专利名称：基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光纤检测环境温度分布情况的方法，属测量技术领域。
背景技术：
光纤布里渊温度分布型测量技术是一种新型测量技术，具有只需一次测量即可获取沿整个光纤被测场分布信息，测量精度高、定位准确、传感距离可达上百公里等独特优点，在电力、石油、地质、水利、建筑等行业大型工程结构健康状况在线监测和故障点定位等领域具有广阔的应用前景。基于光纤布里渊散射的分布型传感技术在温度测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，因此这种技术引起了广泛的关注。目前，基于光纤布里渊散射的分布型传感技术的研究方向主要有①基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布型光纤传感技术；②基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布型光纤传感技术基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布型光纤传感技术。在上述三种传感系统中，BOTDR传感系统结构简单，只需一个光源，可单端测量，操作方便，支持断点检测，所以针对此项技术的研究最为广泛。综合分析国内外光纤布里渊温度分布型传感系统，光源均采用窄线宽激光器，并通过外调制获得所需光脉冲，系统过于复杂，且非常昂贵，大大提高了温度检测成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种低成本的基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法。本发明所称问题是以下述技术方案实现的
一种基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，它利用半导体激光器、环行器、光电检测器和传感光缆组成光纤传感系统，在测量温度时，将传感光缆置于被测环境中，将半导体激光器发出的脉冲光经环行器注入传感光缆，并利用光电检测器从环行器接收来自传感光缆的背向瑞利散射和布里渊散射信号，使二者在光电检测器中进行外差混频，然后由光电检测器的输出信号确定传感光缆上每一点的布里渊频移
12 ,最后利用布里渊频移与温度的关系模型4 = +CirAT计算出光纤上每一点的温度， 从而实现温度测量，其中，Pm为参考温度下的布里渊散射光的频移；ΔΓ为温度的变化量； (一为布里渊频移温度系数。上述基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，所述半导体激光器的输出光谱由多个谱线组成。上述基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，由光电检测器的输出信号
确定传感光缆上每一点的布里渊频移4的具体步骤如下
a.在光电检测器的输出端设置频率变换器，所述频率变换器包括低噪声放大器、混频器、频率综合器和电滤波器，光电检测器输出的电信号经低噪声放大器放大后与频率综合器输出的微波信号在混频器中进行外差混频，混频器输出的差频信号经电滤波器处理后输送到信号提取单元；
b.调节频率综合器的中心频率，利用信号提取单元完成信号的采集，得到一条布里渊散射信号强度和时间的二维曲线；
c.改变频率综合器的中心频率，再与布里渊散射信号的频移^进行外差混频，即得到另外一条布里渊散射信号强度和时间的二维曲线，重复调节频率综合器步长，从而得到一系列对应不同频率的布里渊散射信号强度和时间的二维曲线，最终得到对应整个信号谱的关于信号强度、频率、时间的三维曲线，该三维曲线的时间轴上的每个点对应光纤上的一个占.
