CN113654580B - 一种同时测量温度与应变的光频域反射系统 - Google Patents

一种同时测量温度与应变的光频域反射系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时测量温度与应变的光频域反射系统，具体属于分布式光纤传感技术领域。通过可调谐激光器发出扫频光进入环形器，探测光从环形器一端出口经波分复用器进入待测光纤，产生拉曼散射光和后向瑞利散射光，完成温度和应变的测量；经波分复用器分别解复用出瑞利散射信号，斯托克斯和反斯托克斯信号进行分别解调，采用相关算法对后向瑞利散射光谱偏移量进行计算来实现温度和应变检测，采用拉曼双路分析脉冲响应方法进行温度补偿，从而解决了温度与应变之间的交叉敏感问题，实现了温度与应变的同时测量。

Description

一种同时测量温度与应变的光频域反射系统
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种同时测量温度与应变的光频域反射系统。
背景技术
近年来，光纤传感器在世界范围内引起了广泛的研究兴趣，光纤传感技术由于其测量距离长、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，广泛应用于地质沉降灾害区管线、桥梁等大型结构安全监测。由于它们的分布式能力，显示出比传统传感器更高的优势。在方法上，光时域反射计（OTDR）和光频域反射计（OFDR）已经找到了满足各种实际需要的方法。OFDR采用连续扫频光探测，具有空间分辨率高、动态范围大的特点，其相干探测方案的灵敏度高，可以获得毫米波段的空间分辨率。OFDR填补了OTDR在测量范围上的空白，在智能材料、结构健康监测等实际温度和应变监测应用中具有重要的应用价值。
但分布式光纤传感器对应变和温度都很敏感，通常使温度变化与应变变化无法区分，在监测应变或温度时会引入误差。因此在研究光频域反射仪（OFDR）的过程中，需要精确测量温度和应变这两个参数，解决交叉敏感问题，从而实现温度与应变的同时测量。
发明内容
本发明提供了一种同时测量温度与应变的光频域反射系统，通过检测瑞利散射光谱频移（光频域反射系统）与拉曼双路分析脉冲响应方法（拉曼光频域反射系统）来解决交叉敏感问题，由于拉曼光频域反射系统只对温度敏感，因而采用拉曼光频域反射系统对其进行温度补偿，简化了双参量传感矩阵的计算，能够有效的解决交叉敏感问题；并采用辅助干涉仪抑制了扫频光源的非线性，采用偏振分集接收系统消除偏振衰落的影响，从而实现高空间分辨率下温度与应变的同时测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种同时测量温度与应变的光频域反射系统，包括：
可调谐激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器、待测光纤、第四光纤耦合器、偏振分束器、平衡光电探测器、雪崩二极管、延迟光纤、第五光纤耦合器、光电探测器、数据采集模块、第一信号处理装置、第二信号处理装置；
其中，可调谐激光器的输出端连接第一光纤耦合器的输入端A，第一光纤耦合器的输出端B连接第二光纤耦合器的输入端，第二光纤耦合器的输出端F连接光纤环形器的第一端口G；光纤环形器的第二端口H连接波分复用器的输入端口I，波分复用器的输出端口J连接待测光纤，光纤环形器的第三端口K连接第四光纤耦合器的输入端W；第四光纤耦合器的输出端连接偏振分束器的输入端L；偏振分束器的两个输出端分别连接平衡光电探测器的输入端M和输入端N，平衡光电探测器的输出端连接数据采集模块的输入端O；第三光纤耦合器的输出端S经延迟光纤连接第五光纤耦合器的输入端T，第三光纤耦合器的输出端U连接第五光纤耦合器的输入端V，第五光纤耦合器的输出端经光电探测器连接数据采集模块的输入端X；波分复用器的两个输出端口P和Q对应连接雪崩二极管的两个输入端，雪崩二极管的两个输出端对应连接数据采集模块的输入端R1和输入端R2；数据采集模块的输出Y端口连接第一信号处理装置，数据采集模块的输出Z端口连接第二信号处理装置。
