用于空间分辨地测量温度和/或延展的设备和方法与流程

本发明涉及用于借助于布里渊散射空间分辨地()测量温度和/或延展(Dehnung)的一种设备和一种方法。

背景技术：

光导纤维中的布里渊散射可以用于沿着光导纤维分散地或空间分辨地测量温度和延展，因为布里渊散射的频率和振幅是温度和延展的测量参数的函数(参见：Galindez-Jamioy&López-Higuera,2012,Brillouin Distributed Fiber Sensors:An Overview and Applications.2012,17)。

经常仅测量布里渊频率，该布里渊频率可以非常灵敏地(例如在石英玻璃中大约1MHz/℃或者0.05MHz/με)与测量参数相关并且可以非常精确地确定。然而，此时存在将两个测量参数的影响分开的问题。

两个测量参数的分开在一些情况下可以通过在不同地安装的光导纤维、例如具有不受束缚的纤维的缆束或者具有固定纤维的固定缆线中的比较测量进行(为此参见：Inaudi&Glisic,2006,Reliability and field testing of distributed strain and temperature sensors,6167,61671D-61671D-8)。备选地，布里渊频率的测量也可以在具有多个布里渊峰值的纤维中(为此参见Liu&Bao,2012,Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement.J.Lightwave Technol.,30(8),1053-1059)或者在具有少数不同的空间样式的低模纤维(Oligomodefaser)中(为此参见Weng,Ip,Pan,&Wang,2015,Single-end simultaneous temperature and strain sensing techniques based on Brillouin optical time domain reflectometry in few-mode fibers,Opt.Express,23(7),9024-9039)利用频率与温度和延展的不同的相关性用于分开测量参数。

但是，全部所述方法不能普遍使用，因为不是总能使用合适的光导纤维。此外，多个光导纤维或特定纤维的敷设和测量与增大的耗费相关联。

用于分开两个测量参数的另一种方法是测量一个或多个布里渊峰值的频率和振幅(为此参见：Parker,Farhadiroushan,Handerek,&Rogers,1997,Temperature and strain dependence of the power level and frequency of spontaneous Brillouin scattering in optical fibers,Opt.Lett.,22(11),787-789sowie Maughan,Kee,&Newson,2001,Simultaneous distributed fibre temperature and strain sensor using microwave coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter,Measurement Science and Technology,12(7),834)。由此，获得两个独立的测量参数，原则上可以由这两个测量参数确定两个需要的物理参数。然而，振幅与温度和延展的相关性是微小的并且例如处于大约0.3％/℃。因此，必须非常精确地测量振幅，以便实现大约0.1℃的实际上重要的温度分辨率与温度精度。

用于改善精度的已知方法是对来自相同纤维的布里渊振幅与瑞利散射的振幅的比较(为此参见：Wait&Newson,1996,Landau Placzek ratio applied to distributed fibre sensing,Optics Communications,122,141-146)。通过计算布里渊振幅与瑞利振幅的比例(称为朗道比(Landau-Placzek-))，可以计算出纤维阻尼的影响。

通常不进行利用光学滤波器和光电二极管对布里渊信号的简单测量，因为为此必需的非常窄带的光学滤波器很难制造并且在热学上不是特别稳定的。此外，布里渊散射的备选测量可以利用光学的超外差式接收机测量较低的信号强度(为此参见：Maughan,Kee,&Newson,2001)。在此，布里渊散射信号与具有与激励布里渊散射的激光器相同的频率或者具有延迟几千兆赫的频率(局部振荡器LO)的激光叠加。然后，光接收器在相应于在布里渊频率和激光器频率或者说LO频率之间的差值的频率时探测叠加信号。如果利用所激励的激光器混合，则用于石英玻璃的差频处于大约10GHz。通常该千兆赫信号利用电子的局部振荡器混合，以便获得低于1GHz的能更好地测量的差频(Shimizu,Horiguchi,Koyamada,&Kurashima,1994,Coherent self-heterodyne Brillouin OTDR for measurement of Brillouin frequency shift distribution in optical fibers,Lightwave Technology,Journal of,12(5),730-736)。

