CN116295566A - 基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置与方法，涉及分布式光纤传感技术领域，该装置包括混沌激光器、脉冲调制和频率扫描器，第一慢轴起偏器、第一快轴起偏器、第一偏振分束器、保偏光环形器、保偏光纤、第二偏振分束器、第二慢轴起偏器、第二快轴起偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡、计算机。本发明基于混沌激光在光纤中的瑞利散射效应，利用瑞利散射谱相关法同时解调温度和应变，实现高精度、大测量范围、无交叉敏感问题的分布式光纤传感。

Description

基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置与方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置与方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是运用光纤作为传输和传感元件实现分布式测量，在长距离、大范围、高精度、全天候传感测量方面具有无可比拟的优势，已广泛应用于道路安全监测、智能电网建设、油气管道监测等大型基础设施健康状况的监测领域，为人民的生命财产安全保驾护航。
分布式光纤传感技术基于散射原理的不同分为瑞利、拉曼和布里渊三种分布式光纤传感技术，实现光纤沿线振动、温度、应变等物理量的测量。温度和应变作为两个重要的监测指标，可以基于布里渊散射效应或瑞利散射效应实现监测。基于布里渊散射效应的光纤传感技术的传感机理是基于布里渊频移随温度或应变的线性关系，基于瑞利散射效应的光纤传感技术则是通过改变光脉冲的频率（或波长）来补偿光脉冲在光纤中因外界温度或应变而引起的相位变化，然后基于改变的频率量（或波长量）与温度或应变之间的线性关系进行测量。但是，不论布里渊频移还是光脉冲改变的频率量，与温度和应变均呈线性关系，无法进行区分。因此，温度和应变的交叉敏感问题是分布式光纤传感领域需要解决的重要问题。
温度补偿法、双频移法和双参量法是目前用于解决温度应变交叉敏感问题的方法。其中，温度补偿法是通过参考光纤对传感光纤进行温度补偿，但是由于对于参考光纤布设的要求极高，难以在实际应用中推广；双频移法是利用两个布里渊散射峰具有不同温度和应变系数的特性解耦合测量，但是不同布里渊散射峰的频移会显现出近似相同的行为，无法确保温度和应变的测量精度；双参量法是引入另外的参量，与布里渊频移或者光脉冲改变的频率量建立温度和应变系数矩阵，实现温度和应变同时的测量，但是目前的双参量法存在测量精度低、测量范围受限、结构复杂等一系列问题。因此，在保证传感距离、测量范围、测量精度的同时实现温度和应变无交叉敏感的测量方案，是分布式光纤传感技术亟待解决的问题。
发明内容
为此，本发明实施例提供了一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置与方法，用于解决现有技术中在保证传感距离、测量范围、测量精度的同时难以实现温度和应变的无交叉敏感的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，该装置包括：
包括混沌激光器、脉冲调制和频率扫描器、第一慢轴起偏器、第一快轴起偏器、第一偏振分束器、保偏光环形器、保偏光纤、第二偏振分束器、第二慢轴起偏器、第二快轴起偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡、计算机；
所述混沌激光器用于产生波长可调谐的宽带混沌激光；
所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经脉冲调制和频率扫描器后分为两路，一路经过第一慢轴起偏器进入第一偏振分束器的慢轴，另一路经过第一快轴起偏器进入第一偏振分束器的快轴，经过两路后产生两束正交的偏振光经过保偏光环形器注入保偏光纤，脉冲调制的混沌激光在保偏光纤中产生后向瑞利散射信号，产生的后向瑞利散射信号返回保偏光环形器后进入第二偏振分束器后分为两路，分别进入第二慢轴起偏器和第二快轴起偏器，并各自经由第一光电探测器和第二光电探测器被转化为电信号，电信号经过数据采集卡进行A/ D转换后进入计算机；
所述计算机用于提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
优选地，所述混沌激光器由半导体激光器、波分复用器和光纤环形腔组成；所述光纤环形腔包括掺铒光纤、可调谐光纤光栅滤波器、第一光耦合器、偏振控制器、单模光纤、第一光隔离器；所述半导体激光器输出的泵浦光经过波分复用耦合进入光纤环形腔；所述混沌激光器通过控制泵浦电流和光纤环形腔中光的偏振态，以及调谐可调谐光纤光栅滤波器的中心波长和滤波带宽，产生波长可调谐的宽带混沌激光。
优选地，所述半导体激光器出射端通过单模光纤跳线与所述波分复用器的第一入射端连接；所述波分复用器的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤的入射端连接；所述掺铒光纤的出射端通过单模光纤跳线与所述可调谐光纤光栅滤波器的入射端连接；所述可调谐光纤光栅滤波器的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第一光耦合器的入射端连接；所述第一光耦合器的第一出射端通过单模光纤跳线与所述偏振控制器的入射端连接；所述第一光耦合器的第二出射端通过单模光纤跳线与脉冲调制和频率扫描器连接；所述偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与所述单模光纤的入射端连接；所述单模光纤的出射端通过单模光纤跳线与所述第一光隔离器的入射端连接；所述第一光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与所述波分复用器的第二入射端连接。
