一种基于拉曼‑布里渊分布式温度、应力双参量检测的传感装置的制作方法

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于拉曼-布里渊分布式温度、应力双参量检测的传感装置。

背景技术：

光纤传感器相对于传统传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高压，能适应恶劣环境等优点。正是因为这些特点，光纤传感一直受到各国相关学术界和研究机构的高度重视。从上世纪至今，已经研制出上百余种的光纤传感器。目前已经证明，光纤传感器能够实现对应变、位移、压力、速度、加速度、转矩、角速度、温度、电流、电压、浓度、流量、流速以及磁、声、光、射线等70多种物理量的检测。它的应用渗透到了医学和生物、工农矿业、能源环保、国防军事、智能结构等领域。

分布式光纤传感系统可以定义为：能在整个连续的光纤长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向变化的仪器或者系统。分布式温度、应力传感系统通常是将光纤沿温度场、应力场排布，测量光在光纤中传输时产生的携带温度、应力信息的散射光，同时采用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)技术，就可以对沿光纤传输路径上的温度、应力空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。

当光进入到光纤中时，光子与光纤介质互相作用引起光线改变方向即光的散射，当光子与光纤中的二氧化硅分子互相作用时，会发生两种情况，有能量交换和没有能量交换两种。当光子与光纤介质发生非弹性碰撞并且有能量交换，这个过程就被称为布里渊(Brillouin)散射、拉曼(Raman)散射。

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器是国外最先商用化的产品，同时它具备了目前最有可能实用化的技术。多集中在基于光时域拉曼散射反射仪(ROTDR)的分布式光纤温度传感器，它通过向光纤发送一个短激光脉冲，然后测得背向散射的拉曼光，该光信号就包含了沿光纤的损耗和温度分布信息。

基于布里渊散射的分布式传感器是应用最广泛的，包括布里渊光时域反射仪/分析仪(BOTDR/A)和布里渊相关域反射仪/分析仪(BOCDR/A)，等。

BOTDR/A是基于光脉冲的时域信息来实现定位的，而待测量可通过测量布里渊频移来获知。光纤中的布里渊散射光相对于泵浦光有一个频移，称为布里渊频移，由下式给出：其中，ν_B是布里渊频移，n为光纤纤芯折射率，ν_A为光纤中的声速，λ是泵浦光的波长。当光纤所处环境的温度变化或受到应力作用时，会引起布里渊频移量发生变化，所以通过测量布里渊散射光的频移量就可以获知该点的温度和应力的变化量。此外，针对多芯光纤的情况，当发生弯曲时，偏心的纤芯会被压缩或者拉伸，由于弯曲而产生的切线方向上的应力分量同样会引起布里渊偏移发生变化，表现为偏心纤芯的布里渊频移对弯曲敏感。

BOCDR/A同样是基于布里渊散射实现的分布式测量，不同点在于在BOCDR/A中，泵浦光和探测光都是同频调制的连续光，在光纤中只有当泵浦光和探测光的频率差为布里渊频移时才会产生受激布里渊散射，出现布里渊增益相关峰，通过改变调制频率，可以改变相关峰的位置，由此实现对空间的定位和信息提取，达到分布式测量的目的。

以往，绝大多数布里渊分布式传感系统采用的是普通的单模光纤，近年来，也有人研究了基于光子晶体光纤、保偏光纤、少模光纤等特种光纤的布里渊分布式传感系统。由于布里渊传感系统对温度和应力交叉敏感，传统的技术方案都较难实现温度和应力的同时测量。虽然存在一些解决方案，比如基于少模光纤模分复用的布里渊传感技术的多参量测量和基于单模光纤波分复用技术的拉曼-布里渊传感的多参量测量系统，但是前者具有实时性差、模式耦合的缺点，而后者则存在系统光源功率受限的问题：一方面自发拉曼散射光非常弱，因此需要提高入纤功率，而另一方面由于光纤中受激布里渊散射的阈值较低，一味的提高入纤功率会引起严重的非线性效应，包括受激布里渊散射和调制不稳定性等。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于拉曼-布里渊分布式温度、应力双参量检测的传感装置，旨在解决布里渊系统无法同时且精准获取温度应力双参量的问题。