其中，第二光纤耦合器的输出端D与第四光纤耦合器的输入端E连接的线路上设置第一偏振控制器；第三光纤耦合器的输出端U与第五光纤耦合器的输入端V连接的线路上设置第二偏振控制器。
区别于现有技术，本发明的同时测量温度与应变的光频域反射系统，结合光频域反射系统和拉曼光频域反射系统，通过探测光纤中的斯托克斯、反斯托克斯双路脉冲响应分析和后向瑞利散射光谱频移来解调温度与应变，解决了温度与应变传感存在的交叉敏感问题，还避免了因扫频光源非线性和偏振衰落带来的相位噪声，导致系统信噪比恶化，影响传感精度和实时性；本发明能对相位噪声进行补偿，提高信噪比，进而提升系统测量准确度，实现高精度的传感。
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是本发明提供的一种同时测量温度与应变的光频域反射系统的结构示意图。
图中，1、可调谐激光器；2、第一光纤耦合器；3、第二光纤耦合器；4、第三光纤耦合器；5、光纤环形器；6、波分复用器；7、待测光纤；8、第一偏振控制器；9、第四光纤耦合器；10、偏振分束器；11、平衡光电探测器；12、雪崩二极管；13、延迟光纤；14、第二偏振控制器；15、第五光纤耦合器；16、光电探测器；17、数据采集模块；18、第一信号处理装置；19、第二信号处理装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都将属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明提供了一种同时测量温度与应变的光频域反射系统，包括：
可调谐激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、第三光纤耦合器4、光纤环形器5、波分复用器6、待测光纤7、第四光纤耦合器9、偏振分束器10、平衡光电探测器11、雪崩二极管12、延迟光纤13、第五光纤耦合器15、光电探测器16、数据采集模块17、第一信号处理装置18、第二信号处理装置19；
其中，可调谐激光器1的输出端连接第一光纤耦合器2的输入端A，第一光纤耦合器2的输出端B连接第二光纤耦合器3的输入端，第二光纤耦合器3的输出端F连接光纤环形器5的第一端口G；光纤环形器5的第二端口H连接波分复用器6的输入端口I，波分复用器6的输出端口J连接待测光纤7，光纤环形器5的第三端口K连接第四光纤耦合器9的输入端W；第四光纤耦合器9的输出端连接偏振分束器10的输入端L；偏振分束器10的两个输出端分别连接平衡光电探测器11的输入端M和输入端N，平衡光电探测器11的输出端连接数据采集模块17的输入端O；第三光纤耦合器4的输出端S经延迟光纤13连接第五光纤耦合器15的输入端T，第三光纤耦合器4的输出端U连接第五光纤耦合器15的输入端V，第五光纤耦合器15的输出端经光电探测器16连接数据采集模块17的输入端X；波分复用器6的两个输出端口P和Q对应连接雪崩二极管12的两个输入端，雪崩二极管12的两个输出端对应连接数据采集模块17的输入端R1和输入端R2；数据采集模块17的输出Y端口连接第一信号处理装置18，数据采集模块17的输出Z端口连接第二信号处理装置19。
其中，第二光纤耦合器3的输出端D与第四光纤耦合器9的输入端E连接的线路上设置第一偏振控制器8；第三光纤耦合器4的输出端U与第五光纤耦合器15的输入端V连接的线路上设置第二偏振控制器14。