然而，除了纤维阻尼之外还存在所测量的信号的偏振相关性的问题。该问题妨碍两个参数、频率和振幅的测量的精度。在布里渊信号利用光学的局部振荡器叠加时，仅将与局部振荡器的偏振一致的信号份额混合到差频。由此，具有用于测量的其他偏振的信号丢失。此外，布里渊信号的偏振在传播时通过光导纤维由于在光导纤维中的应力感应的双折射而变化。这意味着，布里渊信号的所测量的偏振分量的振幅根据距离强烈地变化。因此，通过该偏振相关性使精确的振幅确定明显变得困难并且也妨碍频率确定的精度。迄今为止已经尝试由通过利用激励的激光器或局部振荡器的不同偏振的测量取平均值来补偿所述效果(为此参见：Fan,Huang,&Li,2009,Brillouin-based distributed temperature and strain sensor using the Landau-Placzek Ratio,7381,738105-738105-9sowie Song,Zhao,&Zhang,2005,Optical coherent detection Brillouin distributed optical fiber sensor based on orthogonal polarization diversity reception,Chin.Opt.Lett.,3(5),271-274)。然而，非常大量的取平均值对于一些精确的测量来说是必需的并且信号损耗的问题不能由此解决。

技术实现要素：

基于本发明的问题是，提供一种文首提及类型的设备并且给出一种文首提及类型的方法，利用所述设备和所述方法可以更简单地和/或更精确地确定温度和延展。

按照本发明，这通过具有权利要求1所述特征的设备以及通过具有权利要求11所述特征的方法得以实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施方案。

按照权利要求1规定：所述设备包括：

-至少一个激光光源，所述激光光源可以产生激光束；

-用于测量的光导纤维，所述激光束可以耦入到该光导纤维中并且可以由基于布里渊散射所产生的布里渊信号耦出；

-传感器件，所述传感器件可以检测所耦出的布里渊信号；

-分析处理器件，所述分析处理器件可以由所检测的布里渊信号空间分辨地确定至少所述光导纤维的区段的温度和/或延展；

-至少一个光学偏振分束器，所述偏振分束器可以将所耦出的布里渊信号分成具有彼此不同的偏振的两个分量；

-至少一个光学耦合器，所述耦合器可以将激光束混入到布里渊信号。

在此，可以规定：所述传感器件可以彼此分开地检测两个分量。特别是在按照本发明的设备中，布里渊信号分成两个偏振分量，这两个偏振分量然后分别与匹配一个信号的偏振叠加并且在两个光学探测器上进行探测。由此，总是测量整个信号并且不需要通过利用不同偏振的测量取平均值。通过将激光束混入到布里渊信号来改善所述设备的检定强度，因为待分析处理的信号可以通过混入而明显地放大。

存在所述设备包括两个光学耦合器的可能性，这两个光学耦合器可以将激光束混入到布里渊信号的由所述至少一个光学偏振分束器分开的所述两个分量中的每个分量。

可以规定：所述设备具有分束器，所述分束器可以由用于激励布里渊散射的激光光源的激光束在耦入到用于测量的光导纤维中之前分出一部分，其中，激光束的该部分可以混入到布里渊信号。

备选于此，可以规定：所述设备包括第二激光光源，该第二激光光源可以产生激光束，该激光束可以混入到布里渊信号。

在此，所述第二激光光源特别是可以具有与所述第一激光光源不同的频率、特别是相差大约10GHz的频率。可以规定：所述设备具有分束器，该分束器可以由用于激励布里渊散射的激光光源的激光束在耦入到用于测量的光导纤维中之前分出一部分，其中，该部分可以用于协调第二激光光源。特别是所述设备可以包括O-PLL，该O-PLL使在第一激光光源和第二激光光源之间的差频稳定。通过差频的上面提及的选择可以将具有低于1GHz的极限频率的接收器用作光学探测器，所述接收器具有较低的检定极限。

备选地，可以规定：作为第二激光光源使用布里渊激光器，如这在US7283216B1中描述的那样。在此，所述设备也可以具有分束器，该分束器可以由用于激励布里渊散射的激光光源的激光束在耦入到用于测量的光导纤维中之前分出一部分，其中，该部分用于布里渊激光器的光抽运，该布里渊激光器的布里渊频率与待测量的布里渊信号的布里渊频率有区别。由于该频率区别，布里渊激光器可以用作光学局部振荡器(OLO)。

