基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統的設計的制作方法
本發明涉及基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統的設計，尤其涉及利用其檢測應變和同時檢測溫度和應變的兩種方案。
背景技術：
基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統（DTSS）由于其獨特的優勢，如靈敏度高、抗電磁干擾及能夠同時分布式測量溫度和應變等，深受人們青睞，有著廣泛的應用前景。
光在光纖中傳輸，主要有三種后向散射光：瑞利、布里淵和拉曼，其中瑞利散射無能量轉換，屬于彈性散射，無頻移；布里淵和拉曼散射都具有能量轉換，屬于非彈性散射，而且一般均具有斯托克斯和反斯托克斯兩種成分光。據定義，頻率下移的成分是斯托克斯光，頻率上移的成分是反斯托克斯光。布里淵散射和拉曼散射的區別在于前者是基于光學聲子的一種散射光，既受溫度變化的影響又受應變的影響，而后者是基于光學光子的一種散射光，只受溫度變化的影響。目前廣大研究者已經對這些散射現象進行了深入研究并且根據其各自特點進行了應用，比如光時域/頻域反射計（OT/FDR），光時域/頻域分析儀（OT/FDA），以及分布式光纖傳感器等等。分布式光纖傳感器特別是基于布里淵散射的光纖傳感器，與其他傳感器相比，具有其獨特優勢，但同時由于布里淵后向散射光與瑞利后向散射光的頻率差異非常小，約為11GHz（對應于波長差異為88pm），其檢測手段存在很大的挑戰性，所以目前仍然是研究熱點。
現有技術中的布里淵散射分布式光纖傳感系統包括自發布里淵散射分布式光纖傳感系統和受激布里淵散射分布式光纖傳感系統。
典型的自發布里淵散射分布式光纖傳感系統如圖1所示，包括光源，其輸出光被分成第一束光和第二束光，第一束光經過調制進入傳感光纖，第一束光在光纖中的反向自發布里淵散射光與上述第二束光在外差檢測裝置中混合并干涉，并由該檢測裝置檢測該干涉信號并分析，從而獲得傳感光纖中的溫度和應變的變化。
在該傳感系統中，需要從光源中分出一束光作參考光，然后與布里淵散射信號進行外差干涉，這就需要性能好、價格高的濾光器將布里淵后向散射光從諸多后向散射光中分離出來或利用聲光調制器或微波電光調制器等器件來調制參考光，而且，其中還存在脈沖光脈寬和信號強弱相互矛盾的問題，在傳統方法中或者用頻域分析方法來提高空間分辨率，但其不能用于長距離測量，或者只使用窄脈寬的脈沖光來提高空間分辨率，但其使得傳感信號弱，后續信號處理較困難。另外，在傳統系統中，通常使用光方法或使用軟件方法來解耦溫度和應變，但前者成本較高，后者影響響應時間。
國際申請PCT/JP2004/009352公開了一種利用受激布里淵散射現象的分布式光纖傳感器，圖2示出了其中通過受激布里淵散射進行檢測的示意圖，其中與自發布里淵散射分布式光纖傳感器不同之處在于，其包括脈沖光光源和連續光光源，從而在用于檢測的光纖的兩端分別輸入探測光和激發光。這樣的方案可以加強探測光的布里淵散射中的斯托克斯成分，使得反斯托克斯成分較弱，甚至可以被忽略，從而可以解決輸入光脈沖寬度和信號強弱的矛盾。但是該系統結構復雜而且安裝不方便，使得制造成本加大。
技術實現要素：
本發明旨在建立了一套完整有效的基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統。
本發明的一方面涉及一種分布式光纖應變傳感系統，包括：光源單元，其發出適于檢測和處理的光；光環行器，其接收來自所述光源單元的光,并將接收的光傳輸入用于檢測的傳感光纖；以及檢測單元，其從所述光環行器接收由進入所述傳感光纖的光引起的后向散射光，在所述檢測單元中獲得所述后向散射光中的瑞利散射光和布里淵的一個成分的散射光通過本源外差干涉形成的干涉光，并將所述干涉光轉換為電信號，所述檢測單元還對所述電信號進行檢測，以獲得傳感光纖中應變的變化。
本發明的另一方面涉及一種分布式光纖傳感溫度應變傳感系統，其光路部分與前述系統一致，而電路部分較為復雜，將信號分為兩大路，在能消除激光光源不穩和線路損耗的前提下，分別測出布里淵散射光的強度和頻移變化，進而得到溫度變化和應變。
