專利名稱：一種同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于分布式光纖傳感技術，具體涉及一種基于雙波長的溫度和應變同時測量的基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術。
背景技術：
分布式光纖傳感器以光纖本身既作傳感體又作傳輸介質，可以準確地測出光纖沿線任一點上的應力、溫度、振動和損傷等信息，可以比較容易實現長距離、分布式監測。如果將光纖縱橫交錯鋪設成網狀即可構成具備一定規模的監測網，實現對監測對象的全方位檢測，克服傳統點式檢測漏檢的弊端，提高檢測的成功率。基于分布式光纖傳感器的突出特點，它在油氣管道監測、電纜狀態監控、城市基礎設施、大型建筑物的結構健康監控、火災及山體滑坡預警以及飛機、輪船等的損傷監測等方面具有其它傳感技術無法比擬的應用前景。在其二十多年的研究中，產生了一系列傳感機理和測量系統，其中基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術能夠同時測量溫度和應變兩大參數，因其在溫度、應變測量上具有高測量精度、大測量范圍以及高空間分辨率等優勢，吸引了國內外廣泛的關注。布里淵分布式光纖傳感系統的一個關鍵問題是溫度應變的交叉敏感，這是由于布里淵頻移既對溫度敏感又對應變敏感，在實驗室測量中可以基本保持溫度不變，比較準確地測量應變變化，但在實際的應用環境中這種情況難以實現。因此如何實現溫度應變的同時測量吸引著眾多研究者的興趣。早期的一種解決方法是采用相鄰的兩段光纖，其中一段光纖處于無應力狀態用來測量溫度變化，另一段光纖則用來測試溫度和應力的雙重影響，兩者結合便可同時解調出某一段區域的溫度和應力變化，這種方法在實用中并不方便。進一步的研究表明布里淵散射光功率也隨溫度和應變變化，同時測量光纖的布里淵頻移和功率分布就可實現溫度和應變的同時傳感。實際上由于影響因素不止應變和溫度，比如彎曲損耗、接頭、絞接、耦合或者附加光纖都會導致功率的變化，連續波的波動、激光脈沖功率的波動以及脈沖寬度的波動也會影響布里淵峰值功率。尤其布里淵增益的偏振敏感性也使得布里淵功率隨偏振態變化隨機起伏。因此，利用布里淵頻移和布里淵功率進行溫度應變的同時測量，精度不高。由于瑞利散射信號反映了光纖的損耗等特性但隨溫度變化不敏感，TRParker等人引入布里淵散射和瑞利散射信號的強度比，即Landau-Placzec Ratio (LPR),利用LPR建立布里淵信號光功率與溫度和應變的關系，有利于減少光纖微彎和接頭損耗、光源波動等帶來的誤差，實現了溫度和應變的同時傳感。采用LPR確定溫度或應變的難點在于如何將微弱的自發布里淵散射信號從總散射信號中分離出來，雖然LPR能夠減少光源波動、光纖損耗等造成的測量誤差，但是由PMD導致的光功率波動依舊無法消除。單模光纖中布里淵光功率的波動主要由光纖的PMD引入的偏振態變化決定，使得功率測量精度存在很大的誤差，進而導致基于布里淵功率和頻移進行溫度應變同時傳感的測量精度不高。而保偏光纖(PMF)則不存在這個問題，假設PMF中溫度應變系數沿光纖不變，并且光沿某一主軸注入，則其信號強度的波動主要由光源的功率波動導致。如果光源的功率波動可以忽略，就可準確測得溫度應變變化導致的強度變化。實驗還發現，當所用光源的頻率穩定且線寬極窄時，布里淵頻譜寬度和溫度應變之間也有對應的關系，因此PMF中有三個量(Stokes強度、布里淵頻移、布里淵線寬)可以用于實現溫度應變的同時測量。光子晶體光纖(PCF)和大有效面積非零色散位移光纖(large-effective-areanonzero-dispersion-shifted fiber,LEAF)因其布里淵散射譜表現出多個峰值,通過測試主峰和某一次極大峰對應的布里淵頻移值，可實現高精度的溫度和應變同時測量。但這些特殊光纖，如PMF、PCF、LEAF等，價格昂貴，傳感距離不長。基于光纖中拉曼散射的溫度敏感性和布里淵散射的溫度應變敏感性，利用拉曼散射測溫度，補償布里淵頻移的溫度變化測應變，發展了基于拉曼和布里淵融合的分布式光纖溫度應變傳感器。然而這種方案涉及到拉曼散射和布里淵散射，系統結構以及信號處理較為復雜。因此探索基于普通單模光纖的溫度應變同時傳感的布里淵分布式光纖傳感系統依然具有重大的理論和現實意義。
發明內容
本發明要解決的問題就是在普通單模光纖中，僅利用布里淵頻移實現溫度應變的同時傳感，既不需要測試布里淵散射光功率，又無需昂貴的特種光纖，同時僅僅基于布里淵散射。該方法測量精度高，容易實現。本發明的原理是:依據布里淵頻移與溫度應變的線性關系，利用雙波長法，即考慮采用兩個波長差值較大的光源進行布里淵頻移測量，根據各自的頻移與溫度應變系數，聯立以下兩個方程實現溫度應變的同時傳感:
權利要求
1.一種同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感方法，其特征在于包括以下步驟: 51.對需要測量的傳感光纖分別標定兩個不同波長的入射光對應的布里淵頻移溫度系數和應變系數； 52.采用步驟SI中所述兩個不同波長的入射光分別對需要測量的傳感光纖進行布里淵頻移測量，得到兩個不同波長下所述傳感光纖的布里淵頻移量； 53.根據步驟SI得到的不同波長下的布里淵頻移溫度系數和應變系數，以及步驟S2得到的不同波長下的布里淵頻移量，計算得到所述傳感光纖的溫度和應變分布。