本发明提供了一种基于拉曼-布里渊分布式温度、应力双参量检测的传感装置，包括：激光器、第一耦合器、偏振控制器、脉冲发生器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、第二耦合器、光衰减器、第一环形器、第三耦合器、多芯光纤、第二环形器、拉曼滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、偏振控制器、调制器、微波发生器、偏振开关、第四耦合器、第三光电探测器、电谱分析仪和数据处理模块；所述第一耦合器的输入端连接所述激光器，所述偏振控制器的输入端连接至所述第一耦合器的第一输出端，所述半导体光放大器的光输入端连接至所述偏振控制器的输出端，所述半导体光放大器的电输入端连接所述脉冲发生器；所述掺铒光纤放大器的输入端连接至所述半导体光放大器的输出端，所述带通滤波器的输入端连接至所述掺铒光纤放大器的输出端，所述第二耦合器的输入端连接至所述带通滤波器的输出端，所述第二环形器的第一端口连接至所述第二耦合器的第一输出端，所述拉曼滤波器的输入端连接至所述第二环形器的第三端口，所述第一光电探测器的输入端和所述第二光电探测器的输入端分别连接至所述拉曼滤波器的两输出端，所述第一光电探测器的输出端和所述第二光电探测器的输处端均连接所述示波器；所述光衰减器的输入端连接至所述第二耦合器的第二输出端，所述第一环形器的第一端口连接至所述光衰减器的输出端，所述第三耦合器的第一输入端连接至所述第二环形器的第二端口，所述第三耦合器的第二输入端连接至所述第一环形器的第二端口；所述第三耦合器的输出端连接所述多芯光纤；所述偏振控制器的输入端连接至所述第一耦合器的第二输出端，所述调制器的光信号输入端连接至所述偏振控制器的输出端，所述调制器的电信号输入端连接微波发生器；所述偏振开关的输入端连接至所述调制器的输出端，所述第四耦合器的第一输入端连接至所述第一环形器的第三端口，所述第四耦合器的第二输入端连接至所述偏振开关的输出端，所述第三光电探测器的输入端连接至所述第四耦合器的输出端，所述电谱分析仪的输入端连接至所述第三光电探测器的输出端，所述电谱分析仪的输出端连接所述数据处理模块。

本发明采用的是拉曼-布里渊相结合的系统，拉曼系统与布里渊系统分别采用多芯光纤的不同纤芯，构成空分复用系统。所采用的技术包括但不仅限于拉曼时域反射仪(ROTDR)-布里渊光时域反射仪/分析仪(BOTDR/A)和拉曼时域反射仪(ROTDR)-布里渊相关域反射仪/分析仪(BOCDR/A)等。

更进一步地，工作时，激光器输出的光经第一耦合器分成第一路光和第二路光；第一路光依次通过偏振控制器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器和带通滤波器后产生探测光；所述探测光经过第二耦合器后分成第三路光和第四路光；第三路光经第二环形器、扇入第三耦合器后进入多芯光纤的外层芯，用于拉曼散射光检测温度；拉曼后向散射光经第三耦合器后经过拉曼滤波器分别将探测到的斯托克斯光与反斯托克斯光送入第一光电探测器和第二光电探测器并由示波器显示；第四路光依次经光衰减器、第一环形器、扇入第三耦合器进入多芯光纤的中间芯，用于布里渊散射光检测应力；第二路光依次经偏振控制器、调制器、偏振开关进入第四耦合器，与中间芯布里渊后向散射光相干作用后进入第三光电探测器后由电谱分析仪显示，最后由数据处理模块进行数据采集与处理。

更进一步地，所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述第四耦合器的分光比均为50:50。

更进一步地，所述第三耦合器为多芯耦合器，多端口输入，单端口输出；输入端连接单模光纤，各输入端彼此独立，无耦合；输出端口连接多芯光纤。

更进一步地，所述带通滤波器的工作波长与光源对应，所述带通滤波器的带宽小于1nm。

更进一步地，所述多芯光纤为在同一包层中含有两个或多个纤芯的光纤。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用单模多芯光纤构成空分复用系统，不存在模分复用系统的模式耦合以及波分复用系统的功率不匹配的问题，可达到精确并同时获取温度应力双参量的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的所用多芯光纤的结构示意图，其中(a)为横截面视图，(b)为侧面视图；

