CN107631814B - 光自相干传感光路结构、频移变化检测方法和传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光自相干传感光路结构、布里渊频移变化检测方法和光纤动态应变或温度传感装置，光自相干传感光路结构包括环行器（1）、以及与环行器（1）连接的传感光纤（6）和干涉光路（7）；所述的传感光纤（6）上设置有预设应变或温度点（2）和第一测量点（3）；所述的干涉光路（7）包括干涉短臂（4）和干涉长臂（5）两条干涉臂，两条干涉臂长的长度差正好等于预设应变或温度点（2）和第一测量点（3）之间的距离，在预设应变或温度点（2）反射回来经干涉长臂（5）的光信号与在第一测量点（3）反射回来的经干涉短臂（4）的光信号发生干涉，获得布里渊频移变化量。本发明有效地缩短测量时间，实现快速的动态应变或温度测量。

Description

光自相干传感光路结构、频移变化检测方法和传感装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光自相干传感光路结构、布里渊频移变化检测方法和光纤动态应变或温度传感装置。

背景技术

分布式光纤传感器不仅具有一般光纤传感器的优点，如无辐射干扰性、抗电磁干性好和化学稳定性好等，而且可以沿光纤同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息 。目前长距离有拉曼散射分布式光纤传感器和布里渊散射分布式光纤传感器拉曼散射只对温度敏感，难以用于地质、建筑结构等的健康监测，而光纤的布里渊散射对温度和应变都敏感。通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射分布式光纤传感器可得到沿光纤分布的温度或应变信息，且工作于1.55um波长附近的布里渊散射，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射分布式光纤传感器适合于长距离(大于几十千米) 分布式传感。

按照工作方式的不同，基于布里渊散射的传感器主要分为布里渊光时域分析计(BOTDA)、布里渊光时域反射（BOTDR）布里渊光频域分析计(BOFDA)和布里渊光相干域分析计(BOCDA)。等理论上，BOFDA的空间分辨率和信噪比较高，但 BOFDA 系统结构复杂，测量范围小。而 BOCDA每次只能对光纤上单独的一点进行测量，从严格意义上来讲不是全分布式测量，而且它的传感距离也很短。因此，目前研究和使用较多的是BOTDA和BOTDR，它们不仅具有较长的传感距离，系统结构也相对简单。

经过近二十年的努力，BEOFS 技术突飞猛进，也在越来越多的领域得到了应用，但要实现高可靠、高空间分辨率、高速实时的传感，还存在许多亟待解决的问题。首先制约实时动态监测的重要因素就是传感时间。目前，BEOFS系统采用的是频率扫描的方法进行布里渊频移的测量，测量时间与测量长度、扫频间隔、扫频范围和空间分辨率等有关。对于1 m空间分辨率、10 MHz的扫频间隔为200 MHz的扫频范围，BOTDR对应于1 km，10 km和50 km的测量时间分别为1 min，2 min和6 min，BOTDA还要长些。如果提高测量精度，将成倍的增加测量时间，即一次完整的测量视传感距离长度往往需要几分钟甚至几十分钟的时间。当监测对象受到的外界影响持续时间很短时，将不能够对监测对象进行及时的感知和报警。因此只有有效的缩短传感系统的测量时间，才能够满足现代环境结构健康实时动态监测的要求，降低事故发生率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光自相干的光路结构和一种布里渊频移变化的动态检测方法，有效地缩短测量时间，实现快速的动态应变或温度测量；同时本发明还提供一种基于布里渊散射频谱的分布式光纤应变/温度传感装置，有效地缩短测量时间、提高空间分辨率以及增大传感距离，可以满足恶劣使用环境下动态应变或温度的分布式检测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光自相干传感光路结构，包括环行器、以及与环行器连接的传感光纤和干涉光路；所述的传感光纤上设置有预设应变或温度点和第一测量点，传感光纤以预设应变或温度点与第一测量点之间的距离为步长，在传感光纤上实现分布式的应变或温度采样；所述的干涉光路包括干涉短臂和干涉长臂两条干涉臂，两条干涉臂长的长度差正好等于预设应变或温度点和第一测量点之间的距离，在预设应变或温度点反射回来经干涉长臂的光信号与在第一测量点反射回来的经干涉短臂的光信号发生干涉，获得布里渊频移变化量。

进一步地，所述的传感光纤为单模光纤。

本发明还提供一种布里渊频移变化快速检测方法，采用所述的光自相干传感光路结构；所述的方法包括以下步骤：以预设应变或温度点的布里渊频谱作为参考基准，由光外差检测出第一测量点的布里渊频移相对预设应变或温度点的变化，由此类推，通过前一点的布里渊频移推导出后一点的布里渊频移变化，从而得到整条传感光纤的布里渊频移变化分布。

