一反射光与第二反射光之间的光程差，光程差越小测量结果越精确。双芯光纤5的第一芯层501和第二芯层502对温度的敏感系数不同，第一芯层501和第二芯层502对压力的敏感系数不同。

本发明的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统的工作原理和测量方法如下：

宽带暗脉冲光源1输出的暗脉冲I0输入到第一耦合器2的输入端201，分为两束探测光及一束参考光，其中第一耦合器2的第一输出端202输出为第一束探测光，第一耦合器2的第二输出端203输出为第二束探测光，第一耦合器2的第三输出端204输出为参考光，所述的宽带暗脉冲光源1的脉宽τ要求与全同光栅阵列6中相邻光栅的间距L相匹配，即：

其中n为双芯光纤5的纤芯折射率，c为光速。

参考光输入到第一光电二极管12被转换为参考电信号I₃，传输到信息采集单元16的第一端口1601。

从第一耦合器2的第一输出端202输出的第一束探测光输入到第一环形器3的第一端口301，从第一环形器3的第二端口302射出，进入双芯光纤耦合器4的第一输入端401，并从双芯光纤耦合器4的第一输出端403耦合进双芯光纤5的第一芯层501中，通过全同弱光栅阵列6以及瑞利散射效应所产生的第一反射光输入到双芯光纤耦合器4的第一输出端403，并从双芯光纤耦合器4的第一输入端401射出，传输到第一环形器3的第二端口302，从第一环形器3的第三端口303输出，紧接着传输到第二耦合器9的第一输入端901，被分为两束反射光，其中第二耦合器9的第一输出端902输出为第一光栅反射光，第二耦合器9的第一输出端903输出为第一瑞利反射光。从第二耦合器9的第一输出端902输出的第一光栅反射光传输到第二光电二极管13被转化为第一光栅电信号I₁₁，传输到信息采集单元16的第二端口1602，利用第一光栅电信号I₁₁中的暗脉冲可以计算出弱光纤光栅(wFBG)的距离为：

d＝2(t-t₀)c/n (2)

其中t₀为接收到参考电信号I₃与第一光栅电信号I₁₁中暗脉冲的时间差，即t₀＝t₁₁-t₃通过公式(2)可以得到时间与光纤长度的关系曲线，如图2所示，从而可以对全同弱光栅阵列6中的每一个光栅进行定位。

从第二耦合器9的第二输出端903输出的第一瑞利反射光经过第一陷波滤波片10滤除全同弱光栅阵列6的反射光，传输到第三光电二极管14被转化为第一瑞利电信号I₁₂，传输到信息采集单元16的第三端口1603。

从第一耦合器2的第二输出端203输出的第二束探测光输入到第二环形器7的第一端口701，从第一环形器7的第二端口702射出，进入双芯光纤耦合器4的第二输入端402，并从双芯光纤耦合器4的第二输出端404耦合进双芯光纤5的第二芯层502中，通过全同弱光栅阵列6以及瑞利散射效应所产生的第二反射光输入到双芯光纤耦合器4的第二输出端404，并从双芯光纤耦合器4的第二输入端402射出，传输到第二环形器7的第二端口702，从第二环形器7的第三端口703输出，紧接着传输到第二陷波滤波片11滤除掉全同弱光栅阵列6的反射光，传输到第四光电二极管15被转化为第二电信号I₂，然后传输到信息采集单元16的第四端口1604。

当暗脉冲进入光纤后，每经过一个点都会有一定强度的瑞利散射光反射回来，所以光探测器所接收到的瑞利散射信号是不断累加的，某一时刻接收到的光强表达式为：

I(t)＝I₁+I₂+I₃+……+I_n (3)

其中I_n为t/2时刻经过的某点的瑞利散射信号强度，I(t)曲线的斜率与t/2时刻经过的某点的瑞利散射信号强度的关系为：

其中，Δt为采样频率的倒数。

提前对双芯光纤5的第一芯层501和第二芯层502的温度和应变敏感系数进行标定。第一瑞利电信号I₁₂和第二电信号I₂为双芯光纤5中不同的两个芯层的瑞利散射信号所转化的电信号，其电信号强度与其对应芯层的温度与应变敏感系数有关，通过联立第一瑞利电信号I₁₂和第二电信号I₂的斜率矩阵求解：

