CN112880866A - 长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式光纤传感系统，公开了一种产距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关、第一耦合器、第二耦合器、波分复用器、第二光开关、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、APD探测器、数据采集卡和计算机；本发明通过混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤沿线的应变信息，通过不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光和斯托克斯光强度，计算传感光纤沿线的温度信息。本发明提高了系统的传感距离和空间分辨率，传感距离可以突破100km，空间分辨率可达毫米量级。

Description

长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感系统，具体一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法，其传感距离可达100km量级，空间分辨率可达毫米量级。

背景技术

拉曼分布式光纤传感系统是一种分布式传感系统，其主要工作原理是利用激光在光纤内传播的过程中在光纤各处产生的后向拉曼散射容易受到光纤相应位置处的温度、应变等多种物理条件变化而影响的特点，通过对后向拉曼散射光的特性分析，从而获得传感光纤沿线的各项参数。光纤分布式拉曼传感系统具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布式测量等有点，被广泛应用于矿山、桥梁、管道、大型建筑等安全监测领域。

在分布式光纤拉曼传感系统中，空间分辨率是指能够分辨光纤温度变化的最小长度。提高空间分辨率对安全监测领域具有重要意义。目前，分布式光纤拉曼传感系统的定位方法是光时域反射技术，但是由于光源脉宽的限制，导致其传感距离与空间分辨率无法兼顾，且其最优空间分辨率仅为1m。由于自发拉曼散射对入纤光功率的最大值有限制，随着传感距离的增加，光损耗也逐渐增大，系统信噪比下降，因此难以实现超过100km的传感距离。此外，分布式光纤拉曼传感技术还无法实现温度和应变的同时监测。

基于此，有必要对现有技术中的分布式光纤拉曼传感装置进行改进，可以解决现有分布式光纤传感系统无法同时对温度和应变进行测量的科学难题，同时，提高其空间分辨率与传感距离。

发明内容

本发明为了解决现有的分布式光纤温度与应力传感系统中难以同时兼顾传感长距离与高空间分辨率无法同时实现的问题，提出一种100km、毫米级空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关、第一耦合器、第二耦合器、波分复用器、第二光开关、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、APD探测器、数据采集卡和计算机；

所述混沌激光源的输出端与所述第一耦合器输入端连接，第一耦合器的输出端分别与第二耦合器的一个输入端和APD探测器连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器的输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的两个输出端分别与传感光纤的两端连接，波分复用器的第三端口和第四端口分别与第一光电探测器和第二光电探测器连接；

APD探测器、第一光电探测器、第二光电探测器的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端与计算机连接；所述传感光纤的一端设置于恒温槽中；

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤中的脉冲激光方向；

计算机用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光和斯托克斯光强度，计算得到传感光纤沿线的温度信息。

所述脉冲激光源为脉冲激光器，混沌激光源包括混沌激光器、隔离器，半导体光放大器，脉冲掺铒光纤放大器，

第一光开关输入端与混沌激光器和脉冲激光器的输出端连接，输出端分别与第二耦合器的另一个输入端和隔离器的输入端连接，隔离器的输出端依次连接半导体光放大器，脉冲掺铒光纤放大器和第一耦合器。

所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，还包括第三耦合器、第四耦合器、第一半导体激光器和第二半导体激光器；

所述第二光开关的两个输出端分别与第三耦合器和第四耦合器的一个输入端连接，第一半导体激光器和第二半导体激光器的输出端分别与第三耦合器和第四耦合器的另一个输入端连接，第三耦合器和第四耦合器的输出端分别与传感光纤的两端连接。

所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，还包括第一信号放大器和第二信号放大器，所述第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别通过第一信号放大器和第二信号放大器与数据采集卡连接。

所述脉冲激光的脉冲宽度为M＝100ns，N＝100.01ns，重复频率为1kHz。

所述第一光开关为2×2光开关，第二光开关为1×2光开关，第一耦合器为1×2光纤耦合器，第二耦合器为2×1光纤耦合器，波分复用器为1×3波分复用器。

传感光纤沿线的温度信息的计算公式为：

其中，T表示传感光纤的温度，T₀表示恒温槽温度，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲产生的斯托克斯光光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲产生的斯托克斯光光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲在参考光纤L₀处产生的斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前后向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强。