图2是本发明实施例提供的基于多芯光纤的ROTDR-BOTDR系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用多芯光纤的外层芯检测拉曼散射信号，其(反斯托克斯光)只对温度敏感，同时利用中间芯检测布里渊散射信号，其频移对温度与应力皆敏感。利用这一特性本发明实现了基于多芯光纤的拉曼-布里渊分布式温度、应力双参量同时传感。这一发明解决了传统单模光纤下波分复用系统针对布里渊与拉曼所需入纤光功率不同这一问题，利用多芯光纤形成空分复用系统，可实时高效的对温度应力双参量同时并可区分检测，可预见其在相关领域将被广泛使用。

本发明涉及一种基于多芯光纤的拉曼-布里渊分布式温度、应力传感器。光纤中的布里渊频移对温度、应力敏感，并相应呈线性关系。而在多芯光纤中，偏心纤芯的布里渊频移还对弯曲敏感，但中间芯由于处在光纤的几何中性轴上，其对弯曲不敏感；另一方面，光纤中的自发拉曼散射只对温度敏感，对应力和弯曲皆不敏感。因此，在多芯光纤的不同纤芯中可分别搭建拉曼和布里渊分布式传感系统，具体为中间芯实施布里渊分布式传感，获取分布式的温度、应力信息；偏心纤芯实施拉曼分布式传感，获取分布式的温度信息。由于多芯光纤均匀、紧凑的纤芯空间分布结构，中间芯和偏心芯所受温度是一样的，因此利用这种空分复用的拉曼-布里渊分布式传感系统可以实现温度、应力双参量同时并可区分测量；而且系统对弯曲不敏感，有效地解决了多芯光纤中单纯采用布里渊分布式传感系统所存在的对温度、应力、弯曲均敏感而无法区分的难题。本发明属于光纤传感技术领域。

布里渊频移是对温度和应力交叉敏感的，因为温度和应力变化都会导致光纤折射率及声子速率的变化，由布里渊频移的公式(1)可知，这时对应地布里渊频移也将发生变化，这是布里渊测温及测应变的原理，此外在多芯光纤中，偏心纤芯还对弯曲敏感。为同时解调出温度、应力两个参量，引入只对温度敏感的拉曼散射。并且为了避免受到弯曲的影响，我们提出在中间芯中实施分布式布里渊测量，在偏心纤芯中实施分布式拉曼测量。

相关学者利用波分复用系统，从单模光纤中分波段提取出拉曼与布里渊信号。但拉曼散射强度非常弱，所以系统需要很高的入纤光功率；而另一方面由于光纤中受激布里渊散射的阈值较低，一味的提高入纤功率会引起严重的非线性效应，包括受激布里渊散射和调制不稳定性等。

本发明提出和实验验证了在多芯光纤中实施拉曼-布里渊分布式传感技术，在使用一个光源的基础上，利用其外层芯的拉曼散射强度进行温度检测，中间芯的布里渊频移进行温度、应力检测，实现基于含有多芯光纤的拉曼-布里渊分布式传感器。该系统可高效实时对温度、应力双参量的同时并可区分测量，有效解决布里渊与拉曼所需入射光功率不同的问题。

本发明提出基于含有多芯光纤的拉曼-布里渊分布式传感器，所采用的技术包括但不仅限于拉曼时域反射仪(ROTDR)-布里渊光时域反射仪/分析仪(BOTDR/A)和拉曼时域反射仪(ROTDR)-布里渊相关域反射仪/分析仪(BOCDR/A)等。

图1所示为实施例所用的是一种中心对称分布的七芯光纤。需要指出的是本发明所要求的权利保护范围还包括任何采用其他纤芯结构、数量的含有偏心纤芯的多芯光纤构造的拉曼-布里渊分布式温度、应力传感技术。

图2给出了实施例所采用的一种基于多芯光纤的ROTDR-BOTDR系统结构图。实施例中只用到了多芯光纤中的2个芯(通道)：1个中间芯和1个外层芯。中间芯基于布里渊频移检测应力和温度，外层芯基于拉曼散射强度检测温度。由于布里渊频移是对温度与应力交叉敏感的，而拉曼散射强度只对温度敏感。通过外层芯拉曼测温响应，解调出温度值，同时作为布里渊频移测量结果中的温度补偿，即可解调出应力。

需要说明的是，改变多芯光纤中纤芯的使用数量、顺序、方向，或者采用其他的拉曼-布里渊传感技术，如ROTDR-BOTDR，ROTDR-BOCDR、ROTDR-BOCDA等也在本发明要求的权利保护范围内，在此没有将所有的系统结构图画出来。

图2示出了本发明实施例提供的一种基于拉曼-布里渊分布式温度、应力双参量检测的传感装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