相比于現有技術，該系統在技術上有較大突破：該系統利用單端輸入引發布里淵散射，這樣不僅簡化了系統而且安裝方便；該系統利用從種子光源中分出的一小束光對后向散射光中的瑞利成分進行加強，使得外差干涉的信號得到極大的加強，便于后續信號的處理；該系統加入了擾偏器，從而降低了由于布里淵后向散射光的偏振態不穩定而引起的噪聲；該系統在信號處理方面采用了小波去噪的方法，提高了信號的信噪比；該系統采用電解耦方法來分辨布理淵信號的頻移和強度變化，進而可以解耦溫度和應變，該方法降低了成本而且不會影響響應時間。
最后本發明還涉及到光電調制器的反饋控制系統。在其反饋控制電路中，用99/1的耦合器將光電調制器的輸出光分出1%，進入光電二極管中轉化成電信號，然后通過開關門、放大器、微控制器單元以及其驅動，來調整供給光電調制器的偏置電壓使得光電二極管輸出電流最小，這時光電調制器的泄漏光功率最小，將會獲得最佳的光脈沖。開關門的作用在于在脈沖發生期間關閉，這樣得到真正意義上的泄漏光功率最小值，提高了控制精度。
用于檢測應變的分布式光纖傳感系統如圖3。激光光源發出的偏振光被偏振耦合器分成兩部分，其中大部分的偏振光進入光電調制器的子系統中進行調制得到符合要求的脈沖光，該脈沖光的各種參數，如脈寬、發生頻率等均由光電調制器的電脈沖參數決定。然后該脈沖光進入摻鉺光纖放大器中進行放大，該摻鉺光纖放大器的結構采用雙向泵浦結構，既具有較高增益，又具有較低的噪聲。放大后的光脈沖經濾波器濾除摻鉺光纖放大器的噪聲后經光環行器進入傳感光纖中引發布里淵后向散射信號，該散射信號包括瑞利散射光、布里淵散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光與瑞利散射光的距離較遠，約相差100nm，則普通的濾波器即可將拉曼散射光濾除，那么瑞利散射光和布里淵散射光與從激光光源中分離出的一小部分光在光耦合器中進行混合，使得瑞利散射光成分加強；混合光進入光電探測器中進行本源外差干涉，可以得到約為11GHz的外差干涉信號。該電信號經過放大器和濾波器后，在功率分束器中進行功率分配，一路直接進入微波探測器中，將高頻信號轉化成低頻信號，然后經過低頻放大器后進入采集卡中進行數據采集處理；另一路先經過一個頻率-強度轉換器，將頻率的不同轉化為強度的不同，進而進入微波探測器中，將高頻信號轉化為低頻信號，然后經過低頻放大器后進入采集卡中進行數據采集處理。兩路信號經過一定的處理便既可以得到布里淵頻移還可以消除由于激光光源不穩或線路損耗等的影響。
用于同時檢測溫度和應變的分布式光纖傳感系統如圖4。激光光源發出的偏振光被偏振耦合器分成兩部分，其中大部分的偏振光進入光電調制器的子系統中進行調制得到符合要求的脈沖光，該脈沖光的各種參數，如脈寬、發生頻率等均由光電調制器的電脈沖控制決定。然后該脈沖光進入摻鉺光纖放大器中進行放大，該摻鉺光纖放大器的結構采用雙向泵浦結構，既具有較高增益，又具有較低的噪聲。放大后的光脈沖經濾波器濾出摻鉺光纖放大器的噪聲和光環行器后進入傳感光纖中引發布里淵后向散射信號，該散射信號包括瑞利散射光、布里淵散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光與瑞利散射光的距離較遠，約相差100nm，則普通的濾波器即可將拉曼散射光濾除，然后瑞利散射光和布里淵散射光先經過光耦合器分成兩束光，其中在①路中，小部分的光進入低頻的光電探測器中，再經過低通濾波器和放大器進入數據采集卡里，進行處理；另外大部分的光與從激光光源里出來的光在光耦合器中進行混合，使得瑞利散射光成分加強；混合光進入光電探測器中進行本源外差干涉，可以得到約為11GHz的外差干涉信號。該電信號經過放大器和濾波器后，在功率分束器中進行功率分配，一路（②路）直接進入微波探測器中，將高頻信號轉化成低頻信號，然后經過低頻放大器后進入采集卡中進行數據采集處理；另一路（③路）先經過一個頻率-強度轉換器，將頻率的不同轉化為強度的不同，進而進入微波探測器中，將高頻信號轉化為低頻信號，然后經過低頻放大器后進入采集卡中進行（數據采集處理。①②兩路經過某種處理即可得到布里淵后向散射光的光強變化量同時可以消除由于激光光源不穩或線路損耗等的影響；而②③兩路信號經過一定的處理便可以得到布里淵后向散射光的頻移同時也可以消除由于激光光源不穩或線路損耗等的影響。另外需說明一下，這里所選用耦合器的分光比，是為了得到足夠好的布里淵散射信號，進而得到較強的后續處理信號。
