CN107843357B - 基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法 - Google Patents

基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法，包括如下步骤：（1）、搭建分布式光纤温度及应变传感系统；分布式光纤温度及应变传感系统包括拉曼信号采集仪、第一高精度恒温槽（9）、第二高精度恒温槽（10）、待测光纤（11）、第一温度传感器（12）、第二温度传感器（13）；所述拉曼信号采集仪包括脉冲激光器（1）、WDM（2）、第一APD（3）、第二APD（4）、第一LNA（5）、第二LNA（6）、数据采集卡（7）、计算机（8）。本发明设计合理，融合光纤拉曼散射和光时域反射原理的光路、电路和信号采集与处理技术，形成一种新型的基于拉曼散射的温度、应变分布式光纤传感检测方法。

Description

基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感系统中的温度、应变检测技术领域，具体是一种基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法。
背景技术
分布式光纤传感技术通过三十余年的发展，实现了对温度、振动、应变、位移、电磁场等各种物理量的测量，其空间分辨率、传感距离、测量精度等性能也得到了极大的提高。而对于长距离基础设施的健康监测，故障的发生通常表现为应变或振动事件，抑或是环境温度的改变等多种参量的变化，对单一物理量的监测难以对事故进行有效的预警，或是难以判断故障的发生并对事故发生位置进行精确定位，因此多参数的分布式测量也显得越来越重要。
根据光纤的后向散射类型，可以分为基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统和基于拉曼散射的分布式光纤传感系统。在工程应用中，基于瑞利散射的分布式光纤传感系统大多被应用于光纤的故障点检测。由于基于拉曼散射信号的时序强弱只对光纤沿线的温度信号敏感，故现有的基于拉曼散射的分布式光纤传感技术只运用于光纤沿线的温度监测。而应力、应变的测量，主要是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，利用应变及温度对其布里渊频移的变化量来实现应变及温度的测量，但是布里渊频移对拉伸应变和温度变化同时敏感，在温度解调过程中需区分拉伸应变引起的频移和温度变化引起的频移，即无法单次同时测量光纤沿线的温度和应变情况，且布里渊系统装置和解调过程较为复杂，测量时间达到了分钟量级，另外该系统结构复杂且对光源的要求较高，极大的限制了系统的实时性和分布式光纤多参量检测系统的发展和应用，
发明内容
本发明为了解决现有分布式光纤传感系统之间温度、应变相互交叉敏感，测量时间较长，无法面向工程应用的的问题，提出了一种基于拉曼散射的分布式光纤温度、应变同时检测方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于拉曼散射的分布式光纤温度、应变检测方法由以下系统来实现。该系统包括1550nm脉冲激光器、波分复用器(WDM)、2个雪崩光电二极管(APD)、2个低噪放大器(LNA)、传感光纤(普通多模光纤)、数据采集卡、计算机、2个高精度恒温槽(分别放置参考光纤1、2)、2个温度传感器。
分布式光纤温度、应变检测方法分为两个步骤，分别为基于分布式光纤拉曼测温的温度解调方案，基于拉曼散射和光时域反射技术的光纤沿线应变检测方案。具体方法如下：
步骤一：搭建基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测系统；
分布式光纤温度及应变检测系统包括拉曼信号采集仪、第一高精度恒温槽、第二高精度恒温槽、待测光纤、第一温度传感器、第二温度传感器。
拉曼信号采集仪包括脉冲激光器、WDM、第一APD、第二APD、第一LNA、第二LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接；WDM的两个输出端分别与第一APD的输入端和第二APD的输入端连接；第一APD的输出端与第一LNA的输入端连接；第二APD的输出端与第二LNA的输入端连接；第一LNA的输出端和第二LNA的输出端均与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；计算机与脉冲激光器双向连接。
待测光纤的前端与WDM的公共端连接；待测光纤的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环；第一参考光纤环放置于第一高精度恒温槽中；第二参考光纤环放置于第二高精度恒温槽中；第一温度传感器安装于第一高精度恒温槽上；第二温度传感器安装于第二高精度恒温槽上；第一温度传感器和第二温度传感器均与计算机双向连接。
步骤二：将第一高精度恒温槽的温度值设置为T1，将第二高精度恒温槽的温度值设置为T2；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到待测光纤；激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的Stokes光和anti-Stokes光。
Stokes光依次经WDM、第一APD、第一LNA入射到数据采集卡，数据采集卡对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线。
anti-Stokes光依次经WDM、第二APD、第二LNA入射到数据采集卡，数据采集卡对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到anti-Stokes光的光强曲线。
步骤三：拉曼信号采集仪根据采集得到Stokes光的光强数据和anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据。
步骤四：当外界的较大的应力、应变作用于传感光纤时，光纤的拉伸势必会影响传感光纤中横截面的面积及该点光纤弯曲损耗的大小，从而会影响传感光纤中该点拉曼散射信号光时域反射曲线中的衰减系数。即系统根据基于拉曼散射信号的时序信号和光时域反射技术来检测光纤沿线各点的衰减系数，然后根据衰减系数与外界应力应变的数学函数关系，以此来测定光纤沿线的应变及应力变化。
步骤五：系统上位机根据步骤三和四同时显示光纤沿线的温度、应变的变化情况。