传感装置包括：窄线宽的激光器1、第一耦合器2、偏振控制器3、脉冲发生器4、半导体光放大器5、掺铒光纤放大器6、带通滤波器7、第二耦合器8、光衰减器9、第一环形器10、第三耦合器11、多芯光纤12、第二环形器13、拉曼滤波器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、示波器17、偏振控制器18、调制器19、微波发生器20、偏振开关21、第四耦合器22、第三光电探测器23、电谱分析仪24和数据处理模块25；激光器1的输出口连接耦合器2，耦合器2的输出口分成两路，一路连接半导体光放大器5光输入端，其中脉冲发送器4的输出端与半导体光放大器5的电输入端相连。半导体放大器的光输出端与掺铒放大器6的光输入端相连，掺铒放大器6的光输出端与带通滤波器7的光输入端连接，带通滤波器7的透射光输出端连接耦合器8的输入端，耦合器8的输出端分成两路，一路与光衰减器9相连，9的输出端与第一环形器10的1端口相连，第一环形器10的2端口与第三耦合器11的输入端口相连，环形器的3端口与第四耦合器22的两路输入端的一路连接；多芯光纤12与第三耦合器11采用熔接方式连接在一起；第二耦合器8的另一输出端与拉曼滤波器14的输入端连接，拉曼滤波器14的两路输出端分别连接第一光电探测器15与第二光电探测器16，两个探测器的输出端分别接入到示波器17中。

第一耦合器2的另一输出端连接偏振控制器18，18的输出端连接调制器19的光输入端，微波发生器20输出端连接调制器19的电输入端，调制器19的光输出端与偏振开光21的输入端连接。偏振开关21的输出端与第四耦合器22的两路输入端的一路进行连接，耦合器22的两路输出端只选择一路与光电探测器23连接，光电探测器23的电输出口与电谱仪24连接，最后与数据采集系统25相连即可。

窄线宽的激光器即普通的DFB激光器即可；耦合器的分光比皆为50:50；带通滤波器工作波长与光源对应，带宽1nm以下。

在同一包层中含有两个或多个纤芯的光纤都可列为多芯光纤。

窄线宽的激光器1输出的光经第一耦合器2分成两路：上面一路依次通过偏振控制器3、半导体光放大器5并由脉冲发生器4控制、掺铒光纤放大器6、带通滤波器7等，用于产生探测光；经第二耦合器8再次将光束分成两路，上面一路经第二环形器13、扇入第三耦合器11进入多芯光纤12的外层芯，用于拉曼散射光检测温度。拉曼后向散射光经第三耦合器11后经过拉曼滤波器14分别将探测到的斯托克斯光与反斯托克斯光送入第一光电探测器15、16并由示波器17显示。经第二耦合器8后的下面一路光依次经光衰减器9、第一环形器10、扇入第三耦合器11进入多芯光纤12的中间芯，用于布里渊散射光检测应力。光源1经第一耦合器2后下面一路光依次经偏振控制器18、调制器19(由微波发生器20控制)、偏振开关21进入第四耦合器22，与中间芯布里渊后向散射光相干作用后进入第三光电探测器23后由电谱分析仪24显示，最后由数据处理模块25进行数据采集与处理。

外层芯的拉曼散射测温原理：反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比I(T)，由下式所示：其中，φ_a，φ_s是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度经过光电转换后的电平值；ν_a，ν_s分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率；h是波朗克(Planck)常数，△ν_r是光纤分子的声子频率(△ν_r＝13.2THz)，K是波尔兹曼常数，T是开尔文(Kelvin)绝对温度。由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。

中间芯的布里渊频移检测应力原理由下式给出：

△ν_B＝C_νε·△ε+C_νT·△T……(3)；其中△ν_B为布里渊频移的变化量，C_νε，C_νT为布里渊频移的应变系数和温度系数。通过测量光纤背向布里渊散射线的频移以及拉曼散射所检测到的温度值得到光纤上各段的应力变化量。