本发明的工作原理：本发明通过可调谐激光器1发出光功率恒定、相位连续、频率随时间单调变化的激光信号，经光纤环形器5的端口H及波分复用器6进入待测光纤7，产生后向瑞利散射光和拉曼散射光，完成温度和应变的测量；后向瑞利散射光从光纤环形器5另一端口K输入，并与参考光经过拍频后进行采集；拉曼散射光从波分复用器6两端口输出并采集；完成瑞利散射频移解调以及斯托克斯、反斯托克斯双路脉冲响应分析，解决了温度与应变之间的交叉敏感问题；而且对系统进行偏振分集接收处理，可以消除随机偏振态导致可能无法检测到拍频信号的影响，提高系统信噪比；对系统光源的非线性进行增加辅助干涉仪处理，可以消除系统中的相位噪声，从而在提升精度的情况下保证温度与应变的同时测量。
下面结合图1说明本发明的具体实施方式：如附图1所示，可调谐激光器1发出光功率呈正弦变化且频率不断增大的激光信号（波长为1550nm），光信号进入第一光纤耦合器2，经第一光纤耦合器2分为99%主干涉光与1%辅助干涉光。
其中，主干涉光经第一光纤耦合器2的端口B输出到第二光纤耦合器3的输入端，经第二光纤耦合器3分为90%探测光与10%参考光，探测光输入到光纤环形器5的第一端口G，并从光纤环形器5的第二端口H输出到波分复用器6的输入端口I，再从波分复用器6的输出端口J输出到待测光纤7，参考光经第一偏振控制器8输出到第四光纤耦合器9的输入端口E。待测光纤7产生的后向散射光（1550nm）返回光纤环形器5的第二端口H，再经光纤环形器5的第三端口K输出到第四光纤耦合器9的输入端口W。第四光纤耦合器9将来自输入端口W的待测光纤后向散射光与来自输入端口E的参考光以50:50的比例结合为主干涉结合光，并输出到偏振分束器10。偏振分束器10将主干涉结合光分为偏振态相互正交的两束光，其中，主干涉结合光的快轴分量由待测光纤后向散射光的快轴分量和参考光的快轴分量结合而成，输出至平衡光电探测器11的输入端口M；主干涉结合光的慢轴分量由待测光纤后向散射光的慢轴分量和参考光的慢轴分量结合而成，输出至平衡光电探测器11的输入端口N。在平衡光电探测器11中，待测光纤后向散射光的快轴分量与参考光的快轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到主干涉快轴拍频信号；待测光纤后向散射光的慢轴分量与参考光的慢轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到主干涉慢轴拍频信号。通过调整第一偏振控制器8，使主干涉快轴拍频信号与主干涉慢轴拍频信号的功率接近后，将平衡光电探测器11的主干涉快轴拍频信号的平方与平衡光电探测器11的主干涉慢轴拍频信号的平方进行求和输出至数据采集模块17的输入端口O，实现对两个正交偏振光的偏振分集接收，减少因偏振衰落带来的信噪比恶化，提高了系统信噪比。数据采集模块17从输入端口O接收到来自主干涉系统的信号进行解调分析，之后经数据采集装置17的Y端口输出进入第一信号处理装置18，取局部光纤瑞利散射光谱数据相对于不变状态的互相关计算偏移量的变化值，来解调沿光纤分布的应变信息，实现温度与应变的同时测量。
另外，探测光输入到光纤环形器5的第一端口G，并从光纤环形器5的第二端口H输出到波分复用器6的输入端口I，再从波分复用器6的输出端口J输出到待测光纤7，待测光纤产生的斯克托斯光（1660nm）和反斯克托斯光（1450nm）经波分复用器6解复用从输出端口P和Q输出到雪崩二极管12中转为电信号，并输出至数据采集模块17的输入端口R1和输入端R2。之后经数据采集装置17的Z端口输出进入第二信号处理装置19，使用斯托克斯和反斯托克斯双路信号进行单位脉冲响应分析，来解调沿光纤分布的温度信息。
其中，辅助干涉光经第一光纤耦合器2的C端口输出到第三光纤耦合器4的输入端口，经第三光纤耦合器4以50:50的比例分为标准光和延迟光。其中，标准光由第三光纤耦合器4的U端口经第二偏振控制器14输出到第五光纤耦合器15的V端口。延迟光由第三光纤耦合器4的S端口经延迟光纤13输出到第五光纤耦合器15的T端口，标准光和延迟光在第五光纤耦合器15再次以50:50的比例结合为辅助干涉结合光。辅助干涉结合光由第五光纤耦合器15的输出端口输出经光电探测器16输出至数据采集模块17的输入端口X。数据采集模块17从输入端口X接收到来自辅助干涉系统的信号并分析，获得系统相位噪声信息，以补偿来自主干涉系统信号的相位噪声，从而减小系统相位噪声。