优选地，所述可调谐光纤光栅滤波器的调谐范围为1535-1560nm，产生的波长可调谐的宽带混沌激光的波长范围为1533-1558nm。
优选地，所述混沌激光器由波长可调谐激光器、第二光隔离器、第一偏振控制器和随机光放大反馈环组成；所述随机光放大反馈环包括第三光耦合器、半导体光放大器、第四光耦合器、可调光衰减器、第二偏振控制器组成；所述混沌激光器利用独立于波长可调谐激光器的随机光放大随机光放大反馈环中的外部光学反馈破坏半导体光放大器中载流子密度和光子密度之间的平衡，从而激发弛豫振荡，输出中心波长可调谐的带宽混沌激光。
优选地，所述波长可调谐激光器输出端通过单模光纤跳线与所述第二光隔离器的输入端连接；所述第二光隔离器的输出端通过单模光纤跳线与所述第一偏振控制器的输入端连接；所述第一偏振控制器的输出端通过单模光纤跳线与所述第三光耦合器的第一输入端连接；所述第三光耦合器的输出端通过单模光纤跳线与所述半导体光放大器的输入端连接；所述半导体光放大器的输出端通过单模光纤跳线与所述第四光耦合器的输入端连接；所述第四光耦合器的第一输出端通过单模光纤跳线与脉冲调制和频率扫描器的输入端连接；所述第四光耦合器的第二输出端通过单模光纤跳线与所述可调光衰减器的输入端连接；所述可调光衰减器的输出端通过单模光纤跳线与所述第二偏振控制器的输入端连接；所述第二偏振控制器的输出端通过单模光纤跳线与所述第三光耦合器的第二输入端连接。
优选地，所述波长可调谐激光器的中心波长调谐范围为1520-1560nm，波长分辨率为10pm，所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光的波长范围为1520-1560nm，波长调谐精度为2nm。
优选地，所述脉冲调制和频率扫描器包括微波信号源、单边带调制器、任意波形发生器、电光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、第二光耦合器；
所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经单边带调制器进行光频的精细调节，并由电光调制器形成脉冲调制的混沌激光后依次经过掺铒光纤放大器、光滤波器、第二光耦合器，经过第二光耦合器后分为两路。
优选地，所述微波信号源的出射端通过射频线与所述单边带调制器的第二入射端连接；所述单边带调制器的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器的入射端连接；所述任意波形发生器的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器的入射端连接；所述电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤放大器的入射端连接；所述掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与所述光滤波器的入射端连接；所述光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第二光耦合器的入射端连接。
优选地，所述第二光耦合器的第一出射端通过单模光纤跳线与所述第一慢轴起偏器的入射端连接；所述第一慢轴起偏器的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个入射端的第一偏振分束器的入射端连接；所述第二光耦合器的第二出射端通过单模光纤跳线与所述第一快轴起偏器的入射端连接；所述第一快轴起偏器的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一偏振分束器第二入射端连接；所述第一偏振分束器的出射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光环形器的入射端连接；所述保偏光环形器的反射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光纤连接；所述保偏光环形器的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个出射端的第二偏振分束器的入射端连接；所述第二偏振分束器的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二慢轴起偏器的入射端连接；所述第二慢轴起偏器的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一光电探测器的入射端连接；所述第一光电探测器的出射端通过射频线与所述数据采集卡；所述第二偏振分束器的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二快轴起偏器的入射端连接；所述第二快轴起偏器的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二光电探测器的入射端连接；所述第二光电探测器的出射端通过射频线与所述数据采集卡，所述数据采集卡的出射端通过射频线与计算机的入射端连接。
本发明实施例还提供了一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法，该方法包括：