需要特别指出的是，该系统可能有很多变种，无法在本申请书中逐一列举，但凡是使用含有偏心纤芯的多芯光纤实现的拉曼-布里渊分布式温度、应力传感方案都在本发明要求的保护范围内，意味着所使用的光纤的尺寸、形状、纤芯数量、偏心纤芯的位置、空间复用的光路系统、顺序、方向、所用的拉曼-布里渊分布式传感技术(包括但不仅限ROTDR-BOTDR/A、ROTDR-BOCDR/A等)等与本实施例有不同时，亦在本发明所要求保护的范围内。更进一步地，“所用的拉曼-布里渊分布式传感技术”包括各种基于光纤中拉曼-布里渊散射实现的传感技术，不以具体系统的实现方式的不同而跳出本发明所要求保护的范围。例如不能说通过对系统做一些变化，如多使用或少使用某些仪器，或者采用另一种与实施例不同的拉曼-布里渊传感技术来达到跳出本发明所要求保护的范围的目的。

布里渊频移是对温度、应力交叉敏感的，通常探测器所检测的是温度和应力叠加的频移量。为同时获取温度、应力，引入拉曼散射进行温度检测，而布里渊频移只需解调出应力值即可。

传统的拉曼-布里渊分布式传感系统，是建立在单模光纤的基础上，通过波分复用系统，分别滤出拉曼散射光和布里渊散射光。但此类系统存在光源功率受限的问题：一方面自发拉曼散射光非常弱，因此需要提高入纤功率，而另一方面由于光纤中受激布里渊散射的阈值较低，一味的提高入纤功率会引起严重的非线性效应，包括受激布里渊散射和调制不稳定性等。

本发明提出并实验验证了在基于含有多芯光纤的拉曼-布里渊分布式传感系统(包括但不仅限ROTDR-BOTDR/A、ROTDR-BOCDR/A等)中，结合空分复用系统，利用多芯光纤外层芯的拉曼散射对温度检测，中间芯的布里渊频移对应力检测，实现分布式温度、应力双参量同时可区分性检测。

本发明所提出的技术方案将在实际的工业应用中找到巨大的应用前景。首先需要特别说明，本发明的技术方案存在很多变种，无法一一列出，但凡是采用含有偏心纤芯的多芯光纤，基于各种拉曼-布里渊分布式传感技术(包括但不仅限于ROTDR-BOTDR/A、ROTDR-BOCDR/A)实现的分布式温度、应力测量都在本发明所要求的保护范围内。

本发明的具体实施方式如下：

(1)根据需要，合理地选择适当的传感技术，包括但不仅限ROTDR-BOTDR/A、ROTDR-BOCDR/A等，根据所采用的技术搭建对应的系统。实施例采用的是ROTDR-BOTDR。实施例采用的是含有6个偏心纤芯的七芯光纤。

(2)搭建如图2所示的实施例系统。窄线宽的激光器1输出的光经第一耦合器2分成两路：上面一路依次通过偏振控制器3、半导体光放大器5并由脉冲发生器4控制、掺铒光纤放大器6、带通滤波器7等，用于产生探测光；经第二耦合器8再次将光束分成两路，上面一路经第二环形器13、扇入第三耦合器11进入多芯光12的外层芯，用于拉曼散射光检测温度。拉曼后向散射光经第三耦合器11后经过拉曼滤波器14分别将探测到的斯托克斯光与反斯托克斯光送入第一光电探测器15、16并由示波器17显示。经第二耦合器8后的下面一路光依次经光衰减器9、第一环形器10、扇入第三耦合器11进入多芯光12的中间芯，用于布里渊散射光检测应力。其中光衰减器9可将光功率调节在自发辐射布里渊阈值内。光源1经第一耦合器2后下面一路光依次经偏振控制器18、调制器19、偏振开关21进入第四耦合器22，与中间芯布里渊后向散射光相干作用后进入第三光电探测器23后由电谱分析仪24显示，最后由数据处理模块25进行数据采集与处理。

(3)标定公式(3)中布里渊频移的应变系数C_νε和温度系数C_νT。由于不同光纤的C_νε，C_νT可能不同，所以实验探究前需进行标定。在应力不变的前提下，改变温度，检测相应的布里渊频移量进行线性拟合即可获得公式(3)中的温度系数C_νT；同理，在温度不变的前提下，改变应力，检测相应的布里渊频移量进行线性拟合即可获得公式(3)中的应力系数C_νε。

(4)解调温度变化量。在温度T₀，T时根据第一光电探测器15和第二光电探测器16检测到电压值求出对应的I(T₀)，I(T)。将I(T₀)、I(T)代入公式(2)并做比值处理即如下式所示：进而可求得温度变化量△T。

(5)解调应力变化量。根据公式(3)以及电谱分析仪24所得频移变化量，温度变化量此时已求出，所以可获得系统应力变化量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。