CN113654679A - 一种分布式光纤温度与应变同时传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤温度与应变同时传感系统，具体属于分布式光纤传感技术领域。通过稳频激光器发出稳频光进入两路，一路进入光频域反射系统，一路进入相干光时域反射系统。两路的后向瑞利散射光通过波分复用器解复用完成温度和应变的测量；根据解调出传感光纤中的瑞利散射频移来确定双参量敏感系数，构建双参量传感矩阵，实现温度与应变的同时测量，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。

Description

一种分布式光纤温度与应变同时传感系统

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，涉及一种分布式光纤温度与应变同时传感系统。

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。但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

本发明提供了一种分布式光纤温度与应变同时传感系统，采用光频域反射系统和相干光时域反射系统。由于两系统对光纤的温度和应变系数不同，这两个参数来自完全不同的系统，并且相互独立；可以通过测量待测光纤上的瑞利频移，构建双参数矩阵运算，得到在温度应变同时变化的温度和应变值，从而解决了交叉敏感问题，实现温度和应变的同时测量。本发明采用光IQ调制扫频技术，并采用双干涉系统软件相位噪声补偿方法来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：一种分布式光纤温度与应变同时传感系统，包括：

稳频激光器、光IQ调制器、电桥、任意波形发生器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一光纤环形器、波分复用器、待测光纤、第三光纤耦合器、偏振分束器、第一平衡光电探测器、第四光纤耦合器、延迟光纤、第五光纤耦合器、光电探测器、第六光纤耦合器、信号发生器、电光调制器、第二光纤环形器、第七光纤耦合器、第二平衡光电探测器、信号处理装置、第八光纤耦合器；

其中，稳频激光器的输出端连接第八光纤耦合器的输入端，第八光纤耦合器的第一输出端连接光IQ调制器的光信号输入端A，任意波形发生器的输出端连接电桥的输入端B，电桥的输出端C和输出端D分别连接光IQ调制器的I相位电信号输入端与Q相位电信号输入端；光IQ调制器的输出端连接第一光纤耦合器的输入端E，第一光纤耦合器的输出端F连接第二光纤耦合器的输入端，第一光纤耦合器的输出端G连接第四光纤耦合器的输入端；第二光纤耦合器的输出端V连接第一光纤环形器的第一端口J，第二光纤耦合器的输出端H连接第三光纤耦合器的输入端I；第一光纤环形器的第二端口K连接波分复用器的第二端口，第一光纤环形器的第三端口M连接第三光纤耦合器的输入端N；第三光纤耦合器的输出端连接偏振分束器的输入端，偏振分束器的两个输出端分别连接第一平衡光电探测器的输入端O和输入端P，第一平衡光电探测器的输出端连接信号处理装置的输入端Q；第四光纤耦合器的输出端R连接第五光纤耦合器的输入端S，第四光纤耦合器的输出端T经延迟光纤连接第五光纤耦合器的输入端U，第五光纤耦合器的输出端连接光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接信号处理装置的输入端W；第八光纤耦合器的第二输出端连接第六光纤耦合器的输入端a，第六光纤耦合器的输出端n连接电光调制器的输入端b，信号发生器的输出端连接电光调制器的输入端c，电光调制器的输出端d连接第二环形器的第一端口e，第六光纤耦合器的输出端h连接第七光纤耦合器的输入端i；第二光纤环形器的第二端口f连接波分复用器的第一端口，波分复用器的输出端连接待测光纤；第二光纤环形器的第三端口g连接第七光纤耦合器的输入端m；第七光纤耦合器的两个输出端分别连接第二平衡光电探测器的输入端j和输入端k，第二平衡光电探测器的输出端连接信号处理装置的输入端L。

其中，第二光纤耦合器的输出端H与第三光纤耦合器的输入端I连接的线路上设置第一偏振控制器；第四光纤耦合器的输出端R与第五光纤耦合器的输入端S连接的线路上设置第二偏振控制器。

其中，第一光纤环形器的第三端口M与第三光纤耦合器的输入端N连接的线路上设置连续光放大器；电光调制器的输出端d与第二光纤环形器的第一端口e连接的线路上设置脉冲光放大器。

区别于现有技术，本发明的一种分布式光纤温度与应变同时传感系统，结合光频域反射系统和相干光时域反射系统，通过波分复用器对探测光纤中不同频率的后向瑞利散射光进行分离，并采用光频域反射系统和相干光时域反射系统的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；本发明能优化系统空间分辨率，同时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分布式光纤温度与应变同时传感系统的结构示意图。