S1：将不同波长的混沌激光经脉冲调制成快轴和慢轴正交起偏的低相干光脉冲注入到保偏光纤中，在传输过程中不断产生后向瑞利散射信号，将不同频率、不同位置的散射信号强度进行记录，形成快轴和慢轴对应的二维瑞利散射谱图；
S2：提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线；
S3：根据提取的瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
优选地，所述获得瑞利散射频移的方法为：
从快轴或慢轴前后两个重复周期所对应的瑞利散射谱图上分别将保偏光纤某一位置处散射信号强度随频率变化的曲线提取出，并进行互相关运算获得温度和应变变化前后的相关峰频移，称为瑞利散射频移。
优选地，所述获得双折射频移的方法为：
从快轴和慢轴对应的瑞利散射谱图上分别将保偏光纤某一位置处散射信号强度随频率变化的曲线提取出，并进行互相关运算获得温度和应变变化前后的相关峰频移，称为双折射频移。
优选地，所述计算得到对应位置处的温度和应变值的方法为：
Figure SMS_3
Figure SMS_5
其中，/>
Figure SMS_9
表示瑞利散射频移，/>
Figure SMS_2
表示双折射频移，/>
Figure SMS_4
和/>
Figure SMS_8
分别表示应变变化和温度变化，/>
Figure SMS_10
和/>
Figure SMS_1
分别表示瑞利散射频移下的应变敏感系数和温度敏感系数，
Figure SMS_6
和/>
Figure SMS_7
分别表示双折射频移下的应变敏感系数和温度敏感系数。
从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下优点：
本发明是基于掺铒光纤环形腔中的非线性效应和光纤光栅调谐技术或者利用波长可调谐激光器注入随机光放大反馈环技术产生波长可调谐的混沌激光，具有调谐范围宽、相干性低的特性，突破了传统激光器频率直接调制或外部调制时调频带宽的限制，可实现更大的温度和应变的测量范围。
本发明是通过提取瑞利散射频移和双折射频移实现温度和应变的同时测量，前者是通过将同一光轴前后两个脉冲探测周期的瑞利散射谱进行互相关运算得出的，后者是通过不同光轴同一脉冲探测周期的瑞利散射谱进行互相关运算得出的。由于两个参量在物理机制上是独立的，因此可实现高精度的温度和应变测量。
本发明是基于光纤中的瑞利散射效应进行光纤传感，与基于布里渊散射信号的测量方案相比，散射信号具有更强的功率，在实现无交叉敏感测量的同时可以兼顾长距离传感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下边将对实施例中所需要使用的附图做简单说明，通过参考附图会更清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应该理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为根据实施例中提供的一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置的框图；
图2为根据实施例中提供的一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置的框图；
图3为根据实施例中提供的一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法的流程图。
附图中：1、半导体激光器；2、波分复用器；3、掺铒光纤；4、可调谐光纤光栅滤波器；5、第一光耦合器；6、偏振控制器；7、单模光纤；8、第一光隔离器；B1、波长可调谐激光器；B2、第二光隔离器；B3、第一偏振控制器；B4、第三光耦合器；B5、半导体光放大器；B6、第四光耦合器；B7、可调光衰减器；B8、第二偏振控制器；9、微波信号源；10、单边带调制器；11、任意波形发生器；12、电光调制器；13、掺铒光纤放大器；14、光滤波器；15、第二光耦合器；16、第一慢轴起偏器；17、第一快轴起偏器；18、第一偏振分束器；19、保偏光环形器；20、保偏光纤；21、第二偏振分束器；22、第二慢轴起偏器； 23、第一光电探测器；24、第二快轴起偏器；25、第二光电探测器；26、数据采集卡；27、计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案与优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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，本发明实施例提出一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，该装置包括：
包括混沌激光器、脉冲调制和频率扫描器、第一慢轴起偏器16、第一快轴起偏器17、第一偏振分束器18、保偏光环形器19、保偏光纤20、第二偏振分束器21、第二慢轴起偏器22、第二快轴起偏器24、第一光电探测器23、第二光电探测器25、数据采集卡26、计算机27；
所述混沌激光器用于产生波长可调谐的宽带混沌激光；
所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经脉冲调制和频率扫描器后分为两路，一路经过第一慢轴起偏器16进入第一偏振分束器18的慢轴，另一路经过第一快轴起偏器17进入第一偏振分束器18的快轴，经过两路后产生两束正交的偏振光经过保偏光环形器19注入保偏光纤20，脉冲调制的混沌激光在保偏光纤20中产生后向瑞利散射信号，产生的后向瑞利散射信号返回保偏光环形器19后进入第二偏振分束器21后分为两路，分别进入第二慢轴起偏器22和第二快轴起偏器24，并各自经由第一光电探测器23和第二光电探测器25被转化为电信号，电信号经过数据采集卡26进行A/ D转换后进入计算机27；
