一种基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，利用光纤中激发的某一个光模与对应激发的多声模之间的互作用产生多峰布里渊增益谱，从多峰布里渊增益谱中任意选取两个增益峰的某一特征量进行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量，获取布里渊频移和/或布里渊增益系数随温度和应变的感知灵敏系数，构成系数矩阵，通过求解矩阵方程获取温度和应变，实现温度和应变的同时测量；本发明提供的温度和应变同时测量方法，在消除温度和应变交叉敏感不利影响的同时，无需引入额外的测量机制或设备，具有结构简易、鲁棒性强，测量准确度高的特点。
【专利说明】
一种基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法
技术领域
[0001 ]本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤声光模互作用的温 度和应变同时测量方法。
【背景技术】
[0002] 分布式光纤传感技术利用光纤作为传输介质取代一系列密集的点状传感阵列，可 对光纤各处的温度和应变等传感量进行测量，具有测量精度高、定位准确和测量范围广的 优点，被广泛应用于材料结构和环境监测等众多领域。其应用中的一个关键技术难点是如 何对温度和应变实现同时且相互独立的测量，排除两者间的交叉影响，如实现排除温度影 响的高精度应变测量，以及排除应变影响的高精度温度测量。
[0003] 现有技术包括:早期多选用普通单模光纤进行，将布里渊效应与其它效应相结合 进行温度和应变的同时测量，譬如利用布里渊散射和拉曼散射相结合实现温度和应变同时 测量，或者利用保偏光纤的布里渊效应和双折射效应实现温度和应变同时测量。这类方法 需要额外的对拉曼散射信号或光纤的双折射特性进行测量，增加了系统搭建的难度以及实 际操作的复杂度。
[0004] 现有技术还包括:利用布里渊效应中布里渊增益谱的多个不同特征量进行比对测 量，譬如通过对单模光纤中单个光模与单个声模互作用产生的单峰布里渊增益谱的布里渊 频移和布里渊增益系数两个特征量进行测量，达到温度和应变同时测量的目的，或者利用 少模光纤中多个光模与单个声模互作用产生的多个单峰布里渊增益谱的某一个特征量进 行比对测量，达到温度和应变同时测量的目的。这类方法中并未利用光纤中激发的某一个 光模与对应激发的多声模之间的互作用产生多峰布里渊增益谱，且这类方法中对于温度和 应变的感知灵敏度偏低，制约了温度和应变测量的精度和准确度。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤声光模互作用 的温度和应变同时测量方法，具体的是利用光纤中激发的某一个光模与其对应激发的多声 模之间的互作用产生多峰布里渊增益谱，从多峰布里渊增益谱中任意选取两个增益峰的某 一个特征量进行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量;其目的 在于在温度和应变同时测量中消除温度与应变之间的交叉干扰，提高温度和应变测量的精 度和准确度。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测 量方法，包括如下步骤：
[0007] (1)根据光波场在光纤中传输所满足的模式本征方程，以及光纤的结构特性，获得 光纤中允许激励的所有光模的个数、种类及光模在光纤横截面上的模场分布；
[0008] (2)从所有允许激励的光模中任意选取一个光模，根据声波场在光纤中传输所满 足的模式本征方程，获得该光模所对应激发的多声模的个数、种类，以及多声模在光纤横截 面上的模场分布；
[0009] (3)根据所述声波场在光纤中传输所满足的模式本征方程，获得所述光模与对应 多声模互作用产生的多个布里渊频移；
[0010]根据所述光模在光纤横截面上的模场分布，以及所述光模所对应激发的多声模的 个数、种类、多声模在光纤横截面上的模场分布，以及布里渊增益系数与声光模的模场耦合 效率的关系，获得所述光模与对应多声模互作用产生的多个布里渊增益系数；
[0011] 并根据所述布里渊频移和布里渊增益系数，获得多峰布里渊增益谱；
[0012] (4)根据光纤横截面上光波的折射率和声波的纵向速率随温度和应变变化的关 系，以及光波的折射率和声波的纵向速率与布里渊增益谱的关系，获得所述光模与对应多 声模互作用产生的多峰布里渊增益谱随温度和应变变化的关系；
