CN107727122A - 双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于：包括微波信号源、DFB激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、光栅滤波器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、第三掺饵光纤放大器、第一光开光、第二光开关、第三光开关、扰偏器、脉冲发生器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、光纤环形器、数据采集器及智能装置；该传感装置可同时测量温度和应变，可降低环境变化带来的测量影响，提高系统测量精度、系统可靠性和响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置。
背景技术
分布式拉曼光纤传感器具有长距离分布式测量、抗电磁干扰、体小质轻等许多优点，在城市煤气管道、输电/通信电缆、水库大坝、桥梁、隧道、高速公路等许多需要实时温度监测的领域中具有广泛应用。
目前广泛应用的主要有分布式拉曼光纤温度传感器和分布式布里渊光纤温度/应变传感器。其中拉曼光纤传感器仅进行温度测量，布里渊光纤传感器可用于温度和应变的双参量测量，但由于布里渊散射对温度和应变的交叉敏感性，这两个参量不能同时测量，限制了其应用范围。
拉曼光纤传感系统仅对温度敏感。分布式拉曼光纤传感器进行温度解调一般以拉曼散射反斯托克斯光为信号光，斯托克斯光为参考光，采用二者的比值解调温度。这种解调方法可以消除静态光纤损耗带来的误差，但无法消除波长相关损耗引起的误差。
布里渊散射谱频移对温度和应变都敏感。基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，解决布里渊散射频移的交叉敏感性成为实现双参量同时测量的关键技术问题。目前主要有以下三种解决方法：
1、联合布里渊散射光功率和布里渊散射谱频移进行温度和应变的同时解调。该方法由于光功率对于应变的敏感系数很低，探测的光功率误差限制了温度应变同时解调的精度。
2、联合布里渊散射谱频移和布里渊动态光栅反射谱频移进行温度和应变的同时解调，该方案可以获得很好的测量精度，但必须采用保偏光纤，且传感光纤距离一般小于1km，限制了其在长距探测方面的应用范围。
3、联合布里渊散射谱频移和拉曼散射光功率进行温度和应变的同时解调。利用拉曼散射光功率探测传感温度，再通过布里渊散射谱频移解调出应变，实现温度应变的同时测量。
目前，基于上述第三种方案的传感装置一般都采用单端探测的方式，结合分布式拉曼光纤传感器和布里渊光纤传感器实现温度应变的同时解调。专利CN 102313568A″一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置″就是该方案的一个典型代表。
发明内容
本发明提供了一种双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，它包括微波信号源、DFB激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、光栅滤波器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、第三掺饵光纤放大器、第一光开光、第二光开关、第三光开关、扰偏器、脉冲发生器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、光纤环形器、数据采集器及智能装置；
DFB激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端相连，第一光纤耦合器的一输出端与第一电光调制器的一光输入端相连，另一输出端与第二电光调制器的一光输入端相连；
微波信号源的输出端与第一电光调制器的射频输入端相连，第一电光调制器的输出端与光栅滤波器的输入端相连，光栅滤波器的输出端与第一掺饵光纤放大器的输入端相连，第一掺饵光纤放大器的输出端与扰偏器的输入端相连，扰偏器的输出端与第一光开关的其二端口相连，第一光开关的其一端口与传感光纤的其一端口相连；
第二电光调制器的输出端与第二掺饵光纤放大器的输入端相连，第二掺饵光纤放大器的输出端与第二光纤耦合器的输入端相连，第二光纤耦合器的一输出端与第三掺饵光纤放大器的输入端相连，另一输出端与光纤环形器的其一端口相连；
第三掺饵光纤放大器的输出端与波分复用器的1550端口相连，波分复用器的com端口与第二光开关的其一端口相连，波分复用器的1450端口与第一光电探测器的输入端相连；
第二光开关的其二、其三端口分别与第一光开关的其三端口和第三光开关的其二端口相连，第三光开关的其一端口与传感光纤的另一端口相连；
第一光电探测器的输出端与数据采集器的其一通道相连；
光纤环形器的其二端口与第三光开关的其三端口相连，光纤环形器的其三端口与第二光电探测器的输入端相连，第二光电探测器的输出端与数据采集器的其二通道相连，数据采集器的输出端与智能装置相连；
脉冲发生器的五个端口分别与第一光开关的其四端口、第二光开关的其四端口、第三光开关的其四端口、第二电光调制器的控制输入端及数据采集器的控制端相连。
一实施例之中：所述第一光电探测器为APD光电探测器，所述第二光电探测器为PIN光电探测器。
