TW202417822A - 一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置及其量測方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係揭露一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置及其量測方法，係藉由布里淵頻移進行感測，以量測任一位置之待測物的溫度值，以及應變值。
Description
本發明係一種雙光纖感測裝置及其量測方法，特別是一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置及其量測方法。
於傳統的量測技術領域，當需要量測的時候，由於需要進行量測一定長度，而由於每個長度具有不同的溫度變化或不同的地貌，若單獨使用光纖感測進行量測，則很不易量測出精確位置，且不易區分是否是由溫度或其他應力等其他因素所造成的不良影響。
如圖1所示，係先前技術之布里淵光時域分析量測系統，其中諸如了以下的元件，包括了：首先，由系統光源(DFB Laser)1001提供雷射光源，再由耦合器(coupler)1002分出泵浦光源(pump light)，以及探頭光源，而以全光纖元件極化控制器(polarization controller, PC)1003，與全光纖元件極化控制器(polarization controller, PC)1004調整光極化態，使得功率輸出為最大。
續如圖1所示，以信號產生器(signal generator, SG)1005產生連續波訊號，進而感測待測光纖的布里淵頻率，以電光調變器(electro-optic modulator, EOM)1006與電光調變器(electro-optic modulator, EOM)1007，將電訊號轉為光訊號，以脈衝模式產生器(pulse pattern generator, PPG)1008與任意波形產生器(arbitrary waveform generator, AWG)1009產生系統所需的脈衝訊號。
仍如圖1所示，以可變光衰減器(variable optical attenuator, VOA)1010進行光性連接光隔離器(isolator, ISO)1014，且該可變光衰減器1010可以調整光功率，又該光隔離器1014限制光路單一方向連接該待測光纖(fiber under test, FUT)1015，該調變器偏壓控制器(modulator bias controller, MIBC)1011可自動調整偏壓，以產生脈衝訊號穩定輸出，且該調變器偏壓控制器1011電性連接電腦1012。
續如圖1所示，該電腦1012電性連接數位螢光示波器(digital phosphor oscilloscope, DPO)1013，而又該調變器偏壓控制器1011以光性連接摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)1016，該摻鉺光纖放大器1016進行光性連接極化擾偏器(polarization scrambler, PS)1017，該極化擾偏器1017可以抑制偏振雜訊。
接著如圖1所示，該極化擾偏器1017以光性連接可變光衰減器1018，該可變光衰減器1018進行光性連接光循環器(optical carrier, OC)1019，該光循環器1019以光性連接摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)1020，該摻鉺光纖放大器1020進行光性連接可調濾波器(tunable filter)1021，以該可調濾波器1021濾出所需布里淵散射光波波段。
最後如圖1所示，該可調濾波器1021光性連接光電探測器(photo detector, PD)1022，而該光電探測器1022電性連接直流阻隔器(DC bolck)1023。
而由於光纖感測技術能夠於綿延逾數公里至數十公里的待量測區域，任何一區間作為感測量測，且感測範圍相當廣泛，但越多的感測頭，則意謂著其感測成本將會提升，且容易造成光源的光能量的插入損耗。故而逐點式的光纖感測，會在短距離內，具有精確的精準度，判斷發生擾動的正確位置。