[0013] (5)从所述光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中任意选取两个增益峰的 某一个特征量进行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量，获取 布里渊频移随温度的变化系数cf s、布里渊频移随应变的变化系数c；：f、布里渊增益系数 随温度的变化系数^?^和布里渊增益系数随应变的变化系数;
[0014] 并根据所述Cfs γ cf、Cfqpcjf' '建立布里渊频移和/或布里渊增益系数与 温度和应变的系数矩阵关系，通过求解矩阵方程获取光纤的温度和应变。
[00?5] 优选地，上述基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，光波场在光纤 中传输的模式本征方程为：
[0017 ]声波场在光纤中传输的模式本征方程为：
[0019]其中，E是指光模在光纤横截面上的模场分布，λ是指入射光波长，n是指光纤横截 面上折射率分布，ne3ff是指光场基模在光纤中的有效折射率;其中，Um是指第m个声模在光纤 横截面上的模场分布，Ω η是指声波的特征频率，Vl是指声波的纵向速率分布，声波模式的传 输常数&。= = 2Jinef f/λ是光波模式的传输常数。
[0020] 优选地，上述基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，其光纤横截面 上光波的折射率分布η与温度和应变的关系为：
[0021] n = n〇[ 1+( 1 X 10-3+3 X 10-6 Δ Τ+1 · 5 X 10-7 Δ ε) X ω Ge
[0022] +(-3.3X10-3+3.6X10-6ΔΤ+7·5Χ10-7Δε)Χ ωΡ];
[0023] 其光纤横截面上声波的纵向速率分布Vi与温度和应变的关系为：
[0024] V1 = Vi。[卜（7 · 2 X 10-3_4· 7 X 10-5 Δ T-2 · 1 X 10-6 Δ ε) X ω Ge
[0025] -(2.7X10-2-1.8X10-5ΔΤ_3·8Χ10-6Δε)Χ ωΡ];
[0026] 其中，no为光纤包层的折射率，Vio为光纤包层的纵向声速，△ Τ为温度变化量，Δ ε 为应变变化量，ω&3为Ge的掺杂浓度，Wf*F的掺杂浓度。
[0027] 优选地，上述基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，步骤(5)中，对 这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某两个增益峰的布里渊频移进行比 对测量，根据测量获得的系数，建立这两个增益峰的布里渊频移随温度和应变的系数矩阵 关系：
[0029] 其中，ΔΤ为温度变化量，Δ ￡为应变变化量，ABFS1是指这两个增益峰中的某一个 增益峰对应的布里渊频移变化量，Δ BFS2是指这两个增益峰中的另一个增益峰对应的布里 渊频移变化量。
[0030] 优选地，上述基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，步骤(5)中，对 这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某一个增益峰的布里渊频移和布里 渊增益系数进行比对测量，根据测量获得的系数，建立这一个增益峰的布里渊频移和布里 渊增益系数随温度和应变的的系数矩阵关系：
[0032]其中，Δ T为温度变化量，Δ ￡为应变变化量，Δ BFS是指这一个增益峰对应的布里 渊频移变化量，A BGC是指这一个增益峰对应的布里渊增益系数变化量。
[0033] 优选地，上述基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，步骤(5)中，对 这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某两个增益峰的布里渊增益系数进 行比对测量，根据测量获得的系数，建立这两个增益峰的布里渊增益系数随温度和应变的 系数矩阵关系：
[0035] 其中，ΔΤ为温度变化量，Δ ￡为应变变化量，ABGC1是指这两个增益峰中的某一个 增益峰对应的布里渊增益系数变化量，ABGC2是指这两个增益峰中的另一个增益峰对应的 布里渊增益系数变化量。