其中，Δt为采样频率的倒数，分别为双芯光纤5的第一芯层501和第二芯层502的温度敏感系数，分别为双芯光纤5的第一芯层501和第二芯层502的应变敏感系数。

通过公式(5)可以得到温度与时间的关系曲线和应变与时间的关系曲线，如图3、图4所示，将获得的温度与时间的关系曲线(图3)、应变与时间的关系曲线(图4)和时间与光纤长度的关系曲线(图2)相结合，即可得到温度在空间域上的分布情况和应变在空间域上的分布情况，如图5、图6所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，其特征在于，包括宽带暗脉冲光源、第一耦合器、第一环形器、双芯光纤耦合器、双芯光纤、第二环形器、第二耦合器、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管、信息采集单元和计算机；所述双芯光纤包括第一芯层和第二芯层，所述第一芯层和第二芯层上分别设有全同弱光栅阵列；

宽带暗脉冲光源输出的宽带光经过第一耦合器分为两束探测光及一束参考光，其中探测光分别为第一束探测光和第二束探测光；

所述参考光入射到第一光电二极管被转换为参考电信号，传输到信息采集单元的第一端口；

第一束探测光入射到第一环形器的第一端口，从其第二端口射出，进入双芯光纤耦合器的第一端口，并从第三端口耦合进双芯光纤的第一芯层中，通过弱光栅阵列以及瑞利散射效应所产生的第一反射光入射到双芯光纤耦合器的第三端口，并从双芯光纤耦合器的第一端口射出，入射到第一环形器的第二端口，从环形器的第三端口射出，紧接着入射到第二耦合器，被分为两束反射光，分别为第一光栅反射光和第一瑞利反射光；

第二束探测光入射到第二环形器的第一端口，从第二环形器的第二端口射出，进入双芯光纤耦合器的第二端口，并从第四端口耦合进双芯光纤的第二芯层中，通过弱光栅阵列以及瑞利散射效应所产生的第二反射光入射到双芯光纤耦合器的第四端口，并从双芯光纤耦合器的第二端口射出，入射到第二环形器的第二端口，从环形器的第三端口射出，经过光纤延迟线和第二陷波滤波片入射到第四光电二极管中被转换为第二电信号，传输到信息采集单元的第四端口；

第一光栅反射光入射到第二光电二极管被转化为第一光栅电信号，传输到信息采集单元的第二端口；

第一瑞利反射光经过第一陷波滤波片，入射到第三光电二极管被转化为第一瑞利电信号，传输到信息采集单元的第三端口；

信息采集单元采集到的四路电信号最终被传输计算机中进行信号处理以及图像显示。

2.根据权利要求1所述的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，其特征在于，所述的宽带暗脉冲光源为脉宽可调谐的宽带暗脉冲光源。

3.根据权利要求1所述的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，其特征在于，所述的双芯光纤以及双芯光纤耦合器中的传输两路光并不会发生耦合。

4.根据权利要求1所述的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，其特征在于，所述第一芯层和第二芯层对温度的敏感系数不同。

5.根据权利要求1所述的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，其特征在于，所述第一芯层和第二芯层对压力的敏感系数不同。

6.一种利用权利要求1-5任意一项所述的基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置宽带暗脉冲光源的脉宽τ要求与光栅阵列中相邻光栅的间距L相匹配，即：

其中n为双芯光纤的纤芯折射率，c为光速；

(2)、利用第一光栅电信号中的暗脉冲可以计算出wFBG的距离为

d＝2(t-t₀)c/n (2)

其中t₀为接收到参考电信号中对应暗脉冲的时间，从而可以对弱光栅阵列中的每一个光栅进行定位；

(3)、当暗脉冲进入光纤后，每经过一个点都会有一定强度的瑞利散射光反射回来，所以光探测器所接收到的瑞利散射信号是不断累加的，某一时刻接收到的光强表达式为：

I(t)＝I₁+I₂+I₃+……+I_n (3)

其中I_n为t/2时刻经过的某点的瑞利散射信号强度，I(t)曲线的斜率与t/2时刻经过的某点的瑞利散射信号强度的关系为：

其中Δt为采样频率的倒数；

(4)、通过联立第一瑞利电信号I₁₂和第二电信号I₂的斜率矩阵求解：

其中，Δt为采样频率的倒数，分别为双芯光纤的第一芯层和第二芯层的温度敏感系数，分别为双芯光纤的第一芯层和第二芯层的应变敏感系数；

(5)、得到温度和应变与时间的关系曲线，将获得的温度和应变与时间的关系曲线与暗脉冲定位相结合，即可得到温度和应变在空间域上分别的分布情况。