所述计算机27用于提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
本发明实施例提出一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，基于掺铒光纤环形腔中的非线性效应和光纤光栅调谐技术产生波长可调谐的混沌激光，具有调谐范围宽、相干性低的特性，突破了传统激光器频率直接调制或外部调制时调频带宽的限制，可实现更大的温度和应变的测量范围；然后将不同波长的混沌激光经脉冲调制成快轴和慢轴正交起偏的低相干光脉冲注入到保偏光纤中，在传输过程中不断产生后向瑞利散射信号，将不同频率、不同位置的散射信号强度进行记录，形成快轴和慢轴对应的二维瑞利散射谱图，通过提取瑞利散射频移和双折射频移实现温度和应变的同时测量，由于两个参量在物理机制上是独立的，因此可实现高精度的温度和应变测量。
进一步地，所述混沌激光器由半导体激光器1、波分复用器2和光纤环形腔组成；所述光纤环形腔包括掺铒光纤3、可调谐光纤光栅滤波器4、第一光耦合器5、偏振控制器6、单模光纤7、第一光隔离器8；所述半导体激光器1作为泵浦光源，输出波长980nm的泵浦光，经过波分复用器2耦合进入光纤环形腔；所述混沌激光器通过控制泵浦电流和光纤环形腔中光的偏振态，以及调谐可调谐光纤光栅滤波器4的中心波长和滤波带宽，产生波长可调谐的宽带混沌激光。
其中所述半导体激光器1出射端通过单模光纤跳线与所述波分复用器2的第一入射端连接；所述波分复用器2的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤3的入射端连接；所述掺铒光纤3的出射端通过单模光纤跳线与所述可调谐光纤光栅滤波器4的入射端连接；所述可调谐光纤光栅滤波器4的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第一光耦合器5的入射端连接；所述第一光耦合器5的第一出射端通过单模光纤跳线与所述偏振控制器6的入射端连接；所述第一光耦合器5的第二出射端通过单模光纤跳线与脉冲调制和频率扫描器连接；所述偏振控制器6的出射端通过单模光纤跳线与所述单模光纤7的入射端连接；所述单模光纤7的出射端通过单模光纤跳线与所述第一光隔离器8的入射端连接；所述第一光隔离器8的出射端通过单模光纤跳线与所述波分复用器2的第二入射端连接。
具体地，波长可调谐宽带混沌激光源是由波长为980nm的半导体激光器1在掺铒光纤环形腔内产生，腔长为10km，可调谐光纤光栅滤波器4的调谐范围为1535-1560nm，产生的波长可调谐的宽带混沌激光的波长范围为1533-1558nm。
进一步地，所述脉冲调制和频率扫描器包括微波信号源9、单边带调制器10、任意波形发生器11、电光调制器12、掺铒光纤放大器13、光滤波器14、第二光耦合器15。所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经单边带调制器10进行光频的精细调节，避免可调谐光纤光栅滤波器4波长间隔过宽致使部分频谱点无法采集，并由电光调制器12形成脉冲调制的混沌激光后依次经过掺铒光纤放大器13、光滤波器14、第二光耦合器15，经过第二光耦合器15后分为两路。
其中所述微波信号源9的出射端通过射频线与所述单边带调制器10的第二入射端连接；所述单边带调制器10的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器12的入射端连接；所述任意波形发生器11的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器12的入射端连接；所述电光调制器12的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤放大器13的入射端连接；所述掺铒光纤放大器13的出射端通过单模光纤跳线与所述光滤波器14的入射端连接；所述光滤波器14的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第二光耦合器15的入射端连接。
具体地，单边带调制器10的频率调谐精度为1MHz，频率调谐范围为0-13GHz。
进一步地，所述第二光耦合器15的第一出射端通过单模光纤跳线与所述第一慢轴起偏器16的入射端连接；所述第一慢轴起偏器16的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个入射端的第一偏振分束器18的入射端连接；所述第二光耦合器15的第二出射端通过单模光纤跳线与所述第一快轴起偏器17的入射端连接；所述第一快轴起偏器17的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一偏振分束器18第二入射端连接；所述第一偏振分束器18的出射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光环形器19的入射端连接；所述保偏光环形器19的反射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光纤20连接；所述保偏光环形器19的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个出射端的第二偏振分束器21的入射端连接；所述第二偏振分束器21的