眾所周知，光纖通常是圓柱形的材料，故而依其物理特性，會進行熱漲冷縮，更會因多種外在因素而改變光纖的長度，或是因外力如「拉力」變化的外在因素 ，進而改變光纖的直徑。而其中關於「溫度」變化的外在因素 ，或是關於「應變」變化 的外在因素，是多半所常見的外在因素。而在實務上，所常見的困擾是，即使能夠經觀察而得知光纖的長度改變，或是直徑的改變，卻無法得知，更無法確認是由「溫度」變化的外在因素，或是「應變」變化 的外在因素所造成的。通常多半會藉由忖度的方式，例如，猜測很可能是「溫度」變化的外在因素，其影響達70%，而「拉力」變化的外在因素 ，其影響達30%。也會猜測，可能是「溫度」變化的外在因素，其影響達60%，而「拉力」變化的外在因素 ，其影響達40%。更會猜測，大半是「溫度」變化的外在因素，其影響達50%，「拉力」變化的外在因素 ，其影響達50%，故而，目前尚無任何習知技術，可以完全進行前述「拉力」變化，「溫度」變化，以及「應變」變化的外在因素分析或是確認。
由前述可知，既有的分佈式光纖感測與逐點式光纖感測仍有需要改良與改進的空間，故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案，故而新式的光纖量測系統確有必要進行研發，以及進行光纖量測系統的更新化與商業化。
本發明之一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置及其量測方法，係利用布里淵散射原理進行感測，且藉由布里淵頻移進行感測，以量測任一位置之待測物的溫度值，以及應變值。
本發明之一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置，包含：布里淵光時域分析系統；色散位移光纖；以及單模光纖，其中布里淵光時域分析系統分別連接色散位移光纖，以及單模光纖，藉以形成該該具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置，包含藉由色散位移光纖傳送泵浦光源，以及藉由單模光纖傳送探頭光源，且其中包含該色散位移光纖，以及該單模光纖緊密並排放置，以產生一感測功能。
本發明之一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置的量測方法，包括以下的步驟：首先，以兩條光纖的雙應變改變量，以及雙溫度改變量，以得到布里淵頻移量。接著，定義在相同溫度下的條件。同時，定義在相同應變下的條件。最後，由雙溫度變化量與雙應變變化量以得到頻率。換言之，依前述的四個步驟，即可求出兩種光纖於相同地方所測量到的應變值以及溫度變化，以達到雙參數感測的結果。
本發明的優勢之一，係利用光纖本身之布里淵頻率之增減，而該現象係因為光纖的直徑變化，以及光纖的密度變化，所相應產生。
本發明的優勢之一，係有別於傳統的檢測技術，可單獨使用光纖感測進行量測，容易量測出精確位置且可避免其他因素所造成的影響。
本發明的優勢之一，係以光纖感測技術能夠延長至數公里到數十公里的任何一區間作為感測量測，感測範圍相當廣泛。
本發明的優勢之一，可達到減少感測成本，且可減少光源的光能量插入損耗。
本發明的優勢之一，其光纖感測在長距離內有相當精確的精準度，且亦可判斷發生擾動的正確位置。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
由於各種態樣與實施例僅為例示性且非限制性，故在閱讀本說明書後，具有通常知識者在不偏離本發明之範疇下，亦可能有其他態樣與實施例。根據下述之詳細說明與申請專利範圍，將可使該等實施例之特徵及優點更加彰顯。
首先，請參考圖2所示之本發明的「一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置」100示意圖，係特別利用布里淵散射原理進行感測，而藉由布里淵頻移(Brillouin frequency shift)原理，以感測任一位置之待測物的溫度值，以及應變值。
再請參考圖2所繪示，本發明實施例之「一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置」100，其包含：布里淵光時域分析系統(BOTDA) 101， 色散位移光纖(dispersion shifted fiber, DSF)102，以及單模光纖(single mode fiber, SMF) 103，而本發明實施例係以布里淵光時域分析系統 101分別連接色散位移光纖102，以及單模光纖103。
而如圖2所式，係將色散位移光纖102以及單模光纖103，進行相互連結後，其可透過色散位移光纖102傳送激發「泵浦光源 (pump light)」501，亦即，該色散位移光纖102係傳送激發「泵浦光源」501，透過單模光纖103傳送探頭光源(probe light)502，亦即，該單模光纖103傳送探頭光源502，當該色散位移光纖102與該單模光纖103經過待側物301，即可供本發明進行感測。惟事實上，僅將色散位移光纖102，以及單模光纖103兩光纖緊密地相互平行並排放置，即可以產生量測的功能。