其中，利用光频域反射系统解调出传感光纤的瑞利散射光谱频移，利用拉曼光频域反射系统中传感光纤的斯托克斯、反斯托克斯信号解调出单位脉冲响应（取实部比值分析），并分别在不同温度和应变下对待测光纤进行标定；由于拉曼光频域反射系统只对温度敏感，所以在不同温度的标定曲线得到两种系统的温度传感系数
Figure 668327DEST_PATH_IMAGE001
和/>
Figure 864691DEST_PATH_IMAGE002
，在不同应变的标定曲线得到应变传感系数/>
Figure 7090DEST_PATH_IMAGE003
和0；当实际测量中温度、应变同时变化时，利用光频域反射系统解调出瑞利散射光谱频移为/>
Figure 205990DEST_PATH_IMAGE004
, 利用拉曼光频域反射系统解调出传感光纤的单位脉冲响应为/>
Figure 251700DEST_PATH_IMAGE005
，利用下面关系得到对应的温度变化为/>
Figure 120430DEST_PATH_IMAGE006
，应变变化为/>
Figure 248661DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 985673DEST_PATH_IMAGE008
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 (2)

1.一种同时测量温度与应变的光频域反射系统，其特征在于，包括：
可调谐激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、第二光纤耦合器（3）、第三光纤耦合器（4）、光纤环形器（5）、波分复用器（6）、待测光纤（7）、第四光纤耦合器（9）、偏振分束器（10）、平衡光电探测器（11）、雪崩二极管（12）、延迟光纤（13）、第五光纤耦合器（15）、光电探测器（16）、数据采集模块（17）、第一信号处理装置（18）、第二信号处理装置（19）；
其中，可调谐激光器（1）的输出端连接第一光纤耦合器（2）的输入端A，第一光纤耦合器（2）的输出端B连接第二光纤耦合器（3）的输入端，第二光纤耦合器（3）的输出端F连接光纤环形器（5）的第一端口G；光纤环形器（5）的第二端口H连接波分复用器（6）的输入端口I，波分复用器（6）的输出端口J连接待测光纤（7），光纤环形器（5）的第三端口K连接第四光纤耦合器（9）的输入端W；第四光纤耦合器（9）的输出端连接偏振分束器（10）的输入端L；偏振分束器（10）的两个输出端分别连接平衡光电探测器（11）的输入端M和输入端N，平衡光电探测器（11）的输出端连接数据采集模块（17）的输入端O；第三光纤耦合器（4）的输出端S经延迟光纤（13）连接第五光纤耦合器（15）的输入端T，第三光纤耦合器（4）的输出端U连接第五光纤耦合器（15）的输入端V，第五光纤耦合器（15）的输出端经光电探测器（16）连接数据采集模块（17）的输入端X；波分复用器（6）的两个输出端口P和Q对应连接雪崩二极管（12）的两个输入端，雪崩二极管（12）的输出端对应连接数据采集模块（17）的输入端R1和输入端R2；数据采集模块（17）的输出Y端口连接第一信号处理装置（18），数据采集模块（17）的输出Z端口连接第二信号处理装置（19）。
2.根据权利要求1所述的同时测量温度与应变的光频域反射系统，其特征在于，第二光纤耦合器（3）的输出端D与第四光纤耦合器（9）的输入端E连接的线路上设置第一偏振控制器（8）；第三光纤耦合器（4）的输出端U与第五光纤耦合器（15）的输入端V连接的线路上设置第二偏振控制器（14）。
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