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二慢轴起偏器22的入射端连接；所述第二慢轴起偏器22的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一光电探测器23的入射端连接；所述第一光电探测器23的出射端通过射频线与所述数据采集卡26；所述第二偏振分束器21的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二快轴起偏器24的入射端连接；所述第二快轴起偏器24的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二光电探测器25的入射端连接；所述第二光电探测器25的出射端通过射频线与所述数据采集卡26，所述数据采集卡26的出射端通过射频线与计算机27的入射端连接。计算机27提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
实施例二
如图2所示，本发明实施例还提出一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，该装置包括：
包括混沌激光器、脉冲调制和频率扫描器、第一慢轴起偏器16、第一快轴起偏器17、第一偏振分束器18、保偏光环形器19、保偏光纤20、第二偏振分束器21、第二慢轴起偏器22、第二快轴起偏器24、第一光电探测器23、第二光电探测器25、数据采集卡26、计算机27；
所述混沌激光器用于产生波长可调谐的宽带混沌激光；
所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经脉冲调制和频率扫描器后分为两路，一路经过第一慢轴起偏器16进入第一偏振分束器18的慢轴，另一路经过第一快轴起偏器17进入第一偏振分束器18的快轴，经过两路后产生两束正交的偏振光经过保偏光环形器19注入保偏光纤20，脉冲调制的混沌激光在保偏光纤20中产生后向瑞利散射信号，产生的后向瑞利散射信号返回保偏光环形器19后进入第二偏振分束器21后分为两路，分别进入第二慢轴起偏器22和第二快轴起偏器24，并各自经由第一光电探测器23和第二光电探测器25被转化为电信号，电信号经过数据采集卡26进行A/ D转换后进入计算机27；
所述计算机27用于提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
本发明实施例还提出一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，利用波长可调谐激光器注入随机光放大反馈环技术产生波长可调谐的宽带混沌光，具有调谐范围宽、相干性低的特性，突破了传统激光器频率直接调制或外部调制时调频带宽的限制，可实现更大的温度和应变的测量范围；然后将不同波长的混沌激光经脉冲调制成快轴和慢轴正交起偏的低相干光脉冲注入到保偏光纤中，在传输过程中不断产生后向瑞利散射信号，将不同频率、不同位置的散射信号强度进行记录，形成快轴和慢轴对应的二维瑞利散射谱图，通过提取瑞利散射频移和双折射频移实现温度和应变的同时测量，由于两个参量在物理机制上是独立的，因此可实现高精度的温度和应变测量。
进一步地，所述混沌激光器由波长可调谐激光器B1、第二光隔离器B2、第一偏振控制器B3和随机光放大反馈环组成；所述随机光放大反馈环包括第三光耦合器B4、半导体光放大器B5、第四光耦合器B6、可调光衰减器B7、第二偏振控制器B8组成；所述混沌激光器利用独立于波长可调谐激光器B1的随机光放大反馈环中的外部光学反馈破坏半导体光放大器B5中载流子密度和光子密度之间的平衡，从而激发弛豫振荡，输出中心波长可调谐的带宽混沌激光。
其中，所述波长可调谐激光器B1输出端通过单模光纤跳线与所述第二光隔离器B2的输入端连接；所述第二光隔离器B2的输出端通过单模光纤跳线与所述第一偏振控制器B3的输入端连接；所述第一偏振控制器B3的输出端通过单模光纤跳线与所述第三光耦合器B4的第一输入端连接；所述第三光耦合器B4的输出端通过单模光纤跳线与所述半导体光放大器B5的输入端连接；所述半导体光放大器B5的输出端通过单模光纤跳线与所述第四光耦合器B6的输入端连接；所述第四光耦合器B6的第一输出端通过单模光纤跳线与脉冲调制和频率扫描器的输入端连接；所述第四光耦合器B6的第二输出端通过单模光纤跳线与所述可调光衰减器B7的输入端连接；所述可调光衰减器B7的输出端通过单模光纤跳线与所述第二偏振控制器B8的输入端连接；所述第二偏振控制器B8的输出端通过单模光纤跳线与所述第三光耦合器B4的第二输入端连接。
具体地，波长可调谐激光器B1的中心波长调谐范围为1520-1560nm，波长分辨率为10pm，混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光的波长范围为1520-1560nm，波长调谐精度为2nm。
进一步地，所述脉冲调制和频率扫描器包括微波信号源9、单边带调制器10、任意波形发生器11、电光调制器12、掺铒光纤放大器13、光滤波器14、第二光耦合器15。所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经单边带调制器10进行光频的精细调节，避免可调谐光纤光栅滤波器4波长间隔过宽致使部分频谱点无法采集，并由电光调制器12形成脉冲调制的混沌激光后依次经过掺铒光纤放大器13、光滤波器14、第二光耦合器15，经过第二光耦合器15后分为两路。