与现有分布式光纤传感系统相比，本发明基于拉曼散射的光纤温度、应变检测方法具有如下优点：
一、本发明的检测方法可以利用一根传感光纤同时检测光纤沿线的温度和应力分布。
二、本发明结构装置简单，且测量时间取决于数据采集卡的测量速度，可以极大的提高系统的测量速度，同时也降低了系统的成本。
本发明设计合理，融合光纤拉曼散射和光时域反射原理的光路、电路和信号采集与处理技术，利用光纤中的后向拉曼散射信号对温度敏感及光纤沿线各点的衰减对应力敏感的特性，形成一种新型的基于拉曼散射的温度、应变分布式光纤传感检测方法，从而最终实现对温度和/或应力的分布式测量。
附图说明
图1表示本发明中分布式光纤拉曼信号采集仪的结构示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-WDM(波分复用器)，3-第一APD(第一雪崩光电二极管)，4-第二APD(第二雪崩光电二极管)，5-第一LNA(第一低噪放大器)，6-第二LNA(第二低噪放大器)，7-数据采集卡，8-计算机，9-第一高精度恒温槽，10-第二高精度恒温槽，11-待测光纤，12-第一温度传感器，13-第二温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法，包括如下步骤：
步骤一：搭建分布式光纤温度及应变传感系统；
分布式光纤拉曼测温系统，如图1所示，包括拉曼信号采集仪、第一高精度恒温槽9、第二高精度恒温槽10、待测光纤11、第一温度传感器12、第二温度传感器13。
如图1所示，拉曼信号采集仪包括脉冲激光器1、WDM2、第一APD3、第二APD4、第一LNA5、第二LNA6、数据采集卡7、计算机8；其中，脉冲激光器1的输出端与WDM2的输入端连接；WDM2的两个输出端分别与第一APD3的输入端和第二APD4的输入端连接；第一APD3的输出端与第一LNA5的输入端连接；第二APD4的输出端与第二LNA6的输入端连接；第一LNA5的输出端和第二LNA6的输出端均与数据采集卡7的输入端连接；数据采集卡7的输出端与计算机8的输入端连接；计算机8与脉冲激光器1双向连接。
待测光纤11的前端与WDM2的公共端连接；待测光纤11的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环；第一参考光纤环放置于第一高精度恒温槽9中；第二参考光纤环放置于第二高精度恒温槽10中；第一温度传感器12安装于第一高精度恒温槽9上；第二温度传感器13安装于第二高精度恒温槽10上；第一温度传感器12和第二温度传感器13均与计算机8双向连接。
步骤二：将第一高精度恒温槽9的温度值设置为T1，将第二高精度恒温槽10的温度值设置为T2；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器1发出的激光脉冲经WDM2入射到待测光纤11；激光脉冲在待测光纤11中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤11的各个位置均产生背向传输的Stokes光和anti-Stokes光。
Stokes光依次经WDM2、第一APD3、第一LNA5入射到数据采集卡7，数据采集卡7对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线。
anti-Stokes光依次经WDM2、第二APD4、第二LNA6入射到数据采集卡7，数据采集卡7对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到anti-Stokes光的光强曲线。
步骤三：拉曼信号采集仪根据采集采集得到Stokes光的光强数据和anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据。
具体温度解调公式如下：
公式中：T表示待测光纤11的某一待测位置的温度值；φs表示该待测位置产生的Stokes光的光强值；φa表示该待测位置产生的anti-Stokes光的光强值；L表示该待测位置与待测光纤11的前端之间的距离；φs1表示第一参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φa1表示第一参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值；φs2表示第二参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φa2表示第二参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值；L1表示第一参考光纤环的位置与待测光纤11的前端之间的距离；L2表示第二参考光纤环的位置与待测光纤11的前端之间的距离；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数。
具体实施时，脉冲激光器的波长为1550.1nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm；第一APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；第二APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；第一LNA的带宽为100MHz。第二LNA的带宽为100MHz；数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz；待测光纤为普通多模光纤。
步骤四：分布式光纤温度、应变检测系统根据光时域反射原理采集得到的Stokes光和anti-Stokes光的光强值，公式可分别表示为：
φs＝KsVs 4SφeRs(T)exp[-(αo+αs)L]……………………(2)
φa＝KaVa 4SφeRa(T)exp[-(αo+αa)L]……………………..(3)
其中，Stokes光的温度调制函数Rs(T)和anti-Stokes光的温度调制函数Ra(T)分别为：
式中Ks，Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Vs，Va为斯托克斯与反斯托克斯光的频率，S为散射截面，h,K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv光纤的拉曼频移量，αo、αs、αa分别为入射泵浦光和斯托克斯与反斯托克斯光在光纤中单位长度下的衰减系数。