[0036] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0037] (1)本发明提供的基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量的方法，利用光 纤中激发的某一个光模与其对应激发的多声模之间的互作用产生多峰布里渊增益谱，从多 峰布里渊增益谱中任意选取两个增益峰的某一个特征量进行比对测量，或任意选取一个增 益峰的某两个特征量进行比对测量，获取布里渊频移和/或布里渊增益系数随温度和应变 的感知灵敏系数，构成系数矩阵，通过求解矩阵方程获取温度和应变，实现温度和应变的同 时测量；
[0038] (2)本发明提供的温度和应变同时测量的方法，不局限于某种特定的光纤种类，由 于可以在光纤允许激励的所有光模中任意选取其中某一种光模，并在这个光模对应的多声 模所产生的多个增益峰中任意选取某两个增益峰的某一个特征量进行比对测量，或任意选 取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量，因此可根据实际激励的光模与声模的情况和 需求，选取容易测得或比对测量时性能更优的模式进行分析，增加了测量的灵活性；
[0039] (3)本发明提供的温度和应变同时测量方法的关键在于从光纤介质本身的声光模 互作用机理出发，利用某一种光模与其对应激励的多声模之间的互作用，使得其布里渊增 益谱具有多峰的特性，并对这种多峰的布里渊增益谱加以利用实现温度和应变的同时测 量，因此并不限制采用何种具体的装置和方法来测量布里渊增益谱，无论采用连续或脉冲 的信号光或栗浦光，采用直接探测或相干探测的方法均无限制，凡是能获取布里渊增益谱 的装置或方法均可；
[0040] 另一方面，与现有利用布里渊效应结合上其他效应实现温度和应变同时测量的技 术相比，本发明的有益效果在于，仅利用布里渊效应这一种效应即可实现对温度和应变的 同时测量，无需引入额外的测量机制或设备，具有结构简易、鲁棒性强等优点；
[0041] 另一方面，与现有利用布里渊效应中一个或多个光模和单个声模作用来实现温度 和应变同时测量的技术相比，本发明的有益效果在于，通过对光纤结构的优化设计，利用了 光纤中某一种光模与其对应激励的多种声模之间的互作用来实现温度和应变的同时测量， 具有温度和应变感知灵敏度高、测量精度高的优点。
【附图说明】
[0042]图1是本发明所提供的基于光纤中声光模互作用的温度和应变同时测量方法的流 程图；
[0043]图2是本发明实施例中光纤中允许激励的光模在对应横截面上的场分布图；其中， 图2(a)是光模LP01在光纤横截面上的场分布图，图2(b)是光模LP11在光纤横截面上的场分 布图；
[0044]图3为本发明实施例中光纤中允许激励的声模A0m、Alm和A2m族对应横截面上的场 分布图；
[0045]图4为本发明实施例中选取LP01或LP11光模时，光模与其对应激励的多声模互作 用产生的多峰布里渊增益谱;其中，图4(a)是选取LP01光模时对应的多峰布里渊增益谱，图 4 (b)是选取LP11光模时对应的多峰布里渊增益谱；
[0046] 图5为本发明实施例中选取LP11光模时，光模与其对应激励的多声模互作用产生 的多峰布里渊增益谱随温度和应变的变化关系图；其中，图5(a)是多峰布里渊增益谱随应 变的变化关系图，图5(b)是多峰布里渊增益谱随温度的变化关系图；
[0047] 图6为本发明实施例中选取LP11光模时，多峰布里渊增益谱的多个布里渊频移和 布里渊增益系数随温度和应变的变化关系图；其中，图6(a)是多个布里渊频移随应变的变 化关系图，图6(b)是多个布里渊频移随温度的变化关系图，图6(c)是多个布里渊增益系数 随应变的变化关系图，图6(d)是多个布里渊增益系数随温度的变化关系图。
【具体实施方式】
[0048] 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用以解释本发明，并不 用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼 此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明实施例提供的一种基于光纤中声光 模互作用的温度和应变同时测量方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：