存在所述设备包括用于测量瑞利散射的部件的可能性。由此，改善测量设备的精度。

特别是用于测量瑞利散射的部件可以包括一个另外的激光光源，该另外的激光光源与所述第一激光光源不同，其中，优选所述另外的激光光源也与可选地存在的、用于产生混入到布里渊信号的激光束的第二激光光源不同。另外的激光光源可以有针对性地用于激励瑞利散射。

可以规定：所述设备具有用作参考的光导纤维或者用于测量的光导纤维的用作参考的区段，该区段例如构造为参考线圈，并且至少通过预给定的长度产生恒定的布里渊信号，从而该布里渊信号可以利用所述传感器件检测并且可以用于校准灵敏度。即使两个接收通道中的光学元件出于何种原因也总是具有不同的敏感度，以这种方式也可以获得可靠的测量结果。

按照权利要求11的方法包括以下方法步骤：

-产生激光束；

-为了测量温度和延展将所述激光束耦入到光导纤维中；

-由激光束在光导纤维中所产生的布里渊信号从所述光导纤维耦出；

-所耦出的布里渊信号分成具有彼此不同的偏振的两个分量；

-检测所耦出的布里渊信号的所述两个分量；

-分析处理器件由所检测的布里渊信号的分量空间分辨地确定至少所述光导纤维的区段的温度和/或延展。

在此，存在所耦出的布里渊信号的所述两个分量彼此分开地检测的可能性。

特别是由两个检测的布里渊信号的分量可以生成两个输出信号，这两个输出信号特别是在数字化之前或之后以合适的方式组合，以便获得用于确定温度和/或延展的与偏振无关的输出信号。

附图说明

本发明的其他特征和优点借助对优选实施例的如下说明参照附图是明确的。附图中：

图1示出按照本发明的设备的第一实施方式的示意图；

图2示出按照本发明的设备的第二实施方式的示意图；

图3示出按照本发明的设备的第三实施方式的示意图。

具体实施方式

在附图中相同的或功能相同的部件设有相同的附图标记。虚连接线代表光信号，这些光信号优选在光导体中引导。实连接线代表电信号线路。

在图1中示出的设备中，利用与用于激励布里渊散射的激光束的光叠加。

在图1中示出的按照本发明的设备包括激光光源1，该激光光源发射例如具有1MHz的线宽的窄带激光束。此外，激光光源1的激光束具有例如几十兆瓦的恒定功率。优选地，作为激光光源1使用频率稳定的二极管激光器、例如DFB激光器或其他窄带激光器，所述激光光源的发射波长设置在接近红外线范围内、例如在1550nm处。

此外，在图1中示出的设备包括构造为纤维光学分配器的分束器2，该分束器可以将激光光源1的激光束分成两个部分3、4。第一部分3耦入到用于测量的光导纤维5中，在该光导纤维中应通过激励布里渊散射空间分辨地确定温度和/或延展。第二部分4用于与从光导纤维5耦出的由布里渊散射所产生的布里渊信号叠加，如下面更详细地描述的那样。

此外，所述设备包括光学调制器6，该光学调制器可以根据用于局部地配设散射信号的方法来调制激光束的第一部分3。例如由第一部分3在使用OTDR法(光学时域反射法)、脉冲或脉冲序列时和在使用OFDR法(光学频域反射法)时形成经振幅调制的信号。在激光束的用于测量的第一部分3通过同样由所述设备包括的光学循环器、特别是纤维光学循环器7引导到用于测量的光导纤维5中之前，未示出的光学放大器可以放大该第一部分3。

在用于测量的光导纤维5中产生布里渊散射信号，这些布里渊散射信号以相应于间距的大约10μs/km的时间延迟返回到光学循环器7并且从该光学循环器引导到所述设备的接收路径8中。未示出的、可选择的光学滤波器(例如激光布拉格光栅(FBG))可以用于抑制瑞利散射光，以便避免干扰对较弱的布里渊信号的测量。此外，在接收路径8中通过可选择的光学放大器9进行光学放大。

不仅布里渊信号、而且激光束的第二部分4通过光学偏振分束器、特别是激光光学偏振分束器10、11分成线性偏振的分量12、13、14、15。在此，优选激光束的第二部分4如此、特别是考虑到该激光束的偏振方向低于45°的角度地耦入到偏振分束器11中，使得产生两个尽可能同样强的且相互正交地偏振的分量14、15。