将光纤沿线的温度T公式(1)代入公式(2)和(3)中，经过化解后光纤沿线各点的后向拉曼散射衰减系数可以表示为：
步骤五：系统基于光纤沿线的衰减变化情况，即可反映出光纤沿线的应变及应力变化情况。
步骤六：系统根据公式(1)和公式(5)即可利用一根光纤同时测量出光纤沿线的温度及应变化。
应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、搭建分布式光纤温度及应变传感系统；
分布式光纤温度及应变传感系统包括拉曼信号采集仪、第一高精度恒温槽(9)、第二高精度恒温槽(10)、待测光纤(11)、第一温度传感器(12)、第二温度传感器(13)；
所述拉曼信号采集仪包括脉冲激光器(1)、WDM(2)、第一APD(3)、第二APD(4)、第一LNA(5)、第二LNA(6)、数据采集卡(7)、计算机(8)；其中，脉冲激光器(1)的输出端与WDM(2)的输入端连接；WDM(2)的两个输出端分别与第一APD(3)的输入端和第二APD(4)的输入端连接；第一APD(3)的输出端与第一LNA(5)的输入端连接；第二APD(4)的输出端与第二LNA(6)的输入端连接；第一LNA(5)的输出端和第二LNA(6)的输出端均与数据采集卡(7)的输入端连接；数据采集卡(7)的输出端与计算机(8)的输入端连接；计算机(8)与脉冲激光器(1)双向连接；
待测光纤(11)的前端与WDM(2)的公共端连接；待测光纤(11)的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环；第一参考光纤环放置于第一高精度恒温槽(9)中；第二参考光纤环放置于第二高精度恒温槽(10)中；第一温度传感器(12)安装于第一高精度恒温槽(9)上；第二温度传感器(13)安装于第二高精度恒温槽(10)上；第一温度传感器(12)和第二温度传感器(13)均与计算机(8)双向连接；
脉冲激光器的波长为1550.1nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm；第一APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；第二APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；第一LNA的带宽为100MHz；第二LNA的带宽为100MHz；数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz；待测光纤为普通多模光纤；
(2)、将第一高精度恒温槽(9)的温度值设置为T1，将第二高精度恒温槽(10)的温度值设置为T2；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器(1)发出的激光脉冲经WDM(2)入射到待测光纤(11)；激光脉冲在待测光纤(11)中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤(11)的各个位置均产生背向传输的Stokes光和anti-Stokes光；
Stokes光依次经WDM(2)、第一APD(3)、第一LNA(5)入射到数据采集卡(7)，数据采集卡(7)对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线；
anti-Stokes光依次经WDM(2)、第二APD(4)、第二LNA(6)入射到数据采集卡(7)，数据采集卡(7)对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到anti-Stokes光的光强曲线；
(3)、拉曼信号采集仪根据采集得到Stokes光的光强数据和anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据；
具体温度解调公式如下式(1)：
公式中：T表示待测光纤(11)的某一待测位置的温度值；φs表示该待测位置产生的Stokes光的光强值；φa表示该待测位置产生的anti-Stokes光的光强值；L表示该待测位置与待测光纤(11)的前端之间的距离；φs1表示第一参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φa1表示第一参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值；φs2表示第二参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φa2表示第二参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值；L1表示第一参考光纤环的位置与待测光纤(11)的前端之间的距离；L22表示第二参考光纤环的位置与待测光纤(11)的前端之间的距离；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数；；
(4)、分布式光纤温度及应变传感系统根据光时域反射原理采集得到的Stokes光和anti-Stokes光的光强值，公式可分别表示为：
φs＝KsVs 4SφeRs(T)exp[-(αo+α，)L]..............................(2)
φa＝KaVa 4SφeRa(T)exp[-(αo+αa)L]...............................(3)
其中，Stokes光的温度调制函数Rs(T)和anti-Stokes光的温度调制函数Ra(T)分别为：
式中Ks，Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Vs，Va为斯托克斯与反斯托克斯光的频率，S为散射截面，h,K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv光纤的拉曼频移量，αo、αs、αa分别为入射泵浦光和斯托克斯与反斯托克斯光在光纤中单位长度下的衰减系数；
将光纤沿线的温度T公式(1)代入公式(2)和(3)中，经过化解后光纤沿线各点的后向拉曼散射衰减系数可以表示为：
(5)、系统基于光纤沿线的衰减变化情况，即可反映出光纤沿线的应变及应力变化情况；
(6)、系统根据公式(1)和公式(5)即可利用一根光纤同时测量出光纤沿线的温度及应变化。
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