其中所述微波信号源9的出射端通过射频线与所述单边带调制器10的第二入射端连接；所述单边带调制器10的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器12的入射端连接；所述任意波形发生器11的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器12的入射端连接；所述电光调制器12的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤放大器13的入射端连接；所述掺铒光纤放大器13的出射端通过单模光纤跳线与所述光滤波器14的入射端连接；所述光滤波器14的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第二光耦合器15的入射端连接。
具体地，单边带调制器10的频率调谐精度为1MHz，频率调谐范围为0-13GHz。
进一步地，所述第二光耦合器15的第一出射端通过单模光纤跳线与所述第一慢轴起偏器16的入射端连接；所述第一慢轴起偏器16的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个入射端的第一偏振分束器18的入射端连接；所述第二光耦合器15的第二出射端通过单模光纤跳线与所述第一快轴起偏器17的入射端连接；所述第一快轴起偏器17的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一偏振分束器18第二入射端连接；所述第一偏振分束器18的出射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光环形器19的入射端连接；所述保偏光环形器19的反射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光纤20连接；所述保偏光环形器19的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个出射端的第二偏振分束器21的入射端连接；所述第二偏振分束器21的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二慢轴起偏器22的入射端连接；所述第二慢轴起偏器22的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一光电探测器23的入射端连接；所述第一光电探测器23的出射端通过射频线与所述数据采集卡26；所述第二偏振分束器21的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二快轴起偏器24的入射端连接；所述第二快轴起偏器24的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二光电探测器25的入射端连接；所述第二光电探测器25的出射端通过射频线与所述数据采集卡26，所述数据采集卡26的出射端通过射频线与计算机27的入射端连接。计算机27提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
实施例三
如图3所示，本发明提供一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法，该包括：
S1：将不同波长（或光频）的混沌激光经脉冲调制成快轴和慢轴正交起偏的低相干光脉冲注入到保偏光纤中，在传输过程中不断产生后向瑞利散射信号，将不同频率、不同位置的散射信号强度进行记录，形成快轴和慢轴对应的二维瑞利散射谱图；
S2：提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线；
S3：根据提取的瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
进一步地，所述获得瑞利散射频移的方法为：从快轴或慢轴前后两个重复周期所对应的瑞利散射谱图上分别将保偏光纤某一位置处散射信号强度随频率变化的曲线提取出，并进行互相关运算获得温度和应变变化前后的相关峰频移，称为瑞利散射频移。
进一步地，获得双折射频移的方法为：从快轴和慢轴对应的瑞利散射谱图上分别将保偏光纤某一位置处散射信号强度随频率变化的曲线提取出，并进行互相关运算就可以获得温度和应变变化前后的相关峰频移，称为双折射频移。
最终根据下述所示的关系方程计算出系统的温度和应变系数矩阵，从而实现分布式温度和应变的解耦合测量：
Figure SMS_12
Figure SMS_16
Figure SMS_20
Figure SMS_14
其中，/>
Figure SMS_17
表示瑞利散射频移，/>
Figure SMS_19
表示双折射频移，/>
Figure SMS_22
和/>
Figure SMS_13
分别表示应变变化和温度变化，
Figure SMS_15
和/>
Figure SMS_18
分别表示瑞利散射频移下的应变敏感系数和温度敏感系数，/>
Figure SMS_21
和/>
Figure SMS_11
分别表示双折射频移下的应变敏感系数和温度敏感系数。
所述方法采用上述所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置实现，为了避免冗余，在此不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，包括混沌激光器、脉冲调制和频率扫描器、第一慢轴起偏器（16）、第一快轴起偏器（17）、第一偏振分束器（18）、保偏光环形器（19）、保偏光纤（20）、第二偏振分束器（21）、第二慢轴起偏器（22）、第二快轴起偏器（24）、第一光电探测器（23）、第二光电探测器（25）、数据采集卡（26）、计算机（27）；