一实施例之中：所述第一光开关、第二光开关、第三光开光都为1x2开关。
一实施例之中：所述智能装置为计算机。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
利用双端探测的方式，通过拉曼传感测量温度，布里渊传感测量应变，实现温度应变的双参量测量；采用双端探测的拉曼传感，可降低环境变化带来的测量影响，提高系统测量精度和系统可靠性，采用双端探测的布里渊传感，可提高系统测量精度和响应速度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述的分布式光纤传感装置的结构示意图。
具体实施方式
请查阅图1，双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，它包括微波信号源1、DFB激光器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器11、第一电光调制器4、第二电光调制器9、光栅滤波器5、第一掺饵光纤放大器6、第二掺饵光纤放大器10、第三掺饵光纤放大器12、第一光开光8、第二光开关14、第三光开关15、扰偏器7、脉冲发生器22、波分复用器13、传感光纤16、第一光电探测器17、第二光电探测器19、光纤环形器18、数据采集器20及智能装置21；
DFB激光器2的输出端与第一光纤耦合器3的输入端相连，第一光纤耦合器 3的一输出端与第一电光调制器4的一光输入端相连，另一输出端与第二电光调制器9的一光输入端相连；
微波信号源1的输出端与第一电光调制器4的射频输入端相连，第一电光调制器4的输出端与光栅滤波器5的输入端相连，光栅滤波器5的输出端与第一掺饵光纤放大器6的输入端相连，第一掺饵光纤放大器6的输出端与扰偏器7的输入端相连，扰偏器7的输出端与第一光开关8的其二端口相连，第一光开关8的其一端口与传感光纤16的其一端口相连；微波信号源1指产生微波范围为 10GHz-12GHz的微波信号发生器，该发生器可以1-5MHz的步进速度输出 10GHz-12GHz的微波信号。
第二电光调制器9的输出端与第二掺饵光纤放大器10的输入端相连，第二掺饵光纤放大器10的输出端与第二光纤耦合器11的输入端相连，第二光纤耦合器11的一输出端与第三掺饵光纤放大器12的输入端相连，另一输出端与光纤环形器18的其一端口相连；
第三掺饵光纤放大器12的输出端与波分复用器13的1550端口相连，波分复用器13的com端口与第二光开关14的其一端口相连，波分复用器13的1450 端口与第一光电探测器17的输入端相连；
第二光开关14的其二、其三端口分别与第一光开关8的其三端口和第三光开关15的其二端口相连，第三光开关15的其一端口与传感光纤16的另一端口相连；
第一光电探测器17的输出端与数据采集器20的其一通道相连；
光纤环形器18的其二端口与第三光开关15的其三端口相连，光纤环形器 18的其三端口与第二光电探测器19的输入端相连，第二光电探测器19的输出端与数据采集器20的其二通道相连，数据采集器20的输出端与智能装置21相连；
脉冲发生器22的五个端口分别与第一光开关8的其四端口、第二光开关14 的其四端口、第三光开关15的其四端口、第二电光调制器9的控制输入端及数据采集器20的控制端相连。
本实施例中，所述第一光电探测器17为APD光电探测器，所述第二光电探测器19为PIN光电探测器。
本实施例中，所述第一光开关8、第二光开关14、第三光开光15都为1x2 开关。
所述智能装置21为计算机，还可以是笔记本电脑等其他带处理器的智能设备。
本实施例所述的分布式光纤传感装置的工作过程主要分两部分进行，1、拉曼散射信号的获取；2、布里渊散射频谱的获取。
1、拉曼散射信号获取：DFB激光器2发出连续激光信号进入第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器3的其二输出端进入第二电光调制器9，第二电光调制器9 在脉冲发生器22的作用下，产生脉冲光信号，进入第二掺饵光纤放大器10进行放大后，进入第二光纤耦合器11，脉冲光信号经第二光纤耦合器11的其一输出口进入第三掺饵光纤放大器12，再进入波分复用器13的1550端口，脉冲光信号从波分复用器13的com端口进入第二光开关14，脉冲发生器22控制第一光开关8切换至其三端口、第二光开关14切换至其二端口、第三光开关15切换至其二端口，脉冲光信号经过第二光开关15、第一光开关8后进入传感光纤16一端，在传感光纤16中发生拉曼散射，散射信号反向传输回波分复用器13，并在波分复用器13中滤波后由1450端口输出进入第一光电探测器17，再进入数据采集器20保存；接着，脉冲发生器22控制第二光开关14切换至其三端口，脉冲光信号经第二光开关14、第三光开关15进入传感光纤16另一端，在传感光纤16中发生拉曼散射，散射信号反向传输回波分复用器13经滤波后由1450端口输出进入第一光电探测器17，再进入数据采集器20保存。将上述两次采集得到的拉曼散射信号利用公式(1)可解调得到整条传感光纤的温度曲线。