传感光纤沿线的应变信息的计算方法为：

首先计算传感光纤沿线的混沌匹配系数，计算公式为：

其中，

表示传感光纤中位置l处的混沌匹配系数，T‘表示接收到的混沌脉冲产生的后向反斯托克斯光与参考混沌脉冲信号的时间长度，Z(l+t)表示在光纤l处产生的后向反斯托克斯光强度，t表示延迟时间，X(t)表示混沌脉冲信号强度；

然后，根据混沌匹配系数的斜率，确定传感光纤沿线的应变信息。

本发明还提供了所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统的传感方法，包括应变测量的步骤和温度测量的步骤，其中，温度测量的步骤为：

S101、通过第一光开关，控制脉冲激光源输出的脉冲宽度为M的脉冲激光入射至第二耦合器，并依次经波分复用器后入射至传感光纤，利用第一光电探测器和第二光电探测器接收从传感光纤中输出的斯托克斯光和反斯托克斯光；然后，改变第二光开关，使下一个脉冲从传感光纤的另一端射入，再次利用第一光电探测器和第二光电探测器接收从传感光纤中输出的斯托克斯光和反斯托克斯光；

S102、改变脉冲激光源输出的脉冲宽度为N，重复步骤S101的操作；

应变测量的方法为：通过第一光开关，控制混沌激光源输出的混沌激光入射至第一耦合器，利用APD探测器和第二光电探测器接收混沌脉冲信号和传感光纤中产生的反斯托克斯光。

所述步骤S101中，还包括控制第一半导体激光器或第二半导体激光器发出的光与脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤；

所述应变测量的方法中，还包括控制第一半导体激光器或第二半导体激光器发出的光与混沌脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法，其通过将混沌激光器产生的连续混沌激光经过半导体光放大器进行脉冲调制后，将混沌脉冲信号和沿传感光纤产生拉曼散射回来后经过处理的具有混沌激光特性的拉曼散射信号与混沌脉冲激光信号进行互相关处理，获得光纤沿线的应变信息。同时，通过逐步改变进入传感光纤的脉冲宽度，将不同脉冲宽度下的拉曼散射信号进行差分分层解析技术，突破传统方法中脉冲宽度对系统空间分辨率的限制。由于混沌激光的带宽远远大于普通的半导体激光器，而系统分辨率受混沌信号的半高全宽影响，带宽越大，半高全宽越小，空间分辨率越高，当混沌激光带宽达到50GHz时，理论空间分辨率可以达到毫米量级。

此外，本发明通过布置在传感光纤两端波长为1350nm的半导体激光器，利用光纤受激拉曼散射效应，实现对波长为1450nm的拉曼反斯托克斯光放大，进一步提高系统信噪比，从而可以使其传感距离突破100km。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统的结构示意图；

图中：图中：1：脉冲激光器，2：混沌激光器，3：第一光开关，4：隔离器，5：半导体光放大器，6：脉冲掺铒光纤放大器，7：第一耦合器，8：第二耦合器，9：波分复用器，10：第二光开关，11：第三耦合器，12：第四耦合器，13：传感光纤，14：第一半导体激光器，15：第二半导体激光器，16：第一光电探测器，17：第一信号放大器，18：第二光电探测器，19：第二信号放大器，20：衰减器，21：APD探测器，22：数据采集卡，23：计算机，24：恒温槽。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，包括，脉冲激光器1，混沌激光器2，第一光开关3，隔离器4，半导体光放大器5，脉冲掺铒光纤放大器6，第一耦合器7，第二耦合器8，波分复用器，第二光开关10，第三耦合器11，第四耦合器12，传感光纤13，第一半导体激光器14，第二半导体激光器15，第一光电探测器16，第一信号放大器17，第二光电探测器18，第二信号放大器19，衰减器20，APD探测器21，数据采集卡22，计算机23，恒温槽24。