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，本发明提供了一种分布式光纤温度与应变同时传感系统，包括：稳频激光器1、光IQ调制器2、电桥3、任意波形发生器4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6、第一光纤环形器7、波分复用器8、待测光纤9、第三光纤耦合器11、偏振分束器12、第一平衡光电探测器13、第四光纤耦合器14、延迟光纤15、第五光纤耦合器17、光电探测器18、第六光纤耦合器19、信号发生器20、电光调制器21、第二光纤环形器23、第七光纤耦合器24、第二平衡光电探测器25、信号处理装置26、第八光纤耦合器28；

其中，稳频激光器1的输出端连接第八光纤耦合器28的输入端，第八光纤耦合器28的第一输出端连接光IQ调制器2的光信号输入端A，任意波形发生器4的输出端连接电桥3的输入端B，电桥3的输出端C和输出端D分别连接光IQ调制器2的I相位电信号输入端与Q相位电信号输入端；光IQ调制器2的输出端连接第一光纤耦合器5的输入端E，第一光纤耦合器5的输出端F连接第二光纤耦合器6的输入端，第一光纤耦合器5的输出端G连接第四光纤耦合器14的输入端；第二光纤耦合器6的输出端V连接第一光纤环形器7的第一端口J，第二光纤耦合器6的输出端H连接第三光纤耦合器11的输入端I；第一光纤环形器7的第二端口K连接波分复用器8的第二端口，第一光纤环形器7的第三端口M连接第三光纤耦合器11的输入端N；第三光纤耦合器11的输出端连接偏振分束器12的输入端，偏振分束器12的两个输出端分别连接第一平衡光电探测器13的输入端O和输入端P，第一平衡光电探测器13的输出端连接信号处理装置26的输入端Q；第四光纤耦合器14的输出端R连接第五光纤耦合器17的输入端S，第四光纤耦合器14的输出端T经延迟光纤15连接第五光纤耦合器17的输入端U，第五光纤耦合器17的输出端连接光电探测器18的输入端；光电探测器18的输出端连接信号处理装置26的输入端W；第八光纤耦合器28的第二输出端连接第六光纤耦合器19的输入端a，第六光纤耦合器19的输出端n连接电光调制器21的输入端b，信号发生器20的输出端连接电光调制器21的输入端c，电光调制器21的输出端d连接第二环形器23的第一端口e，第六光纤耦合器19的输出端h连接第七光纤耦合器24的输入端i；第二光纤环形器23的第二端口f连接波分复用器8的第一端口，波分复用器8的输出端连接待测光纤9；第二光纤环形器23的第三端口g连接第七光纤耦合器24的输入端m；第七光纤耦合器24的两个输出端分别连接第二平衡光电探测器25的输入端j和输入端k，第二平衡光电探测器25的输出端连接信号处理装置26的输入端L。

其中，第二光纤耦合器6的输出端H与第三光纤耦合器11的输入端I连接的线路上设置第一偏振控制器10；第四光纤耦合器14的输出端R与第五光纤耦合器17的输入端S连接的线路上设置第二偏振控制器16。

其中，第一光纤环形器7的第三端口M与第三光纤耦合器11的输入端N连接的线路上设置连续光放大器27；电光调制器21的输出端d与第二光纤环形器23的第一端口e连接的线路上设置脉冲光放大器22。

本发明的工作原理：本发明是使用稳频激光器1发出稳频光进入两路，一路经电光调制器21调制成脉冲光进入待测光纤（相干光时域反射系统），另一路经光IQ调制器2调制成扫频光进入待测光纤（光频域反射系统）；两路后向瑞利散射光通过波分复用器8解复用完成温度和应变的测量；并与参考光经过拍频后，根据解调出传感光纤中的瑞利散射频移来确定双参量敏感系数，构建双参量传感矩阵，实现温度和应变的同时测量，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，稳频激光器1发出波长1550nm的稳频窄带激光，经第八光纤耦合器28分为两路。一路进入光频域反射系统，第八光纤耦合器28的第一输出端口将1550nm的稳频光输出到光IQ调制器2的光输入端A，作为光IQ调制器2的光载波；任意波形发生器4周期性发出幅度恒定、相位连续、频率随时间线性变化的扫频信号，该信号输出到电桥3的输入端B，经电桥3转换为两个频率、幅度相同，相位相互正交的信号，分别从输出端C和输出端D输出到光IQ调制器2，分别作为光IQ调制器2的I、Q相位调制电信号；光IQ调制器2在调制电信号控制下，将稳频光载波调制为单边带抑制载波扫频光（12.8Ghz—16Ghz）；该扫频光输出到第一光纤耦合器5的输入端E，经第一光纤耦合器5分为90%主干涉光与10%辅助干涉光。