[0050] (1)根据光波场在光纤中传输所满足的模式本征方程，以及光纤的具体结构特性， 获得光纤中允许激励的所有光模的个数、种类及其在光纤横截面上的模场分布；
[0051] (2)从所有允许激励的光模中选取任意的某一个光模，根据声波场在光纤中传输 所满足的模式本征方程，获得这个光模所对应激发的多声模的个数、种类及其光纤横截面 上的模场分布；
[0052] (3)根据所述声波场在光纤中传输所满足的模式本征方程，获得这个光模与对应 多声模互作用产生的多个布里渊频移;根据所述这个光模及其对应激发的多声模的个数、 种类及其光纤横截面上的模场分布，以及布里渊增益系数与声光模的模场耦合效率的关 系，获得这个光模与对应多声模互作用产生的多个布里渊增益系数;并根据所述布里渊频 移和布里渊增益系数，获得多峰布里渊增益谱；
[0053] (4)根据光纤横截面上光波的折射率和声波的纵向速率随温度和应变变化的关 系，以及光波的折射率和声波的纵向速率与布里渊增益谱的关系，获得这个光模与对应多 声模互作用产生的多峰布里渊增益谱随温度和应变变化的关系；
[0054] (5)从这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中任意选取两个增益峰的 某一个特征量进行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量，获取 布里渊频移随温度的变化系数cfs、布里渊频移随应变的变化系数C；f、布里渊增益系数 随温度的变化系数cfe和布里渊增益系数随应变的变化系数c；：f 3并根据所述 cfs、c；f、cf6和cy，建立布里渊频移和/或布里渊增益系数与温度和应变的系数矩 阵关系，通过求解矩阵方程获取光纤的温度和应变。
[0055] 以下结合具体实施例进行详细说明：
[0056] 光波场与声波场在光纤中传输各自所满足的模式本征方程分别如下式所;^:
[0059] 其中，E是指光模在光纤横截面上的模场分布，λ是指入射光波长，n是指光纤横截 面上折射率分布，ne3ff是指光场基模在光纤中的有效折射率;其中，Um是指第m个声模在光纤 横截面上的模场分布，Ωη是指声波的特征频率，Vl是指声波的纵向速率分布，声波模式的传 输常数&。= = 2Jinef f/λ是光波模式的传输常数。
[0060] 当通过调控具体的光纤结构参数，例如其相对折射率差、纤芯材料、纤芯直径和包 层结构等，通过将光波长λ和光纤横截面上折射率分布n(x，y)带入公式（1)中，计算获得光 纤中允许激励的所有光模在光纤横截面上的模场分布E(x，y)及其对应的有效折射率n eff; 从所有允许激励的光模中选取任意的某一个光模，将这个光模对应的有效折射率nrff带入 公式(2)中，进一步计算获得光纤中这个光模对应激励的所有声模在光纤横截面上的模场 分布u m(x，y)及其对应的布里渊频移Pj = Ω," / 2;r。
[0061] 在本发明实施例中，以某一种渐变折射率结构的少模光纤举例来进行测量，其中 允许存在的光模有LP01和LP11模式。当选取的光模为LP01模式时，主要参与作用的声模为 AOm族;当选取的光模为LP11模式时，主要参与作用的声模为AOm和A2m族。
[0062 ]每个传导声模用Akm来表不，其中k表不场量沿圆周方向分布的整个驻波的个数， 也表示贝塞尔函数的阶数，m表示场量沿半径方向最大值的个数，k和m决定了相应模式在横 截面上的场分布。
[0063]图2为本发明实施例中，光纤中允许激励的光模LP0ULP11在对应横截面上的场分 布图，其中LP01光模为圆对称模场分布，LP11光模为非圆对称模场分布，由此可任意选取其 中的一种光模进行后续分析。
[0064]图3为本发明实施例中，光纤中允许激励的声模A0m、Alm和A2m族对应横截面上的 场分布图，其中A01族声模为圆对称模场分布，Aim和A2m族声模为非圆对称模场分布，具体 存在的声模有AOm族的401^02^03 41111族的411^12^13和42111族的421^22^23等。
[0065]对于多个声模参与的受激布里渊效应，每个声波模式的声光耦合系数13°可以表示 为：
[0067]光场的有效模场面积Aeff可以表示为：
[0069]其中，El和E2分别为信号光与栗浦光的模场分布，Aa°表不声光模互作用有效面积， 其与光场的有效模场面积Aeff之间的关系为Aa°=Aeff/I a°，则布里渊增益系数可以表示为：
[0071] 根据以上布里渊增益系数与声光模的模场交叠有效面积的关系，即可获得这一个 光模与其对应激励的多声模互作用产生的布里渊增益系数，结合布里渊频移构成多峰布里 渊增益谱。