其中，脉冲激光器1与第一光开关3的输入端相连，混沌激光器2与第一光开关3的另一输入端相连。第一光开关3的一个输出端与第二耦合器8的输入端相连，另一个输出端与隔离器4的输入端相连，隔离器4的输出端与半导体光放大器5的输入端相连，半导体光放大器5的输出端与脉冲掺铒光纤放大器6的输入端相连，脉冲掺铒光纤放大器6的输出端与第一耦合器7的输入端相连，第一耦合器7的一个输出端与第二耦合器8的另一输入端，第一耦合器7的另一输出端与衰减器20的输入端相连，衰减器20的输出端与APD探测器21的输入端相连，APD探测器21的输出端与数据采集卡22输入端相连，数据采集卡22输出端与计算机23相连。第二耦合器8的输出端与波分复用器9的输入端相连，波分复用器9的一个输出端与第二光电探测器18的输入端相连，第二光电探测器18的输出端与第二信号放大器19的输入端相连，第二信号放大器19的输出端与数据采集卡22的输入端相连；波分复用器9的另一个输出端与第一光电探测器16的输入端相连，第一光电探测器16的输出端与第一信号放大器17的输入端相连，第一信号放大器17的输出端与数据采集卡22的输入端相连；波分复用器9的最后一个端口与第三光开关10的输入端相连，第三光开关10的输出端与第三耦合器11的一个输入端相连，第三耦合器11的另一个输入端与第一半导体激光器14的输出端相连，第三耦合器11的输出端与传感光纤13的一端相连；第三光开关10的另一个输出端与第四耦合器12的另一个输入端相连，第四耦合器12的另一个输入端与第二半导体激光器15的输出端相连，第四耦合器12的输出端与传感光纤13的另一端相连，将传感光纤13中1m长的光纤放入恒温槽24中。

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关3用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤13中的脉冲激光方向；第一光电探测器16和第二光电探测器18分别用于接收脉冲激光和混沌激光在传感光纤中产生并输出的拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光，APD探测器21用于接收混沌脉冲参考信号。

计算机23用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤13沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光和斯托克斯光强度，计算得到传感光纤13沿线的温度信息。

本实施例中，第一半导体激光器14与第二半导体激光器15发出中心波长为1350nm的连续光进入传感光纤。第一半导体激光器14与第二半导体激光器15产生的连续激光分别进入传感光纤后，在传感光纤中产生受激拉曼散射效应。当进入传感光纤的连续光(第一半导体激光器14或第二半导体激光器15发出的)与进入传感光纤的探测光(脉冲激光或混沌脉冲激光)方向一致时，则脉冲激光和混沌脉冲激光在传感光纤中的拉曼散射光(斯托克斯光和反斯托克斯光)均受到上述受激拉曼散射产生的连续拉曼散射的调制，使自身信号得到增强。因此，在本实施例中，第一半导体激光器14与第二半导体激光器15可以提高系统信噪比，实现100km长距离传感。

其中，所述第一光开关3为2×2光开关，第二光开关10为1×2光开关，第一耦合器7为1×2光纤耦合器，第二耦合器8为2×1光纤耦合器，波分复用器9为1×3波分复用器。脉冲激光器1首先发出中心波长为1550nm，其用于发出的两种脉冲宽度不同的脉冲激光。混沌激光器2产生的连续混沌激光的波长为1550nm。

(1)温度测量阶段

温度测量时系统运行方式：脉冲激光器1首先发出中心波长为1550nm，脉冲宽度为M＝100ns的脉冲激光，重复频率为1kHz，在这种情况下可以保证传感距离达到100km。这个脉冲激光通过第一光开关3直接进入1×3波分复用器9，之后通过第三光开关10进入传感光纤13一端，产生的拉曼后向散射信号经第三光开关10返回波分复用器9，其后向散射光中的斯托克斯光与反斯托克斯光分别进入第一光电探测器16与第二光电探测器18，转换为电信号经过第一信号放大器17与第二信号放大器19放大，由数据采集卡22将模拟电信号转换为数字电信号，最终进入计算机23进行存储。之后改变第三光开关10的开关状态，使下一个脉冲从传感光纤13的另一端射入，经过与上述相反路径后获得后向散射光强度数据。接下来，改变脉冲激光器1产生的脉冲激光的脉冲宽度为N＝100.01ns，重复前述步骤，获取两次前后向散射信号的强度数据。将获得的四次前、后向散射信号进行解调，获取光纤沿线的温度信息。