取代设置用于分配激光束的第二部分4的偏振分束器11也可以设置有获得偏振的分配器(未示出)，该偏振器以50：50的比例分配激光束。

来自用于测量的光导纤维5的布里渊信号根据所经过的纤维路段并且因此也根据距离具有完全不同的偏振状态。因此，两个分量12、13的比例不是恒定的，而是与距离非常相关的。

在偏振分束器10、11的后面设置有两个光学耦合器、特别是激光光学耦合器16、17，它们分别将布里渊信号的分量12、13与激光束的第二部分4的分量14、15耦合。在此，激光束的第二部分4的不同偏振的两个分量14、15和布里渊信号的不同偏振的两个分量12、13在激光光学耦合器16、17中偏振准确地聚集在一起。

在非平衡探测的情况下，在这里优选使用非对称的耦合器，其中，较大部分的布里渊信号和较小部分的激4光束的第二部分4组合并且引导到下面更详细描述的光学探测器18、19。由此，避免布里渊信号的不必要的衰减。这种非对称的耦合器例如可以具有95：5的耦合比、特别是在90：10至99：1之间的耦合比。通过非对称的耦合比可以避免不必要的信号损耗，其中，混入到布里渊信号的激光功率的较高损耗是不关键的，因为该信号强得多。

对于利用平衡化的接收二极管的探测模式优选使用对称的耦合比。

在光学探测器18、19中发生偏振准确地聚集在一起的布里渊信号和激光束份额的叠加。在此，特别是分别产生具有在布里渊信号和激光束份额之间的在10GHz左右的范围内的差频的颤动信号20、21。颤动信号20、21在其频率方面与用于测量的光导体5的材料、温度和延展有关。

颤动信号20、21的功率与来自布里渊信号和激光束份额的功率的积的根成比例。因此，通过使用高的激光功率产生比在直接测量布里渊散射光时强得多的测量信号，由此显著地改善所述设备的检定强度。

所述颤动信号20、21中的每个颤动信号利用电子的局部振荡器22分别在一个电子混合器23、24中向下混合到能良好地测量的低于1GHz的频率。用于两个偏振的混合器23、24的输出信号25、26进一步放大和数字化。

在此，特别是第一输出信号25相应于颤动信号20、21或布里渊信号的水平偏振并且第二输出信号26相应于颤动信号或布里渊信号的竖直偏振。在数字化之前或之后，两个输出信号25、26以合适的方式组合，以便获得用于确定与位置有关的布里渊参量的和用于最终确定温度或延展的与偏振无关的输出信号。

对于所期望的偏振分量的明确限定的且稳定的叠加有利的是，从激光光源1经由偏振分束器10、11直至激光光学耦合器16、17的光导体以及可选地也直至光学探测器18、19的光导体构造为获得偏振的纤维。备选于此，以有利的方式也可以使用单模纤维。

与按照图1的设备不同，按照图2的设备除了第一激光光源之外具有窄带的第二激光光源27，该第二激光光源的激光束用于与布里渊信号叠加。在此，第二激光光源27的频率刚好调节成，使得该频率相对于第一激光光源1的频率如此移动，使得在布里渊散射光和第二激光光源27之间的差频低于1GHz。在此，例如在使用石英玻璃光导体时，需要两个激光光源1、27相对于彼此大约超过10GHz的频移。

通过低于1GHz的差频可以使用具有低于1GHz的极限频率的光学探测器18、19，所述光学探测器具有较低的检定极限。此外，在该频率范围内的信号的放大和过滤是较简单且较有效的。

为了使第二激光光源27稳定到与第一激光光源1的所期望的频率间隔上，使用以下称为O-PLL(光学锁相环)28的具有光学输入信号的锁相环。两个激光光源1、27的一部分激光束通过构造为激光光学分配器的分束器2、29分开，利用激光光学耦合器30偏振准确地聚集在一起并且在光学探测器31上叠加。所测量的信号包含在两个激光光源的差频中的部分，该差频应处于10GHz的范围内。所述信号的频率在以下称为PLL电路32的锁相环中与电子的局部振荡器33的频率相比较，该局部振荡器调节到所期望的差频上。两个激光光源1、27中的一个激光光源的频率借助比较信号如此校正，使得激光光源1、27的差频与局部振荡器33的差频一致。如果使用二极管激光器，则激光频率的调节优选通过工作电流进行。