d.沿光纤分布的每个点拟合出洛伦兹曲线，洛伦兹曲线上信号强度最大值所对应的频率值即为该点的布里渊频移。上述基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，半导体激光器发出的脉冲光在进入环行器之前使用可调增益光放大器进行放大，并由滤波器滤除由光放大器引入的
噪声信号。本发明采用的半导体激光器为普通半导体激光器(Laser diode, LD光源),将半导体激光器直接调制、用同一光纤瑞利和布里渊散射外差混频检测的方法进行温度测量， 同传统方法使用的IMHz左右的窄线宽激光器相比，它降低了对光源线宽的要求，采用普通半导体激光器即可，它省去了外调制单元，简化了系统结构，降低了系统成本，提高了系统性能。
下面结合附图对本发明作进一步详述。图I是普通LD光源的光谱结构示意图2是本发明光纤传感系统的结构示意图3是频率变换器的结构意图4本发明传感系统测量得到的信号强度、频率、时间的三维曲线示意图5是对光纤某点处多次测量数据进行洛伦兹拟合、得到的洛伦兹曲线。文中所用符号4、布里渊频移；B0TDR、布里渊光时域反射；B0TDA、布里渊光时域
分析；I 参考温度下的布里渊散射光的频移-ΛΤ、温度的变化量；Cir、布里渊频移温度
系数；LD、半导体激光器;八功率'E ( )入射进光纤的电场；￡s(t)、多个谱线的瑞利散射
光的电场多个谱线的布里渊散射光的电场；斯托克斯光频率；&、反斯托克斯光频率;、介质折射率，C、真空中的光速、光纤中的声速必、介质的杨氏模量#、 介质泊松比'P、介质密度。
具体实施例方式本发明是基于下述原理提出的
对于普通LD来说，其输出光谱是由很多谱线构成的，且光源频谱越宽受激布里渊散射阈值越高，传感系统允许的入纤功率越大，布里渊信号越强。这种普通光源可降低瑞利相干噪声，因此可以获得较好的系统信噪比。LD输出光谱如图I所示，其输出功率计算公式由
(I)式给出，其中i为输出光谱谱线的序号数。
M
权利要求
1.一种基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，其特征是，它利用半导体激光器、环行器、光电检测器和传感光缆组成光纤传感系统，在测量温度时，将传感光缆置于被测环境中，将半导体激光器发出的脉冲光经环行器注入传感光缆，并利用光电检测器从环行器接收来自传感光缆的背向瑞利散射和布里渊散射信号，使二者在光电检测器中进行外差混频，然后由光电检测器的输出信号确定传感光缆上每一点的布里渊频移，最后利用布里渊频移与温度的关系模型4 = +&AT计算出光纤上每一点的温度， 从而实现温度测量，其中，I力参考温度下的布里渊散射光的频移；ΔΓ为温度的变化量； 为布里渊频移温度系数。
2.根据权利要求I所述基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，其特征是， 所述半导体激光器的输出光谱由多个谱线组成。
3.根据权利要求2所述基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，其特征是，由光电检测器的输出信号确定传感光缆上每一点的布里渊频移I P其具体步骤如下a.在光电检测器的输出端设置频率变换器，所述频率变换器包括低噪声放大器、混频器、频率综合器和电滤波器，光电检测器输出的电信号经低噪声放大器放大后与频率综合器输出的微波信号在混频器中进行外差混频，混频器输出的差频信号经电滤波器处理后输送到信号提取单元；b.调节频率综合器的中心频率，利用信号提取单元完成信号的采集，得到一条布里渊散射信号强度和时间的二维曲线；c.改变频率综合器的中心频率，再与布里渊散射信号的频移^进行外差混频，即得到另外一条布里渊散射信号强度和时间的二维曲线，重复调节频率综合器步长，从而得到一系列对应不同频率的布里渊散射信号强度和时间的二维曲线，最终得到对应整个信号谱的关于信号强度、频率、时间的三维曲线，该三维曲线的时间轴上的每个点对应光纤上的一个占.d.沿光纤分布的每个点拟合出洛伦兹曲线，洛伦兹曲线上信号强度最大值所对应的频率值即为该点的布里渊频移。
4.根据权利要求1、2、3或4所述基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，其特征是，半导体激光器发出的脉冲光在进入环行器之前还应使用可调增益光放大器进行放大，并由滤波器滤除由光放大器引入的噪声信号。
全文摘要
一种基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法，它利用半导体激光器、环行器、光电检测器和传感光缆组成光纤传感系统，测量时，将半导体激光器发出的脉冲光经环行器注入传感光缆，并利用光电检测器从环行器接收来自传感光缆的背向瑞利散射和布里渊散射信号，使二者在光电检测器中进行外差混频，然后由光电检测器的输出信号确定传感光缆上每一点的布里渊频移，最后利用布里渊频移与温度的关系模型计算出光纤上每一点的温度，从而实现温度测量。本发明同传统方法相比，降低了对光源线宽的要求，省去了外调制单元，简化了系统结构，降低了系统成本，提高了系统性能。
文档编号G01K11/32GK102589748SQ201210059949
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者李永倩, 杨志, 赵丽娟 申请人:华北电力大学(保定)