[0072] 布里渊增益谱与布里渊频移和布里渊增益系数的关系如下式所示：
[0074]其中，Na。是这个光模对应激励的声模的个数，ΔνΒ是每个增益单峰的谱宽，6?和 BFSm*别是第m个声模作用产生的布里渊增益系数和布里渊频移。
[0075]图4为本发明提供的选取LP01或LP11光模时，这一种光模与其对应激励的多声模 互作用产生的多峰布里渊增益谱。当选取LP01光模时，布里渊增益谱包含三个增益单峰，分 别由声模A0UA02和A03作用产生；当选取LP11光模时，布里渊增益谱包含四个增益单峰，分 别由声模A01、A02、A03和A21、A22、A23作用产生，其中A02和A21、A03和A22作用产生的增益 单峰相互重叠，因此构成四峰布里渊增益谱。
[0076]根据光纤横截面上光波的折射率分布η和声波的纵向速率分布Vi受到热光效应和 弹光效应而随温度和应变发生变化的关系，建立多峰布里渊增益谱随温度和应变的关系， 其中光纤横截面上光波的折射率分布η和声波的纵向速率分布Vi与温度和应变的关系式 为：
[0079] 其中，no和Vio分别为光纤包层的折射率与纵向声速，△ T为温度变化量，△ ε为应变 变化量，ω dP ω汾别表示Ge和F的参杂浓度。
[0080] 随着光纤横截面上光波的折射率分布n(x，y)和声波的纵向速率分布Vi(x，y)的变 化，光纤中允许存在的光模与声模的模场分布也随之变化，从而引起布里渊频移和布里渊 增益系数的变化。
[0081] 图5为本发明提供的选取LP11光模时，这一种光模与其对应激励的多声模互作用 产生的多峰布里渊增益谱随温度和应变的变化关系图，当选取LP01光模时的情况与之类 似，在此不再赘述。
[0082]图5(a)是选取LP11光模时，这个光模与对应激励的多声模互作用产生的多峰布里 渊增益谱随应变的变化关系图，从该图中可见随着应变的逐渐增大，多峰布里渊增益谱向 着高频方向移动，各个增益峰的布里渊增益系数也随之增大或减小；
[0083]图5(b)是选取LP11光模时，这个光模与对应激励的多声模互作用产生的多峰布里 渊增益谱随温度的变化关系图，从该图中可见随着温度的逐渐增大，多峰布里渊增益谱也 向着高频方向移动，各个增益峰的布里渊增益系数也随之增大或减小，这与光纤的具体结 构参数以及参与作用的光模和声模的场分布均有关系。
[0084] 通过在温度不变的条件下改变光纤应变，并在应变为零的条件下改变光纤温度， 选取某一种光模与其对应激励的声模互作用下产生的多峰布里渊增益谱的多个布里渊频 移和多个布里渊增益系数随温度和应变的关系，获得布里渊频移随温度的变化系数C TBFS、 布里渊频移随应变的变化系数C〗f、布里渊增益系数随温度的变化系数和布里渊增益 系数随应变的变化系数C，。
[0085] 图6为本发明提供的选取LP11光模时，多峰布里渊增益谱的多个布里渊频移和布 里渊增益系数随温度和应变的变化关系图，其中图6(a)是多峰布里渊增益谱中四个增益峰 的布里渊频移随应变的变化关系图，图6(b)是多峰布里渊增益谱中四个增益峰的布里渊频 移随温度的变化关系图，图6(c)是多峰布里渊增益谱中四个增益峰的布里渊增益系数随应 变的变化关系图，图6(d)是多峰布里渊增益谱中四个增益峰的布里渊增益系数随温度的变 化关系图。
[0086] 由图6分析得知，多峰布里渊增益谱的多个布里渊频移和布里渊增益系数随温度 和应变的变化均呈现线性关系，且某一个光模对应激励的多个不同的声模作用产生的布里 渊频移和布里渊增益系数随温度或应变的变化系数均不相同，因此能够通过建立布里渊频 移和布里渊增益系数随温度和应变的系数矩阵关系，求解矩阵方程实现温度和应变的同时 测量，分离温度和应变的交叉影响。
[0087]具体而言，根据选择的布里渊增益谱中测量特征量的不同，又可细分为三种不同 的对比测量方法：
[0088] (1)选取这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某两个增益峰的布 里渊频移进行比对测量，即建立这两个增益峰的布里渊频移随温度和应变的系数矩阵公 式：
[0090] 其中，ΔΤ为温度变化量，Δ ￡为应变变化量，ABFS1是指这两个增益峰中的某一个 增益峰对应的布里渊频移变化量，Δ BFS2是指这两个增益峰中的另一个增益峰对应的布里 渊频移变化量。