布里淵散射光存在不穩定的偏振狀態，這樣就會降低信號的信噪比，因此我們在系統中加入了擾偏器（如圖12）來避免布里淵后向散射光的不穩定偏振態。擾偏器的工作原理，就是將通過擾偏器的偏振光，以較高的速度不斷改變其偏振態(SOP)，從而在總體時間段里，其綜合效果失去了偏振特性。也就是說，在某一個瞬間它還是一個偏振度(DOP)為1的偏振光，但從平均時間上看，它就是一個DOP為0的非偏振光。利用擾偏器使信號光在整體上失去了偏振效果，系統更穩定了，信噪比有了很大改善。
為了得到效果更佳的信號，我們對采集卡采集到的原始信號進行了小波去噪處理。連續小波變換定義為 ，其中: Ψ(x) 是小波母函數，WTx(a,b) 對應于f（x）在函數族Ψa,b(x) 上的分解；a,b分別為伸縮因子和平移因子；Ψ* a,b(x) 是Ψa,b(x) 的共軛函數。之后將f（x）離散化成離散序列，a,b也進行離散化，成為離散小波變換。含噪信號可以用下式表示：s(k)=f(k)+ε*e（k），其中f(k) 為真實信號，e（k）為噪聲信號，s(k) 為含噪信號。通常，有用信號為低頻信號或者是較平穩信號，噪聲通常表現為高頻信號，小波去噪就是將信號中的高頻信號抑制的過程。 本發明選擇sym5小波，經過離散小波變換函數wavedec進行尺度為5的小波分解之后得到的各尺度下的低頻系數和高頻系數。然后小波分解高頻系數的閾值量化：選擇thselect函數實現信號閾值獲取，閾值的選擇滿足 ，其中σn是噪聲標準方差，N是信號的長度。選擇wden函數實現信號的閾值去噪。最后進行小波重構：選擇waverec函數實現信號的重構。經過小波分析，信號的噪聲明顯降低，信噪比明顯提升了，如圖13所示。
附圖說明
圖1示出了現有技術中自發布里淵散射分布式光纖傳感器的結構示意圖。
圖2示出了現有技術中受激布里淵散射分布式光纖傳感器的結構示意圖。
圖3示出了根據本發明的布里淵散射分布式光纖應變傳感系統的結構示意圖。
圖4示出了根據本發明的布里淵散射分布式光纖溫度應變傳感系統示意圖。
圖5是根據本發明的分布式光纖傳感系統的光電調制器控制的一個子系統的示意圖。
圖6是頻譜分析儀上得到的外差干涉高頻信號。
圖7是假定的傳感光纖上沿光纖傳輸的后向散射光強度變化的曲線圖。
圖8是傳感光纖上沿光纖傳輸的后向散射光強度變化歸一化后的曲線圖。
圖9是傳感光纖上沿光纖傳輸的后向散射光強度變化歸一化增益曲線圖。
圖10是考慮到應變影響的傳感光纖上沿光纖傳輸的后向散射光強度變化曲線圖。
圖11是消除光纖傳輸損耗等的影響而僅僅由于應變引起的后向散射光強度的變化曲線圖。
圖12是加入繞偏器的系統光路示意圖。
圖13 是經過小波去噪前后的信號比較曲線。
具體實施方式
1.分布式光纖應變傳感系統（圖3）
假設瑞利光的電磁場和布里淵（斯托克斯成分）光的電磁場如下：
(1)
其中R表示瑞利光，B表示布里淵光。
那么輸出光電流為
(2)
在公式（2）中，有四個子項，分別對應四個頻率成分。由于高頻光探測器的物理過程，前兩項是直流功率項，取決于探測器的光譜響應特性，后兩項不同于前兩項，其是時間變化項，不取決于探測器的光譜響應特性，而取決于探測器的頻率響應特性。因為ωR+ωB太高，光探測器不能對其進行響應。因此由于頻帶為10KHz-12GHz的高頻光探測器的光譜響應特性和頻率響應特性，我們可以得到以下關系式：
(3)
這樣我們即可從高頻光探測器的輸出中得到與瑞利散射和布里淵散射的外差干涉信號（我們稱之為本源外差干涉）相對應的交流信號，該交流信號的頻率由布里淵頻移決定。圖6即為在頻譜分析儀上得到的高頻光探測器的輸出信號。然后再經過頻率-強度轉換器將頻率的變化轉換成強度的變化，之后經過微波探測器，轉換成低頻信號，進入數據采集卡中進行處理。在該系統中，通路①的作用是作為參考，消除由于光源不穩或線路損耗等因素引起的光強度的起伏變化。根據通路①和通路②兩路的信號，我們便可以得到僅僅由于布里淵頻移變化引起的光強度變化。于是，我們在假定溫度已知的情況下，通過檢測布里淵頻移的變化即可得到傳感光纖所感知的應變。