所述混沌激光器用于产生波长可调谐的宽带混沌激光；
所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经脉冲调制和频率扫描器后分为两路，一路经过第一慢轴起偏器（16）进入第一偏振分束器（18）的慢轴，另一路经过第一快轴起偏器（17）进入第一偏振分束器（18）的快轴，经过两路后产生两束正交的偏振光经过保偏光环形器（19）注入保偏光纤（20），脉冲调制的混沌激光在保偏光纤（20）中产生后向瑞利散射信号，产生的后向瑞利散射信号返回保偏光环形器（19）后进入第二偏振分束器（21）后分为两路，分别进入第二慢轴起偏器（22）和第二快轴起偏器（24），并各自经由第一光电探测器（23）和第二光电探测器（25）被转化为电信号，电信号经过数据采集卡（26）进行A/ D转换后进入计算机（27）；
所述计算机（27）用于提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
2.根据权利要求1所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于， 所述混沌激光器由半导体激光器（1）、波分复用器（2）和光纤环形腔组成；所述光纤环形腔包括掺铒光纤（3）、可调谐光纤光栅滤波器（4）、第一光耦合器（5）、偏振控制器（6）、单模光纤（7）、第一光隔离器（8）；所述半导体激光器（1）输出的泵浦光经过波分复用器（2）耦合进入光纤环形腔；所述混沌激光器通过控制泵浦电流和光纤环形腔中光的偏振态，以及调谐可调谐光纤光栅滤波器（4）的中心波长和滤波带宽，产生波长可调谐的宽带混沌激光。
3.根据权利要求2所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述半导体激光器（1）出射端通过单模光纤跳线与所述波分复用器（2）的第一入射端连接；所述波分复用器（2）的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤（3）的入射端连接；所述掺铒光纤（3）的出射端通过单模光纤跳线与所述可调谐光纤光栅滤波器（4）的入射端连接；所述可调谐光纤光栅滤波器（4）的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第一光耦合器（5）的入射端连接；所述第一光耦合器（5）的第一出射端通过单模光纤跳线与所述偏振控制器（6）的入射端连接；所述第一光耦合器（5）的第二出射端通过单模光纤跳线与脉冲调制和频率扫描器连接；所述偏振控制器（6）的出射端通过单模光纤跳线与所述单模光纤（7）的入射端连接；所述单模光纤（7）的出射端通过单模光纤跳线与所述第一光隔离器（8）的入射端连接；所述第一光隔离器（8）的出射端通过单模光纤跳线与所述波分复用器（2）的第二入射端连接。
4.根据权利要求2所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述可调谐光纤光栅滤波器（4）的调谐范围为1535-1560nm，产生的波长可调谐的宽带混沌激光的波长范围为1533-1558nm。
5.根据权利要求1所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于， 所述混沌激光器由波长可调谐激光器（B1）、第二光隔离器（B2）、第一偏振控制器（B3）和随机光放大反馈环组成；所述随机光放大反馈环包括第三光耦合器（B4）、半导体光放大器（B5）、第四光耦合器（B6）、可调光衰减器（B7）、第二偏振控制器（B8）组成；所述混沌激光器利用独立于波长可调谐激光器（B1）的随机光放大反馈环中的外部光学反馈破坏半导体光放大器（B5）中载流子密度和光子密度之间的平衡，从而激发弛豫振荡，输出中心波长可调谐的带宽混沌激光。
6.根据权利要求5所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器（B1）输出端通过单模光纤跳线与所述第二光隔离器（B2）的输入端连接；所述第二光隔离器（B2）的输出端通过单模光纤跳线与所述第一偏振控制器（B3）的输入端连接；所述第一偏振控制器（B3）的输出端通过单模光纤跳线与所述第三光耦合器（B4）的第一输入端连接；所述第三光耦合器（B4）的输出端通过单模光纤跳线与所述半导体光放大器（B5）的输入端连接；所述半导体光放大器（B5）的输出端通过单模光纤跳线与所述第四光耦合器（B6）的输入端连接；所述第四光耦合器（B6）的第一输出端通过单模光纤跳线与脉冲调制和频率扫描器的输入端连接；所述第四光耦合器（B6）的第二输出端通过单模光纤跳线与所述可调光衰减器（B7）的输入端连接；所述可调光衰减器（B7）的输出端通过单模光纤跳线与所述第二偏振控制器（B8）的输入端连接；所述第二偏振控制器（B8）的输出端通过单模光纤跳线与所述第三光耦合器（B4）的第二输入端连接。
7.根据权利要求5所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器（B1）的中心波长调谐范围为1520-1560nm，波长分辨率为10pm，所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光的波长范围为1520-1560nm，波长调谐精度为2nm。
8.根据权利要求1所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述脉冲调制和频率扫描器包括微波信号源（9）、单边带调制器（10）、任意波形发生器（11）、电光调制器（12）、掺铒光纤放大器（13）、光滤波器（14）、第二光耦合器（15）；