其中，主干涉光经第一光纤耦合器5的端口F输出到第二光纤耦合器6的输入端，经第二光纤耦合器6分为90%探测光与10%参考光，探测光输入到第一光纤环形器7的第一端口J，并从第一光纤环形器7的第二端口K输出经波分复用器8进入待测光纤9，参考光经第一偏振控制器10输出到第三光纤耦合器11的输入端口I。待测光纤9返回来的后向散射光经波分复用器8输出到第一光纤环形器7的第二端口K，并从第一光纤环形器7的第三端口M经连续光放大器27输出到第三光纤耦合器11的输入端口N。在第三光纤耦合器11将来自输入端口N的待测光纤后向散射光与来自输入端口I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12中。主干涉结合光在偏振分束器12分为偏振态相互正交的两束光——S光、P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，输出至第一平衡光电探测器13的输入端口O；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，输出至第一平衡光电探测器13的输入端口P。在第一平衡光电探测器13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10，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，将第一平衡光电探测器13的主干涉快轴拍频信号的平方与第一平衡光电探测器13的主干涉慢轴拍频信号的平方进行求和输出至信号处理装置26，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。信号处理装置26从输入端口Q接收到来自主干涉系统的信号进行解调分析以获得待测光纤的分布式温度及应变信息，实现温度与应变的同时测量。

另一路进入相干光时域反射系统，第八光纤耦合器28的第二输出端口将1550nm的稳频光输出到第六光纤耦合器19的输入端a，经第六光纤耦合器19分为99%探测光与10%参考光；第六光纤耦合器19的n端口输出探测光到电光调制器21的光输入端b进行移频（200Mhz），以便后续采集；同时信号发生器20发出幅度恒定、频率恒定、脉宽恒定的脉冲信号输入电光调制器21的c端口，电光调制器21在电信号的控制下，将稳频光波调制为脉冲信号从电光调制器21的d端口输出；随后经过脉冲光放大器22放大后，输入到第二光纤环形器23的第一端口e，并从第二光纤环形器23的第二端口f输出经波分复用器8进入待测光纤9，待测光纤9返回来的后向散射光经波分复用器8输出到第二光纤环形器23的第二端口f，并从第二光纤环形器23的第三端口g输出到第七光纤耦合器24的输入端口m；第六光纤耦合器19输出参考光到第七光纤耦合器24的输入端口i与待测光纤返回的后向散射光进行拍频；拍频信号输出到第二平衡探测器25中转为电信号后输入到信号处理装置26的输入端口L，在信号处理装置26中进行解调分析以获得待测光纤的分布式温度及应变信息，实现温度与应变的同时测量。

其中，第一光纤环形器7的K端口和第二光纤环形器23的f端口均连接波分复用器8，从而实现两系统同时探测、同时测量。通过分别获取两个系统连接同一个待测光纤9所得的信号，进行解调，可以解决交叉敏感问题，从而实现温度和应变的同时测量。

其中，结合光频域反射系统和相干光时域反射系统来解调结果，推导双参量敏感系数，构建双参量传感矩阵；进一步分析两个系统分别对敏感系数的影响，验证敏感系数并进行标定修正，最终实现温度和应变的同时测量。利用光频域反射系统和相干光时域反射系统分别解调出传感光纤的瑞利散射光谱频移，分别在不同温度和应变下对待测光纤进行标定；在不同温度的标定曲线得到两种系统的温度传感系数