温度解调原理：脉冲激光产生的后向拉曼散射光是一个连续的信号，经过数据采集卡的模数转换后，连续信号变为多个离散数据点，每个数据点中包含的温度信息对应着传感光纤上的长度为：

其中L‘为光纤中对应的长度，c表示光在真空中传输的速度，t表示脉冲宽度，n表示光纤折射率。因为对应区域的温度信息全部都叠加在一个数据点上，因此这个数据点对应的范围中更加细节的温度信息无法区分，这也是限制空间分辨率的主要原因。对于不同脉冲宽度获得的同一位置数据，100ns对应的长度为10m，而100.01ns对应的长度为10.001m，将两个不同的激光脉冲M与N所产生的两个后向散射信号做差，即可获得对应光纤范围为0.001m的信号，实现系统空间分辨率提升。此处脉冲M与N的脉冲宽度并不固定，100ns与100.01ns仅仅是为了方便说明。具体地，本实施例中，脉冲宽度在保证不会产生受激拉曼散射的前提下，增加脉冲宽度，提高入纤功率可以增加传感距离。脉冲宽度的差值则会直接影响到空间分辨率，因此，在系统软件与硬件条件允许的情况下，脉冲宽度M与N可以尽可能接近，即其差值可以尽可能小，本实施例中，|M-N|取值为0.01ns，可以在满足现有系统软硬件的条件下，实现毫米量级的空间分辨率。此外，脉冲宽度M和N的取值范围可以为50ns～150ns，均可以达到本发明的长传感距离的效果。

将第三光开关10处于同一状态下，脉冲激光从传感光纤的一端进入，传播到传感光纤的另一端，我们将这个方向定义为前向。脉冲M与N产生的斯托克斯光与反斯托克斯光分别做差，获得对应的斯托克斯光强与反斯托克斯光强。

前向脉冲M产生的斯托克斯光信号：

前向脉冲M产生的反斯托克斯光信号：

前向脉冲N产生的斯托克斯光信号：

前向脉冲N产生的反斯托克斯光信号：

在上述公式(2)～(5)中，P表示入射光强度，K_s和K_a表示与拉曼斯托克斯与反斯托克斯背向散射截面系数，S是光纤的背向散射因子，ν_a和ν_s是拉曼反斯托克斯散射信号与反斯托克斯散射信号的频率，φ_e表示耦合进入光纤的脉冲激光光通量，α₀、α_a、α_s分别是入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，L为传感光线光纤的长度，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T为传感光纤温度。

将公式(2)(3)(4)(5)做差并计算比值，可以将其定义为传感光纤前向温度系数，即：

在上述公式中，R_F(T,L)表示传感光纤前向温度系数。

分别表示M脉冲与N脉冲产生的斯托克斯光的光强，

分别表示M脉冲与N脉冲产生的反斯托克斯光的光强，K_s、K_a表示斯托克斯光与反斯托克斯光的散射系数，ν_s、ν_a分别表示斯托克斯光与反斯托克斯光的中心频率，h表示普朗克常量，Δν表示拉曼散射频移量，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，α_a、α_s分别表示反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤中的损耗系数，L表示光纤中对应的位置，l表示传感光纤长度。

同理，当第三光开关10处于另一状态下，即脉冲激光从传感光纤的另一端进入时，即传感光纤中的光束传播方向与前向传播方向相反，将这个方向定义为后向。脉冲M与N产生的斯托克斯光与反斯托克斯光的其强度表达式如下。

后向时脉冲M产生的斯托克斯光信号：

后向时脉冲M产生的反斯托克斯光信号：

后向时脉冲N产生的斯托克斯光信号：

后向时脉冲N产生的反斯托克斯光信号：

同样，将公式(7)～(9)做差并计算比值，可以将其定义为传感光纤后向温度系数，即：

其中，R_B(T,L)表示传感光纤后向温度系数。

分别表示M脉冲与N脉冲产生的斯托克斯光的光强，

分别表示M脉冲与N脉冲产生的反斯托克斯光的光强，K_s、K_a表示斯托克斯光与反斯托克斯光的散射系数，ν_s、ν_a分别表示斯托克斯光与反斯托克斯光的中心频率，h表示普朗克常量，Δν表示拉曼散射频移量，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，α_a、α_s分别表示反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤中的损耗系数，L表示光纤中对应的位置，l表示传感光纤长度。