所述混沌激光器产生的波长可调谐的宽带混沌激光经单边带调制器（10）进行光频的精细调节，并由电光调制器（12）形成脉冲调制的混沌激光后依次经过掺铒光纤放大器（13）、光滤波器（14）、第二光耦合器（15），经过第二光耦合器（15）后分为两路。
9.根据权利要求8所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述微波信号源（9）的出射端通过射频线与所述单边带调制器（10）的第二入射端连接；所述单边带调制器（10）的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器（12）的入射端连接；所述任意波形发生器（11）的出射端通过单模光纤跳线与所述电光调制器（12）的入射端连接；所述电光调制器（12）的出射端通过单模光纤跳线与所述掺铒光纤放大器（13）的入射端连接；所述掺铒光纤放大器（13）的出射端通过单模光纤跳线与所述光滤波器（14）的入射端连接；所述光滤波器（14）的出射端通过单模光纤跳线与具有两个出射端的第二光耦合器（15）的入射端连接。
10.根据权利要求9所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量装置，其特征在于，所述第二光耦合器（15）的第一出射端通过单模光纤跳线与所述第一慢轴起偏器（16）的入射端连接；所述第一慢轴起偏器（16）的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个入射端的第一偏振分束器（18）的入射端连接；所述第二光耦合器（15）的第二出射端通过单模光纤跳线与所述第一快轴起偏器（17）的入射端连接；所述第一快轴起偏器（17）的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一偏振分束器（18）第二入射端连接；所述第一偏振分束器（18）的出射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光环形器（19）的入射端连接；所述保偏光环形器（19）的反射端通过保偏光纤跳线与所述保偏光纤（20）连接；所述保偏光环形器（19）的出射端通过保偏光纤跳线与具有两个出射端的第二偏振分束器（21）的入射端连接；所述第二偏振分束器（21）的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二慢轴起偏器（22）的入射端连接；所述第二慢轴起偏器（22）的出射端通过保偏光纤跳线与所述第一光电探测器（23）的入射端连接；所述第一光电探测器（23）的出射端通过射频线与所述数据采集卡（26）；所述第二偏振分束器（21）的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二快轴起偏器（24）的入射端连接；所述第二快轴起偏器（24）的出射端通过保偏光纤跳线与所述第二光电探测器（25）的入射端连接；所述第二光电探测器（25）的出射端通过射频线与所述数据采集卡（26），所述数据采集卡（26）的出射端通过射频线与计算机（27）的入射端连接。
11.一种基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法，其特征在于，包括：
S1：将不同波长的混沌激光经脉冲调制成快轴和慢轴正交起偏的低相干光脉冲注入到保偏光纤中，在传输过程中不断产生后向瑞利散射信号，将不同频率、不同位置的散射信号强度进行记录，形成快轴和慢轴对应的二维瑞利散射谱图；
S2：提取瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线；
S3：根据提取的瑞利散射谱相同位置处散射信号随频率的变化曲线，进行互相关运算获得瑞利散射频移和双折射频移，并计算得到对应位置处的温度和应变值。
12.根据权利要求11所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法，其特征在于，所述获得瑞利散射频移的方法为：
从快轴或慢轴前后两个重复周期所对应的瑞利散射谱图上分别将保偏光纤某一位置处散射信号强度随频率变化的曲线提取出，并进行互相关运算获得温度和应变变化前后的相关峰频移，称为瑞利散射频移。
13.根据权利要求11所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法，其特征在于，所述获得双折射频移的方法为：
从快轴和慢轴对应的瑞利散射谱图上分别将保偏光纤某一位置处散射信号强度随频率变化的曲线提取出，并进行互相关运算获得温度和应变变化前后的相关峰频移，称为双折射频移。
14.根据权利要求11所述的基于混沌瑞利散射谱互相关的温度和应变测量方法，其特征在于，所述计算得到对应位置处的温度和应变值的方法为：
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_5
其中，/>
Figure QLYQS_8
表示瑞利散射频移，/>
Figure QLYQS_3
表示双折射频移，/>
Figure QLYQS_6
和/>
Figure QLYQS_9
分别表示应变变化和温度变化，/>
Figure QLYQS_10
和/>
Figure QLYQS_2
分别表示瑞利散射频移下的应变敏感系数和温度敏感系数，/>
Figure QLYQS_4
和/>
Figure QLYQS_7
分别表示双折射频移下的应变敏感系数和温度敏感系数。
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