和

，在不同应变的标定曲线得到应变传感系数

和

；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

，利用相干光时域反射系统解调出瑞利散射光谱频移为

，利用下面关系得到对应的温度变化为

，应变变化为

：

其中，辅助干涉光经第一光纤耦合器5的G端口输出到第四光纤耦合器14，经第四光纤耦合器14以50:50的比例分为标准光和延迟光。其中，标准光由第四光纤耦合器14的R端口经第二偏振控制器16输出到第五光纤耦合器17的输入端口S。延迟光由第四光纤耦合器14的T端口经延迟光纤15输出到第五光纤耦合器17的输入端口U，标准光和延迟光在第五光纤耦合器17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17的输出端口经光电探测器18输出至信号处理装置26的输入端口W。信号处理装置26从输入端口W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。

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 (3)

1.一种分布式光纤温度与应变同时传感系统，其特征在于，包括：

稳频激光器（1）、光IQ调制器（2）、电桥（3）、任意波形发生器（4）、第一光纤耦合器（5）、第二光纤耦合器（6）、第一光纤环形器（7）、波分复用器（8）、待测光纤（9）、第三光纤耦合器（11）、偏振分束器（12）、第一平衡光电探测器（13）、第四光纤耦合器（14）、延迟光纤（15）、第五光纤耦合器（17）、光电探测器（18）、第六光纤耦合器（19）、信号发生器（20）、电光调制器（21）、第二光纤环形器（23）、第七光纤耦合器（24）、第二平衡光电探测器（25）、信号处理装置（26）、第八光纤耦合器（28）；

其中，稳频激光器（1）的输出端连接第八光纤耦合器（28）的输入端，第八光纤耦合器（28）的第一输出端连接光IQ调制器（2）的光信号输入端A，任意波形发生器（4）的输出端连接电桥（3）的输入端B，电桥（3）的输出端C和输出端D分别连接光IQ调制器（2）的I相位电信号输入端与Q相位电信号输入端；光IQ调制器（2）的输出端连接第一光纤耦合器（5）的输入端E，第一光纤耦合器（5）的输出端F连接第二光纤耦合器（6）的输入端，第一光纤耦合器（5）的输出端G连接第四光纤耦合器（14）的输入端；第二光纤耦合器（6）的输出端V连接第一光纤环形器（7）的第一端口J，第二光纤耦合器（6）的输出端H连接第三光纤耦合器（11）的输入端I；第一光纤环形器（7）的第二端口K连接波分复用器（8）的第二端口，第一光纤环形器（7）的第三端口M连接第三光纤耦合器（11）的输入端N；第三光纤耦合器（11）的输出端连接偏振分束器（12）的输入端，偏振分束器（12）的两个输出端分别连接第一平衡光电探测器（13）的输入端O和输入端P，第一平衡光电探测器（13）的输出端连接信号处理装置（26）的输入端Q；第四光纤耦合器（14）的输出端R连接第五光纤耦合器（17）的输入端S，第四光纤耦合器（14）的输出端T经延迟光纤（15）连接第五光纤耦合器（17）的输入端U，第五光纤耦合器（17）的输出端连接光电探测器（18）的输入端；光电探测器（18）的输出端连接信号处理装置（26）的输入端W；第八光纤耦合器（28）的第二输出端连接第六光纤耦合器（19）的输入端a，第六光纤耦合器（19）的输出端n连接电光调制器（21）的输入端b，信号发生器（20）的输出端连接电光调制器（21）的输入端c，电光调制器（21）的输出端d连接第二环形器（23）的第一端口e，第六光纤耦合器（19）的输出端h连接第七光纤耦合器（24）的输入端i；第二光纤环形器（23）的第二端口f连接波分复用器（8）的第一端口，波分复用器（8）的输出端连接待测光纤（9）；第二光纤环形器（23）的第三端口g连接第七光纤耦合器（24）的输入端m；第七光纤耦合器（24）的两个输出端分别连接第二平衡光电探测器（25）的输入端j和输入端k，第二平衡光电探测器（25）的输出端连接信号处理装置（26）的输入端L。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤温度与应变同时传感系统，其特征在于，第二光纤耦合器（6）的输出端H与第三光纤耦合器（11）的输入端I连接的线路上设置第一偏振控制器（10）；第四光纤耦合器（14）的输出端R与第五光纤耦合器（17）的输入端S连接的线路上设置第二偏振控制器（16）。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤温度与应变同时传感系统，其特征在于，第一光纤环形器（7）的第三端口M与第三光纤耦合器（11）的输入端N连接的线路上设置连续光放大器（27）；电光调制器（21）的输出端d与第二光纤环形器（23）的第一端口e连接的线路上设置脉冲光放大器（22）。

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