本发明还提供一种基于布里渊散射谱的分布式光纤动态应变或温度传感装置，包括所述的光自相干传感光路结构、光源模块和信号处理模块；所述的光源模块与环形器连接；所述的信号处理模块包括光电探测器、与光电探测器电连接的信号放大器、与信号放大器电连接的A/D转换器，所述的光电探测器的输入端与干涉光路连接，光电探测器将干涉光波信号转换为电信号，A/D转换器对经信号放大器放大后的电信号进行采样并实现模拟信号到数字信号的转换。

进一步地，所述的信号处理模块还包括与A/D转换器电连接的计算装置，所述的计算装置完成布里渊频移量计算以及应变或温度大小计算。

进一步地，所述的计算装置为嵌入式计算机。

本发明的有益效果是：

本发明的一种光自相干的光路结构及一种布里渊频移变化的检测方法能够快速获取整条测试光纤的布里渊频谱，不仅具有一般传感器的所有优点，还具有以下特点：

一、使用自发的布里渊散射，光路简单；

二、使用外差干涉的方式获取布里渊频谱，能增强本身比较弱的布里渊散射信号，提高信噪比；

三、采用分布式的光纤传感，用光纤作为传输介质，能够耐高温，高压；

四、不用扫频的方式获取布里渊频谱，能大大缩短测量时间，达到快速动态测量的要求。

另外，本发明的传感器依据布里渊散射原理，利用光自相干的光路结构结合外差探测技术对光纤中应变或温度引起的布里渊频移信息进行探测，通过光电转换、信号放大、A/D转换后，由计算机进行信号处理、数据分析，实现光纤应变或温度的动态测量，不仅光路结构简单，信噪比高，而且能够使测量时间大大缩短，实现整条测试光纤的快速动态应变或温度测量。

附图说明

图1为本发明光自相干传感光路结构方框图；

图2为本发明基于布里渊散射谱的分布式光纤动态应变或温度传感装置方框图；

图中，1-环行器，2-预设应变或温度点，3-第一测量点，4-干涉短臂，5-干涉长臂，6-传感光纤，7-干涉光路。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，一种光自相干传感光路结构，包括环行器1、以及与环行器1连接的传感光纤6和干涉光路7；所述的传感光纤6上设置有预设应变或温度点2和第一测量点3，传感光纤6以预设应变或温度点2与第一测量点3之间的距离为步长，在传感光纤6上实现分布式的应变或温度采样；所述的干涉光路7包括干涉短臂4和干涉长臂5两条干涉臂，两条干涉臂长的长度差正好等于预设应变或温度点2和第一测量点3之间的距离，在预设应变或温度点2反射回来经干涉长臂5的光信号与在第一测量点3反射回来的经干涉短臂4的光信号发生干涉，获得布里渊频移变化量。

更优地，在本实施例中，所述的传感光纤6采用普通的单模光纤。传感光纤上面的预设应变或温度点2，由技术人员施加一个已知大小的应变或温度。两个干涉臂的作用是使得从传感光纤6的两个应变或温度点反射回来的光信号能够发生外差干涉，从而使干涉信号携带布里渊频率信息。环行器1为现有产品，可采用三端口环行器。

具体地：（1）在普通石英单模光纤中, 布里渊散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速有关。而温度和应力都能改变光纤的折射率和超声声速, 检测光纤中布里渊频移的变化, 就可以得到温度或应力在光纤上的分布。（2）在干涉光路中，从预设应变或温度点反射回来的光信号与测量点反射回来的光信号频率有差别，光程一样，发生外差干涉。（3）通过检测出频率差，由已知预设应变或温度点的布里渊频移，得到第一测量点的布里渊频移。由此类推，通过前一点得到后一点的布里渊频移，从而得到整条光纤的布里渊频谱。

基于上述结构的实现，本实施例还提供一种布里渊频移变化快速检测方法，采用所述的光自相干传感光路结构；所述的方法包括以下步骤：以预设应变或温度点2的布里渊频谱作为参考基准，由光外差检测出第一测量点3的布里渊频移相对预设应变或温度点2的变化，由此类推，通过前一点的布里渊频移推导出后一点的布里渊频移变化，从而得到整条传感光纤的布里渊频移变化分布。