續請參考圖2，本發明實施例之「一種具有布里淵光時域分析系統(BOTDA) 101」，係以布里淵光時域分析系統運用之「布里淵散射原理」，當該布里淵散射原理係入射光與光纖中的聲波進行互相作用時，因布里淵散射原理會有散射峰的頻移的現象發生，故稱為「布里淵頻移(Brillouin frequency shift)」。而散射峰的頻移，係為布里淵散射原理進行感測的關鍵技術，而由散射峰的頻移可直接算出聲速，再利用聲速互補的方法，作為感測時定位的依據。
仍如圖2所示，該色散位移光纖102之工作原理，係利用光纖材料中的石英材料色散，以及纖芯結構色散的合成抵消特性，而構成零色散，故可透過波導色散以進行色散平移，亦即，得以利用色散位移產生光纖波導色散，以控制光纖。但於此同時，色散位移光纖的零色散卻相當不利於多信道(wavelength division multiplexing, WDM)傳輸，因為當所使用的信道數較多時，信道的間距會較小，此時，會產生一種「四波混頻(four-wave mixing, FWM)」的非線性光學效應，而此種非線性光學效可使得兩個或三個傳輸波長進行混合，甚至進而產生新的且有害的頻率分量，最終導致信道間會發生串擾。
參考圖2所示，於該單模光纖(single mode fiber, SMF) 103的基本構造中，位於其中心的玻璃芯相當的細微，且該玻璃芯的芯徑一般為9微米(μm)或是10微米，且係只能進行一種傳送模式的光纖。因此，該單模光纖的模間色散很小，可適用於遠程通訊，且單模光纖對光源的譜寬，以及穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好，使得其信號畸變很小，故而，由於單模光纖僅具有一個傳輸模式，而稱為單模光纖。
參考於圖2中，本發明實施例「一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置」100係將待測物置於兩緊密地相互平行並排放置的兩光纖，如包含色散位移光纖102，以及單模光纖103兩光纖緊密並排放置，使得本發明實施例「布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置」100可具有感測功能，得以實施感測。
本發明實施例「一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置」100的量測方法，如本發明之使用兩條種類不同的光纖，包括光纖
(第一光纖)和光纖
(第二光纖) ，且兩種光纖的溫度係數和應變係數皆不相同，如以下所示：
光纖1溫度係數為
，其應變係數為
；
光纖2溫度係數為
，其應變係數為
；
, 式
, 式
為溫度變化量；
為應變變化量；
為光纖1之觀察結果，屬已知; 以及
為光纖2之觀察結果，屬已知。
本發明之一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置的量測方法，係使用色散移位光纖，以及單模光纖兩種不同的光纖，藉以實施量測，而由於該兩種光纖所產生的布里淵增益中的「布里淵頻率」，其並不會相同，因此，可利用先前蒐集到的資料，例如當溫度改變時，布里淵頻移量會有所不同，再得出各別的溫度變化，再分析得出波長，以利進行實施資料的分析處理方法。
將前述的數值帶入式
，以實施運作：
觀察結果 已推導出 未知 已知
, 式
綜前所述，當兩條以不同材料所製成的光纖，一條光纖是光纖
，另一條是光纖
，其具有不同的溫度係數，而在溫度
，溫度
為已知的情況下，且應變係數
， 以及應變係數
為已知的情況下，若將光纖
，以及光纖
，該兩種光纖緊貼在一起擺放，進行量測時，則兩光纖於任何待測點之任何時間，溫度變化與應變變化值應該都會相同。故而，利用前述的操作方法，則可求出未知的溫度變化(
)，以及應變變化(
)。
根據實際測量色散移位光纖的溫度係數，以及單模光纖的溫度係數，分別是色散移位光纖的溫度係數約為
，單模光纖的溫度係數約為
，而色散移位光纖的應變係數約為
，單模光纖的應變係數約為
。換言之，式
係以兩條光纖的雙應變改變量，以及雙溫度改變量，以得到「布里淵頻移量」。
當前述條件皆成立時，該兩條光纖平行在相同地方時的溫度，以及應變，會具有相同的特性。故而，式
係定義在相同溫度(T)下的條件。
因此使用式
，式
，以及式
，亦即，本發明的一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置的量測方法，包括以下的步驟：
首先，以兩條光纖的雙應變改變量，以及雙溫度改變量，以得到布里淵頻移量。
接著，以兩條光纖定義在相同溫度下的條件。
同時，以兩條光纖定義在相同應變下的條件。
最後，由雙溫度變化量與雙應變變化量以得到新的布里淵頻率。