由于光信号在光纤中传输过程中会产生损耗，在传感光纤不同位置处产生的后向散射信号与衰减有关，公式(6)与公式(11)中的前向温度系数和后向温度系数均与光纤衰减系数有关。将公式(6)与公式(11)做几何平均，得到传感光纤的温度系数为：

公式(12)中

的部分，就可以转换为一个仅与传感光纤本身性质有关的量，当传感光纤的状态不发生变化时，衰减系数也不会变化。

同理，处于恒温槽24中温度为T₀的传感光纤，L₀为恒温槽中传感光纤的位置，其对应的温度系数为：

其中R_F(T₀,L₀)表示前向温度系数在参考光纤处的具体数值，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强，K_s、K_a表示斯托克斯光与反斯托克斯光的散射系数，ν_s、ν_a分别表示斯托克斯光与反斯托克斯光的中心频率，h表示普朗克常量，Δν表示拉曼散射频移量，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，α_a、α_s分别表示反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤中的损耗系数，L表示光纤中对应的位置，l表示传感光纤长度。

其中，R_B(T₀,L₀)表示传感光纤后向温度系数。

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲在参考光纤L₀处产生的斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前后向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强。K_s、K_a表示斯托克斯光与反斯托克斯光的散射系数，ν_s、ν_a分别表示斯托克斯光与反斯托克斯光的中心频率，h表示普朗克常量，Δν表示拉曼散射频移量，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，α_a、α_s分别表示反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤中的损耗系数，L表示光纤中对应的位置，l表示传感光纤长度。

R_L(T₀,L₀)表示传感光纤温度系数在参考光纤L₀处的具体数值。

将公式(12)与公式(15)做比，可以消除衰减系数，最终获得温度解调公式为：

通过公式(16)可以获得沿传感光纤各点的温度值。

(2)应变测量阶段

应变测量时系统运行方式：在应变测量阶段改变第一光开关3的开关状态，使混沌激光器2产生的连续混沌激光经过隔离器4进入半导体光放大器5中调制成为混沌脉冲激光，其脉冲宽度为10ns，重复频率1kHz，以实现100km的传感距离。之后混沌脉冲激光经过脉冲掺铒光纤放大器6放大，通过第一耦合器7，分为1：99的两路光，其中能量较强的混沌脉冲激光为探测光，探测光经过第二耦合器8，1×3波分复用器9，经过第三光开关10进入传感光纤13中，在传感光线中产生的拉曼后向反斯托克斯光与经过光纤末端反射的探测光经过第三光开关10，进入1×3波分复用器9后将特定波长的反斯托克斯光滤出，进入第一光电探测器16转换为电信号，并通过第一信号放大器17放大后进入数据采集卡22中采集，获得其后向拉曼散射产生的反斯托克斯光数据。通过第一耦合器7后产生的能量较弱的混沌脉冲激光为参考光，产生后进入衰减器20的一端，并从另一端输出，随后进入APD探测器21，将光强信号转变为电信号输入至数据采集卡22中。将获取的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与获取的参考混沌脉冲信号进行解调，获得传感光纤13沿线的应变信息。

应变解调原理：将获得的混沌脉冲产生的后向斯托克斯光与混沌脉冲参考信号，进行混沌时序匹配运算，通过混沌时序匹配运算的相关系数可得到传感光纤发生应变的位置以及应变引起的附加损耗系数。混沌匹配滤波公式为：

式中，

表示传感光纤l处混沌匹配系数，T’表示收到的混沌脉冲产生的后向反斯托克斯光与参考混沌脉冲信号的时间长度，Z(l+t)表示在光纤l处产生的后向反斯托克斯光强度，t表示延迟时间，X(t)表示混沌脉冲信号强度，实际上为APD探测器测量得到的混沌脉冲参考信号的强度。