基于上述结构的实现，本实施例还提供一种基于布里渊散射谱的分布式光纤动态应变或温度传感装置，如图2所示，包括光自相干传感光路结构、光源模块和信号处理模块；

所述的光自相干传感光路结构包括环行器1、传感光纤6、设置在传感光纤6上面的预设应变或温度点2和第一测量点3、干涉光路7；所述传感光纤6以预设应变或温度点2和第一测量点3的距离为步长，在传感光纤6上设置一系列的测量点；所述干涉光路6有干涉短臂4和干涉长臂5两条干涉臂，两个干涉臂长的长度差正好等于预设应变或温度点2和第一测量点3的距离，在预设应变或温度点2反射回来经干涉长臂5的光信号与第一测量点3反射回来的经干涉短臂4的光信号发生干涉，获得布里渊频移量；

所述的光源模块与环形器1连接；所述的信号处理模块包括光电探测器、与光电探测器电连接的信号放大器、与信号放大器电连接的A/D转换器，所述的光电探测器的输入端与干涉光路7连接，光电探测器将干涉光波信号转换为电信号，A/D转换器对经信号放大器放大后的电信号进行采样并实现模拟信号到数字信号的转换。

其中，在本实施例中，光源模块主要功能是产生一定功率与相干长度的激光，作为一种选择的方式，光源模块采用半导体激光器，激光器线宽要保证有一定的相干长度，在在温度与功率控制电路以及起偏器作用下，输出波长稳定、功率稳定的线偏振光。

而光电探测器、偏振控制器属于现有技术产品，光电探测器可以采用PIN光电探测器或APD光电探测器；偏振控制器则采用光纤偏振控制器。

更优地，在本实施例中，所述的信号处理模块还包括与A/D转换器电连接的计算装置，所述的计算装置完成布里渊频移量计算以及应变或温度大小计算。其中，计算装置可以为嵌入式计算机，由嵌入式CPU板和辅助电路构成，实现传感信号的分析与处理，对应变或温度信息进行精确提取，嵌入式计算机是现有技术产品，本领域的技术人员都能明白和理解，在此不再赘述。计算机也可以为传感器之外的结构，传感器通过A/D转换器实现与外部计算机的电连接。

本传感装置的的工作过程是，光源模块发出功率、波长稳定，具有一定相干长度和功率的线偏振激光后，经过偏振控制器后，输入到光纤环行器，光纤环行器输入到传感光纤中，在两个相邻应变或温度点获得应变或温度信息，经反射通过环行器输入到两干涉臂，发生外差干涉，干涉信号输出到光电探测器，光电探测器将干涉光波信号转换为电信号，进行电路放大和A/D转换后，由计算机进行数据分析处理，输出测量结果。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种光自相干传感光路结构，其特征在于：包括环行器（1）、以及与环行器（1）连接的传感光纤（6）和干涉光路（7）；所述的传感光纤（6）上设置有预设应变或温度点（2）和第一测量点（3），传感光纤（6）以预设应变或温度点（2）与第一测量点（3）之间的距离为步长，在传感光纤（6）上实现分布式的应变或温度采样；所述的干涉光路（7）包括干涉短臂（4）和干涉长臂（5）两条干涉臂，两条干涉臂长的长度差正好等于预设应变或温度点（2）和第一测量点（3）之间的距离，在预设应变或温度点（2）反射回来经干涉长臂（5）的光信号与在第一测量点（3）反射回来的经干涉短臂（4）的光信号发生干涉，获得布里渊频移变化量。

2.根据权利要求1所述的一种光自相干传感光路结构，其特征在于：所述的传感光纤（6）为单模光纤。

3.一种布里渊频移变化快速检测方法，其特征在于：采用权利要求1或2所述的光自相干传感光路结构；所述的方法包括以下步骤：以预设应变或温度点（2）的布里渊频谱作为参考基准，由光外差检测出第一测量点（3）的布里渊频移相对预设应变或温度点（2）的变化，由此类推，通过前一点的布里渊频移推导出后一点的布里渊频移变化，从而得到整条传感光纤的布里渊频移变化分布。

4.一种基于布里渊散射谱的分布式光纤动态应变或温度传感装置，其特征在于：包括权利要求1或2所述的光自相干传感光路结构、光源模块和信号处理模块；所述的光源模块与环形器（1）连接；所述的信号处理模块包括光电探测器、与光电探测器电连接的信号放大器、与信号放大器电连接的A/D转换器，所述的光电探测器的输入端与干涉光路（7）连接，光电探测器将干涉光波信号转换为电信号，A/D转换器对经信号放大器放大后的电信号进行采样并实现模拟信号到数字信号的转换。

5.根据权利要求4所述的一种基于布里渊散射谱的分布式光纤动态应变或温度传感装置，其特征在于：所述的信号处理模块还包括与A/D转换器电连接的计算装置，所述的计算装置完成布里渊频移量计算以及应变或温度大小计算。

6.根据权利要求5所述的一种基于布里渊散射谱的分布式光纤动态应变或温度传感装置，其特征在于：所述的计算装置为嵌入式计算机。

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