換言之，依前述的四個步驟，即可求出兩種光纖於相同地方所測量到的應變值以及溫度變化，以達到雙參數感測的結果。
此處可觀察圖3所示之三維布里淵頻譜圖，係經由前述本發明「一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置」的量測方法，而可以得到如圖3所示之量測結果，圖3所示之「布里淵頻譜圖」顯示在頻率10.62
，以及10.99
出現波峰，再經觀察距離軸，發現於11.8公里處，和12公里處出現兩個擾動。
而須說明的是，本發明係利用光纖本身之布里淵頻率之增減，亦即利用波長之倒數，而該現象係因為光纖的直徑變化，以及光纖的密度變化，而相應產生。也因該光纖的直徑變化，以及光纖的密度變化，使得傳統之測量系統無法區分出，亦無法分辨係由溫度所產生之影響，或是由應力所產生之影響。故而，本發明布里淵光時域分析系統100則加入了對溫度較為敏感的色散位移光纖102，以及單模光纖103兩光纖緊密並排放置，可用以區分外在的影響。而本發明除了用於測量具有深度高度之氣體密度之外，還可以用於測量具有任何深度，或是任何高度的建物設施結構安全監控，然此實施例僅用以作為示範解說之用，非用以限制本發明使用環境。
本發明的優勢，係有別於傳統的檢測技術，可單獨使用光纖感測進行量測，容易量測出精確位置且可避免其他因素所造成的影響，且本發明係以光纖感測技術能夠延長至數公里到數十公里的任何一區間作為感測量測，感測範圍相當廣泛，又本發明可達到減少感測成本，且可減少光源的光能量插入損耗。本發明其光纖感測在長距離內有相當精確的精準度，且亦可判斷發生擾動的正確位置。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100:一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置
101:布里淵光時域分析系統
102:色散位移光纖
103:單模光纖
1001:系統光源
1002:耦合器
1003:全光纖元件極化控制器
1004:全光纖元件極化控制器
1005:信號產生器
1006:電光調變器
1007:電光調變器
1008:脈衝模式產生器
1009:任意波形產生器
1010:可變光衰減器
1011:調變器偏壓控制器
1012:電腦
1013:數位螢光示波器
1014:光隔離器
1015:待測光纖
1016:摻鉺光纖放大器
1017:極化擾偏器
1018:可變光衰減器
1019:光循環器
1020:摻鉺光纖放大器
1021:可調濾波器
1022:光電探測器
1023:直流阻隔器
301:待側物
501:泵浦光源
502:探頭光源
有關本發明之前述及其它許多優點，於以下配合參考圖示之一個較佳實施例的詳細說明中，將可更清楚呈現，其中如下︰
圖1所示係先前技術之布里淵光時域分析量測系統；
圖2所示係本發明之一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置示意圖；以及
圖3所示係三維布里淵頻譜圖。
100:一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置
101:布里淵光時域分析系統
102:色散位移光纖
103:單模光纖
301:待側物
501:泵浦光源
502:探頭光源
Claims (5)
- 一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置，包含： 一布里淵光時域分析系統； 一色散位移光纖；以及 一單模光纖，其中該布里淵光時域分析系統分別連接該色散位移光纖，以及該單模光纖，藉以形成該種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述的該感測裝置，其中包含該色散位移光纖傳送一泵浦光源。
- 如申請專利範圍第1項所述的該感測裝置，其中包含該單模光纖傳送一探頭光源。
- 如申請專利範圍第1項所述的該感測裝置，其中包含該色散位移光纖，以及該單模光纖緊密並排放置，以產生一感測功能。
- 一種具有布里淵光時域分析系統之雙光纖感測裝置的量測方法，包含： 以兩條光纖得到雙應變改變量，以及雙溫度改變量，以得到一布里淵頻移量； 定義在一相同溫度下的條件； 定義在一相同應變下的條件；以及 由該雙溫度變化量與該雙應變變化量以得到該布里淵頻移量。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202417822A true TW202417822A (zh) | 2024-05-01 |
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