将混沌脉冲参考信号与反斯托克斯光信号进行混沌时序匹配运算，混沌匹配系数

的图像是一条斜率为损耗系数的直线，来自传感光纤未发生应变区域的反斯托克斯信号损耗系数为α₀，来自发生应变区域的反斯托克斯信号损耗系数为α₁＝α₀+Δα，其中Δα为应变引起的附加损耗。通过混沌匹配系数可得到传感光纤发生应变的位置以及应变引起的附加损耗数值Δα。而传感光纤的附加损耗与光纤受到的应力应变呈现一个正线性关系。基于此，本发明可以解调出光纤沿线的应变信息。

实施例二

本发明实施例二提供了实施例一所述的一种100km、毫米级空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统的传感方法，包括应变测量的步骤和温度测量的步骤，其中，温度测量的步骤为：

S101、通过第一光开关3，控制脉冲激光源输出的脉冲宽度为M的脉冲激光入射至第二耦合器8，并依次经波分复用器9后入射至传感光纤，利用第一光电探测器16和第二光电探测器18接收从传感光纤中输出的斯托克斯光和反斯托克斯光；然后，改变第二光开关10，使下一个脉冲从传感光纤的另一端射入，再次利用第一光电探测器16和第二光电探测器18接收从传感光纤中输出的斯托克斯光和反斯托克斯光；

S102、改变脉冲激光源1输出的脉冲宽度为N，重复步骤S101的操作；

应变测量的方法为：通过第一光开关3，控制混沌激光源输出的混沌激光入射至第一耦合器7，利用APD探测器21和第二光电探测器18接收混沌脉冲信号和传感光纤中产生的反斯托克斯光。

温度测量和应变测量完成后，通过数据采集卡和计算机对数据进行采集和处理，可以解调得到传感光纤沿线的温度和应变信息。

进一步地，所述步骤S101中，还包括控制第一半导体激光器14或第二半导体激光器15发出的光与脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤；所述应变测量的方法中，还包括控制第一半导体激光器14或第二半导体激光器15发出的光与混沌脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤。通过使第一半导体激光器14或第二半导体激光器15发出的连续光与探测光同步进入传感光纤，可以使探测光在传感光纤中的拉曼散射光(斯托克斯光和反斯托克斯光)均受到受激拉曼散射产生的连续拉曼散射的调制，使自身信号得到增强，提高系统的信噪比。

综上所述，本发明提供了一种100km、毫米级空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统的传感方法，利用混沌脉冲源，将混沌脉冲信号和沿传感光纤产生拉曼散射回来后经过处理的具有混沌激光特性的拉曼散射信号与混沌脉冲激光信号进行互相关处理，获得光纤沿线的应变信息。同时，通过逐步改变进入传感光纤的脉冲宽度，将不同脉冲宽度下的拉曼散射信号进行差分分层解析技术，突破传统方法中脉冲宽度对系统空间分辨率的限制。由于混沌激光的带宽远远大于普通的半导体激光器，而系统分辨率受混沌信号的半高全宽影响，带宽越大，半高全宽越小，空间分辨率越高，当混沌激光带宽达到50GHz时，理论空间分辨率可以达到毫米量级。此外本发明通过布置在传感光纤两端波长为1350nm的半导体激光器，利用光纤受激拉曼散射效应，实现对波长为1450nm的拉曼反斯托克斯光放大，进一步提高系统信噪比，从而可以使其传感距离突破100km。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关（3）、第一耦合器（7）、第二耦合器（8）、波分复用器（9）、第二光开关（10）、传感光纤（13）、第一光电探测器（16）、第二光电探测器（18）、APD探测器（21）、数据采集卡（22）和计算机（23）；

所述混沌激光源的输出端与所述第一耦合器（7）输入端连接，第一耦合器（7）的输出端分别与第二耦合器（8）的一个输入端和APD探测器（21）连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器（8）的另一个输入端连接，第二耦合器（8）的输出端与波分复用器（9）的第一端口连接，波分复用器（9）的第二端口与第二光开关（10）的输入端连接，第二光开关（10）的两个输出端分别与传感光纤（13）的两端连接，波分复用器（9）的第三端口和第四端口分别与第一光电探测器（16）和第二光电探测器（18）连接；