2.根據權利要求1所述的同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感方法，其特征在于:所述步驟S2中進行布里淵頻移測量的步驟是將所述兩個不同波長的入射光先后單獨注入所述傳感光纖，首先測量第一個波長下的布里淵頻移量，然后測量第二個波長下的布里淵頻移量。
3.根據權利要求1所述的同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感方法，其特征在于:所述步驟S2中進行布里淵頻移測量的步驟是將所述兩個不同波長的入射光同時注入所述傳感光纖，再同時分別測量兩個不同波長下的布里淵頻移量。
4.根據權利要求3所述的同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感方法，其特征在于:所述兩個不同波長的入射光的頻差至少大于100MHz。
5.一種同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置，其特征在于包括:兩個窄線寬激光器、隔離器、耦合器、脈沖光產生裝置、擾偏器、摻餌光纖放大器、移頻裝置、偏振控制器、環形器、光電探測器、數據采集卡、計算機和傳感光纖，所述環形器為設有第一端口、第二端口和第三端口的三端口環形器，所述窄線寬激光器產生的入射光經過隔離器后，再經過所述耦合器分為兩個支路， 第一支路經所述脈沖光產生裝置調制為脈沖光，再經過所述摻餌光纖放大器放大后作為脈沖 泵浦光連接所述環形器的第一端口，所述環形器的第二端口接入所述傳感光纖的一端；第二支路經過所述移頻裝置移頻作為移頻后的探測光接入所述傳感光纖的另一端，所述的環形器的第三端口連接所述光電探測器進行光電轉換，最后由所述數據采集卡和計算機得到所述傳感光纖的布里淵頻移量；所述兩個窄線寬激光器為不同時接入的不同波長的窄線寬激光器，在工作時首先接入第一個波長下的窄線寬激光器進行測量，然后再接入第二個波長下的窄線寬激光器進行測量。
6.一種同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置，其特征在于包括:兩個窄線寬激光器、耦合器、隔離器、脈沖光產生裝置、摻餌光纖放大器、移頻裝置、擾偏器、偏振控制器、環形器、光電探測器、數據采集卡、計算機和傳感光纖、波分復用器，所述環形器為設有第一端口、第二端口和第三端口的三端口環形器，所述兩個窄線寬激光器為兩個同時接入的不同波長的窄線寬激光器，均同時接入所述波分復用器，再經過隔離器到達所述耦合器分為兩個支路，第一支路經所述脈沖光產生裝置調制為脈沖光，再經過所述摻餌光纖放大器放大后作為脈沖泵浦光連接所述環形器的第一端口，所述環形器的第二端口接入所述傳感光纖的一端，第二支路經過所述移頻裝置移頻作為移頻后的探測光接入所述傳感光纖的另一端，所述的環形器的第三端口連接所述光電探測器進行光電轉換，最后由所述數據采集卡和計算機將兩個波長對應的數據分別進行布里淵增益譜擬合，最終得到所述傳感光纖在不同波長下對應的布里淵頻移量。
7.根據權利要求6所述同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置，其特征在于:所述兩個窄線寬激光器的頻差至少大于100MHz。
8.根據權利要求5或6所述同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置，其特征在于:所述兩個窄線寬激光器、耦合器、隔離器、脈沖光產生裝置、摻餌光纖放大器、移頻裝置、擾偏器、偏振控制器、環形器、傳感光纖均為單模器件。
9.根據權利要求5所述同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置，其特征在于:所述兩個窄線寬激光器均為半導體激光器或均為光纖激光器，且輸出的波長均在C波段。
10.根據權利要求5所述同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置，其特征在于:所述脈沖泵浦光的脈寬為IOns 100ns。`
全文摘要
本發明屬于分布式光纖傳感技術，提供一種同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感方法和裝置。所述方法包括首先標定待測傳感光纖在兩個不同波長的入射光對應的布里淵頻移溫度系數和應變系數；再測量兩個不同波長下所述傳感光纖的布里淵頻移量；最后計算得到所述傳感光纖的溫度和應變分布。具體測量時可以將兩個不同波長的入射光先后單獨注入所述傳感光纖，也可以將兩個不同波長的入射光通過波分復用器同時注入所述傳感光纖。本發明采用普通單模光纖，成本低且可以遠距離分布式傳感；僅需測量不同泵浦波長下的布里淵頻移量，有效提高了測量精度，系統結構也較為簡單。
文檔編號G01K11/32GK103207033SQ20131014019
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者孟洲, 孫世林, 王建飛, 陳羽, 周會娟, 陳默, 涂曉波, 孫喬 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學