Claims (11)
1. Распределенный оптоволоконный датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния, содержащий:1. A distributed fiber optic sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon, comprising:
источник ступенчатого оптического светового излучения для формирования оптического импульса, обладающего ступенчатым распределением интенсивности света, увеличивающейся по направлению к центру,a stepwise optical light source for generating an optical pulse having a stepwise light intensity distribution increasing toward the center,
источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения,a source of continuous light radiation for the formation of continuous light radiation,
чувствительное оптическое волокно, на которое падает оптический импульс в качестве светового излучения зондирования, а непрерывное световое излучение является падающим в качестве светового излучения накачки, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между световым излучением зондирования и световым излучением накачки, иa sensitive optical fiber onto which the optical pulse is incident as the light of sounding of the probe, and the continuous light is incident as the light of the pump, so as to cause Brillouin scattering between the light of the sound and the light of the pump, and
детектор бриллюэновского рассеяния во временной области для определения спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, и измерения деформации, вызванной внутри, и/или температуры чувствительного оптического волокна, на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.time-domain Brillouin scattering detector for determining the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum from light emitted from the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, and measuring the strain caused inside and / or the temperature of the sensitive optical fiber based on the determined Brillouin spectrum attenuation or Brillouin gain spectrum.
2. Распределенный оптоволоконный датчик по п.1, в котором:2. The distributed fiber optic sensor according to claim 1, in which:
световое излучение зондирования является падающим на один конец чувствительного оптического волокна,sensing light radiation is incident on one end of a sensitive optical fiber,
световое излучение накачки является падающим на другой конец чувствительного оптического волокна, иpumping light is incident on the other end of the sensitive optical fiber, and
детектор бриллюэновского рассеяния во временной области определяет спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, и измеряет деформацию, вызванную внутри, и/или температуру чувствительного оптического волокна, на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.a Brillouin scattering detector in the time domain determines the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum from light emitted from the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, and measures the strain caused inside and / or the temperature of the sensitive optical fiber based on the determined Brillouin attenuation or Brillouin gain spectrum.
3. Распределенный оптоволоконный датчик по п.1, в котором:3. The distributed fiber optic sensor according to claim 1, in which:
световое излучение зондирования является падающим на один конец чувствительного оптического волокна,sensing light radiation is incident on one end of a sensitive optical fiber,
световое излучение накачки является падающим на другой конец чувствительного оптического волокна,pumping light is incident on the other end of the sensitive optical fiber,
чувствительное оптическое волокно отражает световое излучение накачки, распространяющееся в нем, на другом его конце, иa sensitive optical fiber reflects the pumping light propagating in it, at its other end, and
детектор бриллюэновского рассеяния во временной области определяет спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, и измеряет деформацию, вызванную внутри, и/или температуру чувствительного оптического волокна, на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.a Brillouin scattering detector in the time domain determines the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum from light emitted from the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, and measures the strain caused inside and / or the temperature of the sensitive optical fiber based on the determined Brillouin attenuation or Brillouin gain spectrum.
4. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления в каждой секции продольного участка, равной или меньшей чем 1 м чувствительного оптического волокна, определяемые по световому излучению, выходящему из одного конца чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, по существу, представлены кривой Лоренца.4. The distributed fiber optic sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum in each section of the longitudinal portion equal to or less than 1 m of the sensitive optical fiber, determined by the light radiation emanating from one end of the sensitive optical fiber and the attributed phenomenon of Brillouin scattering, essentially represented by the Lorentz curve.
5. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, дополнительно содержащий:5. The distributed fiber optic sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
регулятор интенсивности/поляризации света для стабилизации интенсивности света падающего светового излучения и произвольного изменения плоскости поляризации падающего светового излучения, иa light intensity / polarization regulator for stabilizing the light intensity of the incident light radiation and randomly changing the plane of polarization of the incident light radiation, and
регулятор интенсивности света для стабилизации интенсивности света падающего светового излучения,light intensity regulator to stabilize the light intensity of the incident light radiation,
при этом, световое излучение зондирования является падающим на чувствительное оптическое волокно через регулятор интенсивности/поляризации света, а световое излучение накачки является падающим на чувствительное оптическое волокно через регулятор интенсивности света.in this case, the sensing light is incident on the sensitive optical fiber through the light intensity / polarization regulator, and the pump light is incident on the sensitive optical fiber through the light intensity regulator.
6. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором каждый из источника ступенчатого оптического излучения и источника непрерывного светового излучения включает в себя:6. The distributed fiber optic sensor according to any one of claims 1 to 3, in which each of the source of stepwise optical radiation and the source of continuous light radiation includes:
светоизлучающий элемент для непрерывного испускания светового излучения, имеющего узкую ширину спектральной линии, заданную частоту и, по существу, постоянную интенсивность света,a light emitting element for continuously emitting light radiation having a narrow spectral line width, a predetermined frequency and a substantially constant light intensity,
термореле для удерживания температуры светоизлучающего элемента, по существу, на постоянной температуре, иa thermal relay for holding the temperature of the light emitting element at a substantially constant temperature, and
регулятор частоты для удерживания частоты светового излучения, испускаемого из светоизлучающего элемента, по существу, на постоянной частоте.a frequency adjuster for holding the frequency of the light emitted from the light emitting element at a substantially constant frequency.
7. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором источник ступенчатого оптического светового излучения включает в себя:7. The distributed optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3, in which the source of stepwise optical light radiation includes:
светоизлучающий элемент для непрерывного испускания светового излучения, имеющего узкую ширину спектральной линии, заданную частоту и, по существу, постоянную первую интенсивность света,a light emitting element for continuously emitting light radiation having a narrow spectral line width, a predetermined frequency and an essentially constant first light intensity,
первый и второй модуляторы интенсивности света для модуляции интенсивности света падающего светового излучения,first and second light intensity modulators for modulating the light intensity of the incident light radiation,
первый узел возбуждения модулятора интенсивности света для возбуждения первого модулятора интенсивности света, чтобы модулировать интенсивность светового излучения, непрерывно испускаемого из светоизлучающего элемента, так что оптический импульс, имеющий первую интенсивность света, существует в непрерывном световом излучении, имеющем вторую интенсивность света, более низкую, чем первая интенсивность света, иa first light intensity modulator excitation unit for driving a first light intensity modulator to modulate the intensity of the light radiation continuously emitted from the light emitting element, so that an optical pulse having a first light intensity exists in continuous light radiation having a second light intensity lower than first light intensity, and
второй узел возбуждения модулятора интенсивности света для возбуждения второго модулятора интенсивности света, чтобы модулировать интенсивность светового излучения, падающего из первого модулятора интенсивности света, так что остающееся световое излучение устраняется наряду с оставлением непрерывных световых излучений, имеющих вторую интенсивность света на протяжении заданных длительностей, до и после оптического импульса.a second light intensity modulator excitation unit for driving a second light intensity modulator to modulate the intensity of the light incident from the first light intensity modulator, so that the remaining light radiation is eliminated while leaving continuous light emissions having a second light intensity for predetermined durations, up to and after the optical pulse.
8. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором:8. The distributed fiber optic sensor according to any one of claims 1 to 3, in which:
источник ступенчатого оптического светового излучения формирует первый оптический импульс, имеющий ступенчатое распределение интенсивности света, увеличивающееся по направлению к центру, и второй оптический импульс, имеющий такую же временную длительность, как первый оптический импульс и такую же интенсивность света, как самая низкая интенсивность света первого оптического импульса, иa stepwise optical light source generates a first optical pulse having a stepwise distribution of light intensity increasing towards the center and a second optical pulse having the same time duration as the first optical pulse and the same light intensity as the lowest light intensity of the first optical momentum, and
детектор бриллюэновского рассеяния во временной области инициирует источник ступенчатого оптического светового излучения для формирования второго оптического импульса и испускания его в качестве светового излучения зондирования в чувствительное оптическое волокно, и инициирует источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения и испускания его в качестве светового излучения накачки в чувствительное оптическое волокно, посредством этого, сохраняя первую интенсивность света светового излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния; инициирует источник ступенчатого оптического светового излучения для формирования первого оптического импульса и испускания его в качестве светового излучения зондирования в чувствительное оптическое волокно, и инициирует источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения и испускания его в качестве светового излучения накачки в чувствительное оптическое волокно, посредством этого, сохраняя вторую интенсивность света светового излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния; определяет спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления на основании сохраненных первой и второй интенсивностей света; и измеряет деформацию, вызванную внутри, и/или температуру чувствительного оптического волокна на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.a time-domain Brillouin scattering detector initiates a stepwise optical light source to generate a second optical pulse and emits it as sensing light into a sensitive optical fiber, and initiates a continuous light source to generate continuous light and emits it as a pump light in sensitive optical fiber, thereby preserving the first light intensity of the light teaching emerging from a sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon; initiates a stepwise optical light source for generating a first optical pulse and emitting it as sensing light into a sensitive optical fiber, and initiates a continuous light source for generating continuous light and emitting it as a pumping light into a sensitive optical fiber, thereby while maintaining the second light intensity of the light coming out of the sensitive optical fiber and attributed to the phenomenon of Brillouin scattering; determines the spectrum of Brillouin attenuation or the spectrum of Brillouin amplification based on the stored first and second light intensities; and measures the internal strain and / or temperature of the sensitive optical fiber based on a specific Brillouin attenuation spectrum or Brillouin gain spectrum.
9. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, дополнительно содержащий эталонное оптическое волокно, изготовленное из того же материала, как чувствительное оптическое волокно, имеющее длину, соответствующую пространственному разрешению, и имеющее деформацию, большую, чем деформация, выраженная обратной величиной временной длительности оптического импульса,9. The distributed fiber optic sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a reference optical fiber made of the same material as a sensitive optical fiber having a length corresponding to spatial resolution and having a strain greater than the strain expressed inverse the value of the time duration of the optical pulse,
при этом детектор бриллюэновского рассеяния во временной области инициирует источник ступенчатого оптического светового излучения для формирования оптического импульса и испускания его в качестве светового излучения зондирования в эталонное оптическое волокно, и инициирует источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения и испускания его в качестве светового излучения накачки в эталонное оптическое волокно; определяет среднюю частоту спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из эталонного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассения; сохраняет определенную среднюю частоту в качестве эталонного значения; определяет среднюю частоту спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассения, в качестве значения детектирования; рассчитывает значение поправки по эталонному значению, значению детектирования и спектру бриллюэновского ослабления или спектру бриллюэновского усиления в соответствии с уравнением преобразования значения поправки, предварительно сохраненного; и измеряет деформацию, вызванную внутри, и/или температуру чувствительного оптического волокна по рассчитанному значению поправки.in this case, the Brillouin scattering detector in the time domain initiates a stepwise optical light source for generating an optical pulse and emitting it as light sensing radiation into a reference optical fiber, and initiates a continuous light source for generating continuous light radiation and emitting it as a pump light in a reference optical fiber; determines the average frequency of the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin amplification spectrum from the light radiation emerging from the reference optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon; saves a certain average frequency as a reference value; determines the average frequency of the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin amplification spectrum from light emanating from a sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, as the detection value; calculates the correction value from the reference value, the detection value and the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum in accordance with the equation for converting the correction value previously stored; and measures the deformation caused internally and / or the temperature of the sensitive optical fiber by the calculated correction value.
10. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором чувствительное оптическое волокно является оптическим волокном, в котором величина бриллюэновского сдвига частоты изменяется циклически.10. The distributed optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3, in which the sensitive optical fiber is an optical fiber, in which the magnitude of the Brillouin frequency shift varies cyclically.
11. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором чувствительное оптическое волокно закреплено на объекте измерения, у которого измеряются деформация и/или температура.11. The distributed optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3, in which the sensitive optical fiber is fixed to the measurement object, which is measured by deformation and / or temperature.