APD探测器（21）、第一光电探测器（16）、第二光电探测器（18）的输出端与数据采集卡（22）连接，数据采集卡（22）的输出端与计算机（23）连接；所述传感光纤（13）的一端设置于恒温槽（24）中；

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关（3）用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤（13）中的脉冲激光方向；

计算机（23）用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤（13）沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光和斯托克斯光强度，计算得到传感光纤（13）沿线的温度信息。

2.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，所述脉冲激光源为脉冲激光器，混沌激光源包括混沌激光器（2）、隔离器（4），半导体光放大器（5），脉冲掺铒光纤放大器（6），

第一光开关（3）输入端与混沌激光器（2）和脉冲激光器的输出端连接，输出端分别与第二耦合器（8）的另一个输入端和隔离器（4）的输入端连接，隔离器（4）的输出端依次连接半导体光放大器（5），脉冲掺铒光纤放大器（6）和第一耦合器（7）。

3.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，还包括第三耦合器（11）、第四耦合器（12）、第一半导体激光器（13）和第二半导体激光器（15）；

所述第二光开关（10）的两个输出端分别与第三耦合器（11）和第四耦合器（12）的一个输入端连接，第一半导体激光器（13）和第二半导体激光器（15）的输出端分别与第三耦合器（11）和第四耦合器（12）的另一个输入端连接，第三耦合器（11）和第四耦合器（12）的输出端分别与传感光纤（13）的两端连接。

4.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，还包括第一信号放大器（17）和第二信号放大器（19），所述第一光电探测器（16）、第二光电探测器（18）的输出端分别通过第一信号放大器（17）和第二信号放大器（19）与数据采集卡（22）连接。

5.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲宽度为M=100ns，N=100.01ns，重复频率为1kHz。

6.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，所述第一光开关（3）为2×2光开关，第二光开关（10）为1×2光开关，第一耦合器（7）为1×2光纤耦合器，第二耦合器（8）为2×1光纤耦合器，波分复用器（9）为1×3波分复用器。

7.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，传感光纤（13）沿线的温度信息的计算公式为：

；

其中，T表示传感光纤的温度，T₀表示恒温槽温度，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲产生的斯托克斯光光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲产生的斯托克斯光光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲在参考光纤L₀处产生的斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的前后向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强。

8.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，其特征在于，传感光纤（13）沿线的应变信息的计算方法为：

首先计算传感光纤沿线的混沌匹配系数，计算公式为：

其中，

表示传感光纤中位置l处的混沌匹配系数， T‘表示接收到的混沌脉冲产生的后向反斯托克斯光与参考混沌脉冲信号的时间长度，Z（l+t）表示在光纤l处产生的后向反斯托克斯光强度，t表示延迟时间，X(t)表示混沌脉冲信号强度；

然后，根据混沌匹配系数的斜率，确定传感光纤沿线的应变信息。

9.根据权利要求1所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统的传感方法，其特征在于，包括应变测量的步骤和温度测量的步骤，其中，温度测量的步骤为：

S101、通过第一光开关（3），控制脉冲激光源输出的脉冲宽度为M的脉冲激光入射至第二耦合器（8），并依次经波分复用器（9）后入射至传感光纤，利用第一光电探测器（16）和第二光电探测器（18）接收从传感光纤中输出的斯托克斯光和反斯托克斯光；然后，改变第二光开关（10），使下一个脉冲从传感光纤的另一端射入，再次利用第一光电探测器（16）和第二光电探测器（18）接收从传感光纤中输出的斯托克斯光和反斯托克斯光；

S102、改变脉冲激光源（1）输出的脉冲宽度为N，重复步骤S101的操作；

应变测量的方法为：通过第一光开关（3），控制混沌激光源输出的混沌激光入射至第一耦合器（7），利用APD探测器（21）和第二光电探测器（18）接收混沌脉冲信号和传感光纤中产生的反斯托克斯光。

10.根据权利要求9所述的一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统的传感方法，其特征在于，所述步骤S101中，还包括控制第一半导体激光器（14）或第二半导体激光器（15）发出的光与脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤；

所述应变测量的方法中，还包括控制第一半导体激光器（14）或第二半导体激光器（15）发出的光与混沌脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤。

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