布里淵強度的歸一化
1) 從通路①上得到的光強度隨時間的變化關系如圖7；
2) 歸一化（圖8）；
3) 歸一化增益（圖9），糾正曲線來補償光纖傳輸損耗或彎曲等損耗；
4) 從通路②上得到的有關信號信息，如圖10所示；
5）根據3）和4），我們可以得到由于應變引起的布里淵強度的變化而不受光纖傳輸損耗等的影響。如圖11所示。
2.分布式光纖溫度應變傳感系統（圖4）
布里淵頻移變化的得到與上述分布式光纖應變傳感系統的描述一致，同時在該系統中，通過增加一路電信號的分析，我們便可以同時得到布里淵頻移的變化和強度的變化，進而可以得到傳感光纖感知的溫度變化和應變。
根據Toshio Kurashima等人于1998年建立的布里淵頻移，強度變化和溫度、應變的關系式以及其利用1550nm的入射光在單模光纖中引發的布里淵散射強度、頻移與溫度、應變之間的關系系數：
可知，應變所引起的布里淵散射光強度的變化十分微弱，比溫度引起的布里淵散射光強度的變化小3個數量級，所以可忽略應變引起的布里淵散射光強度的變化。這樣在實際應用中，可以通過布里淵散射光強度得到溫度的變化值，然后再根據布里淵頻移的變化和溫度的變化得到傳感光纖所感受的應變。
在測試布里淵散射光強度變化的過程中，存在一個問題，即識別該散射光強度變化是由被測物理量變化引起的，還是由激光器不穩或由于焊接或微彎引起的光纖傳輸損耗引起的。值得慶幸的是，瑞利散射光對于溫度的變化不敏感，但其可以反映由于其他原因造成的光纖損耗。所以，鑒于布里淵散射光和瑞利散射光強度的比值，即可以消除掉光纖損耗。該比值，稱之為Landau Placzek 比值（LPR），解決了DTSS 的溫度測量問題。瑞利散射光強度和布里淵兩成份（斯托克斯光和反斯托克斯光）強度總和的比值最初是由Landau和Placzek針對流體于1934年提出的。在1973年Schroeder等人針對單一成分的玻璃給出了LPR，，其中ρ是密度，VA是聲波，βr是在假定溫度（Tf）下熔融等溫壓縮率，T是溫度。假定溫度Tf是在熔融狀態下的熱動態密度波動凍結成玻璃狀的溫度。上式表明LPR與溫度成反比，即若瑞利散射光強度一定，布里淵散射光強度與溫度成正比。對于多成分的玻璃，例如光纖，上述方程必須做出相應的改進，以便解釋成份的局部波動。Schroeder 對于二元系統做出了相應的解釋，其將增加了另外一項來表示由于成份波動引起的散射，，其中是由于密度波動引起的散射，而是由于成份波動引起的散射。然而很重要的一點是LRP與溫度的反比例關系仍然成立。
由于溫度引起的密度變化是非常小的，可以被忽略的。聲速，其中E, k,ρ分別是楊氏模量，泊松比和介質密度，E和 k都與溫度有關系，導致聲速具有小的正溫度系數。然而LPR的反比例溫度系數是決定溫度的主要因素,Bansal和Doremus證實了這種關系。
在自發布里淵散射中，布里淵散射光比瑞利散射光弱20dB，因此中的布里淵成分較微弱，所以可以被忽略，那么直流部分變為，交流部分的峰值為，那么偽Landau Placzek 比值為（之所以稱之為偽Landau Placzek 比值，是因為其與Landau和Placzek定義的LPR不是完全一致的。
若為了加強本源外差干涉信號，從激光光源處抽出2%的光來加強信號，則交流部分中的ER包括兩部分，一部分是從光源抽出來2%的光，設為Eo，另一部分是瑞利散射光，這兩部分相比較，其瑞利散射光是相當微弱，可近似忽略，所以交流部分的峰值為，直流部分仍然是，那么偽Landau Placzek 比值為，Eo為常數，則RRB由瑞利和布里淵散射光的比值決定，這樣就消除了傳輸、焊接或微彎引起的散射光損耗。
通過本系統硬件和軟件的改進，從整體上提升了系統的性能，能夠實時有效的監測環境的溫度和應變。
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