按照图3的设备与按照图2的设备的区别在于用于测量瑞利散射的附加部件。

当瑞利散射利用与布里渊散射相同的窄带激光器激励时，得到背向散射信号，该背向散射信号的振幅由于相干瑞利噪声(CRN)强烈地变化。这样一种信号不适合作为用于计算朗道比的参考值。

消除CRN的可能性存在于，取在不同波长时利用窄带激光光源多次测量的平均值。

在图3中示出一种变型方案，在该变型方案中附加地设置有用于激励瑞利散射的一个另外的、特别是第三激光光源34。附加的激光光源34可以是具有例如几纳米的半值宽度的宽带激光器。在此处应说明的是，所述另外的激光光源34的激光束因此比由第一激光光源1发出的激光束宽带得多。

存在如下可能性，即，利用光学开关35在用于激励布里渊散射和瑞利散射的第一和另外的激光光源1、34之间变换或者也通过未示出的激光光学耦合器将激光束聚集在一起，以便然后按照需求接通激光光源1、34。

设置用于激励瑞利散射的激光光源34可以直接搏动、脉冲编码或调制。备选地，振幅的所期望的时间变化曲线也可以通过光学调制器产生。

布里渊信号可以通过光学滤波器36(例如激光布拉格光栅(FBG))与瑞利信号分开，其中，瑞利信号可以通过附加的光学探测器37接收、滤波和放大。然后，使如此获取的输出信号38数字化并且将其数字地进一步加工。

在按照图3的实施方式中，设置有分别具有三个接头的两个光学循环器7。存在取代两个光学循环器设置有具有四个接头的仅一个光学循环器的可能性。

对于在偏振分束器10、11后面的两个接收通道中的光学元件、光电接收器和放大器导致不同敏感度的情况，一部分测量路段可以构造为参考线圈39。这在图3中示例性地示出。完全存在在按照图1和/或图2的实施方式中也设置有这种参考线圈39的可能性。另一方面，完全存在在按照图3的实施方式中忽略参考线圈39的可能性。

在参考线圈39中如此安装一定长度的光学的纤维、例如100m，使得整个纤维长度产生相同的布里渊信号。所述纤维特别是应具有恒定的温度和恒定的延展、特别是没有延展。于是，参考线圈39的布里渊信号利用两个接收通道测量并且用于校准接收通道的灵敏度。

由此出发，即，来自参考线圈39的信号在两个偏振中是同样强的，接收通道如此校准，使得接收通道对于参考线圈在总体上测量同样强的信号。接收通道的如此调节的相同灵敏度有利于两个接收信号的最佳组合。

取代分别具有用于分开地检测两个分量12、13的两个光学探测器18、19的在图1至图3中示出的实施方式，也可以设置有用于分量12、13的经组合的光学探测器(未示出)。为此，例如可以在芯片上或者说在壳体中设置有两个光电二极管亦或在一个光电二极管上设置有仅两个区域。在此，例如由所述光电二极管或分开的区域所产生的两个光电流可以并联地切换，从而因此仅放大和数字化所述光电流的总和。

这种构造方案的优点在于模拟信号的更好的信噪比。对于该变型方案应设置有校准光信号的可能性，从而同样强地接收两个信号。这例如可以通过可变的光学衰减器在其中一个接收支路中进行，该光学衰减器借助测量信号的特性进行操控。

附图标记列表：

1、27、34 激光光源

2、29 分束器

3 激光束的第一部分

4 激光束的第二部分

5 用于测量的光导纤维

6 光学调制器

7 光学循环器

8 接收路径

9 光学的输入放大器

10、11 光学偏振分束器

12、13、14、15 线性偏振的分量

16、17、30 光学耦合器

18、19、31、37 光学探测器

20、21 颤动信号

22、33 电子的局部振荡器(LO)

23、24 电子混合器

25、26、38 输出信号

28 O-PLL

32 PLL电路

35 光学开关

36 光学滤波器

39 参考纤维