2、布里渊散射频谱的获取：DFB激光器2发出连续激光经第一光纤耦合器 3分成两路，一路输出至第一电光调制器4的输入端，一路输出至第二电光调制器9的输入端。第一电光调制器4在微波信号源1的作用下，可产生偏离载波 10GHz-12GHz的双边带，利用光栅滤波器5可选出其中一个边带信号，边带信号进入第一掺饵光纤放大器6进行放大，并经过扰偏器7进入第一光开关8，第一光开关8在脉冲发生器22作用下切换至其二端口，边带信号进入传感光纤16。第二电光调制器9在脉冲发生器作用下将连续激光信号斩波形成脉冲光信号，进入第二掺饵光纤放大器10进行放大，然后经第二光纤耦合器11分成两路，一路用于拉曼散射信号获取(见上面叙述)，另一路通过光纤环形器18进入第三光开关15，在脉冲发生器22作用下将第三光开关15切换至其三端口，脉冲光信号进入传感光纤16，与前述的边带信号在传感光纤16中发生受激布里渊散射作用，边带信号经第三光开关15，光纤环形器18输出至第二光电探测器19，并经数据采集器20采集保存信号。微波信号源1通过在10GHz-12GHz范围内以1-5MHz 的步进频率进行扫频，可获得构建布里渊散射频谱的所有信号，通过洛伦兹拟合可获得布里渊散射频谱。利用公式(2)可解调得出传感光纤上的应变曲线。
双端探测的拉曼散射光测温原理为：
将探测脉冲光通过1x2光开光切换注入传感光纤的两端，分时获取传感光纤两端散射回来的反斯托克斯光信号，将两端的反斯托克斯光信号进行几何平均作为信号光，并以传感光纤温度已知的反斯托克斯信号做基准，可得整条光纤沿线的传感温度，解调公式如下：
其中，h为普朗克常量，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼散射光与入射光的频率差，PAS(z，T0)为光纤温度已知的环形反斯托克斯信号，PAS(z，T)为测得的环形反斯托克斯信号，T0为整条光纤的初始温度，z为光纤温度感应区距离光纤入射端的位置。
光纤中的受激布里渊散射谱频移与光纤的有效折射率和光纤中的超声波速度有关，而外界环境温度和应变都会使有效折射率和超声波速度发生变换，从而产生布里渊散射谱频移。因此，只要检测布里渊散射谱频移即可求得光纤上的温度或应变。布里渊散射谱频移与光纤上的温度应变的关系公式如下：
ΔνB＝CTΔT+CεΔε (2)
其中，ΔνB为布里渊散射谱的频移变化量，ΔT为温度变化量，Δε为应力变化量，CT布里渊散射谱频移的温度系数，Cε布里渊散射谱频移的应变系数。CT和Cε可通过实验测得，因ΔT已由拉曼传感器测得，代入公式(2)并进行简单整理可获得Δε。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (4)
1.双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于：包括微波信号源、DFB激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、光栅滤波器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、第三掺饵光纤放大器、第一光开光、第二光开关、第三光开关、扰偏器、脉冲发生器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、光纤环形器、数据采集器及智能装置；
DFB激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端相连，第一光纤耦合器的一输出端与第一电光调制器的一光输入端相连，另一输出端与第二电光调制器的一光输入端相连；
微波信号源的输出端与第一电光调制器的射频输入端相连，第一电光调制器的输出端与光栅滤波器的输入端相连，光栅滤波器的输出端与第一掺饵光纤放大器的输入端相连，第一掺饵光纤放大器的输出端与扰偏器的输入端相连，扰偏器的输出端与第一光开关的其二端口相连，第一光开关的其一端口与传感光纤的其一端口相连；
第二电光调制器的光输出端与第二掺饵光纤放大器的输入端相连，第二掺饵光纤放大器的输出端与第二光纤耦合器的输入端相连，第二光纤耦合器的一输出端与第三掺饵光纤放大器的输入端相连，另一输出端与光纤环形器的其一端口相连；
第三掺饵光纤放大器的输出端与波分复用器的1550端口相连，波分复用器的com端口与第二光开关的其一端口相连，波分复用器的1450端口与第一光电探测器的输入端相连；
第二光开关的其二、其三端口分别与第一光开关的其三端口和第三光开关的其二端口相连，第三光开关的其一端口与传感光纤的另一端口相连；
第一光电探测器的输出端与数据采集器的其一通道相连；
光纤环形器的其二端口与第三光开关的其三端口相连，光纤环形器的其三端口与第二光电探测器的输入端相连，第二光电探测器的输出端与数据采集器的其二通道相连，数据采集器的输出端与智能装置相连；
脉冲发生器的五个端口分别与第一光开关的其四端口、第二光开关的其四端口、第三光开关的其四端口、第二电光调制器的控制输入端及数据采集器的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述第一光电探测器为APD光电探测器，所述第二光电探测器为PIN光电探测器。
3.根据权利要求1所述的双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述第一光开关、第二光开关、第三光开光都为1x2开关。
4.根据权利要求1所述的双端探测的联合拉曼和布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述智能装置为计算机。
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