[0091] (2)选取这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某一个增益峰的布 里渊频移和布里渊增益系数进行比对测量，即建立这一个增益峰的布里渊频移和布里渊增 益系数随温度和应变的系数矩阵公式：
[0093]其中，Δ T为温度变化量，Δ ￡为应变变化量，Δ BFS是指这一个增益峰对应的布里 渊频移变化量，A BGC是指这一个增益峰对应的布里渊增益系数变化量。
[0094] (3)选取这个光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某两个增益峰的布 里渊增益系数进行比对测量，即建立这两个增益峰的布里渊增益系数随温度和应变的系数 矩阵公式：
[0096] 其中，ΔΤ为温度变化量，Δ ￡为应变变化量，ABGC1是指这两个增益峰中的某一个 增益峰对应的布里渊增益系数变化量，ABGC2是指这两个增益峰中的另一个增益峰对应的 布里渊增益系数变化量。
[0097] 需要特别指出的是，发明实施例中，可在光纤允许激励的多种光模中任意选取其 中某一种光模进行分析，从这个光模与其对应激励的多声模的互作用产生的多峰布里渊增 益谱中任意选取两个增益峰的某一个特征量进行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两 个特征量进行比对测量，即不仅可以利用低阶的光模与对应多声模的互作用产生多峰布里 渊增益谱，还可以利用高阶的光模与对应多声模的互作用产生多峰布里渊增益谱。
[0098]本发明实施例中，在这一种光模与其对应激励的多声模之间的互作用产生的多峰 布里渊增益谱中，相邻两个增益峰的频率间隔(约为140MHz)远大于每个增益单峰的增益谱 宽（约35MHz)，因此不同的声模参与作用所产生的增益单峰不会在频谱上相互重叠，从而形 成可分辨的多峰增益谱谱型。
[0099]本发明实施例中，在这一种光模及其对应激励的多声模之间的互作用产生的多峰 布里渊增益谱中，相邻两个增益峰的峰值增益系数之差均在10dB以内，有利于在实际测量 过程中提高对布里渊频移和布里渊增益系数的测量准确度。
[0100] 需要特别说明的是，本实施例对本发明所作的说明是描述性而不是限定性的，例 如图2和图3中允许激励的光模和声模的种类并不局限于只有LP01、LP11和AO 1、AOm、A2m族， 根据光纤结构设计的不同，其中允许激励的光模与声模种类会相应发生改变。图4中某一种 光模与其对应激励的多声模互作用产生的多峰布里渊增益谱的谱型，具体包括增益峰的个 数、每个增益峰的增益系数以及不同增益峰之间的频率间隔等都会相应发生改变。
[0101] 通过本发明所述方法，利用光纤中某一种光模与其对应激励的多声模之间的互作 用产生多峰布里渊增益谱，从多峰布里渊增益谱中任意选取两个增益峰的某一个特征量进 行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量，可以实现温度和应变 的同时测量，消除温度和应变交叉敏感的不利影响，并且无需引入额外的测量机制或设备， 具有结构简易、鲁棒性强，测量准确度高等优点。
[0102] 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。
【主权项】
1. 一种基于光纤声光模互作用的温度和应变同时测量方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 根据光波场在光纤中传输所满足的模式本征方程，以及光纤的结构特性，获得光纤 中允许激励的所有光模的个数、种类及光模在光纤横截面上的模场分布； (2) 从所有允许激励的光模中任意选取一个光模，根据声波场在光纤中传输所满足的 模式本征方程，获得所述光模所对应激发的多声模的个数、种类，以及多声模在光纤横截面 上的模场分布； (3) 根据所述声波场在光纤中传输所满足的模式本征方程，获得所述光模与对应多声 模互作用产生的多个布里渊频移； 根据所述光模在光纤横截面上的模场分布，以及所述光模所对应激发的多声模的个 数、种类、多声模在光纤横截面上的模场分布，以及布里渊增益系数与声光模的模场耦合效 率的关系，获得所述光模与对应多声模互作用产生的多个布里渊增益系数； 并根据所述布里渊频移和布里渊增益系数，获得多峰布里渊增益谱； (4) 根据光纤横截面上光波的折射率和声波的纵向速率随温度和应变变化的关系，以 及光波的折射率和声波的纵向速率与布里渊增益谱的关系，获得所述光模与对应多声模互 作用产生的多峰布里渊增益谱随温度和应变变化的关系； (5) 从所述光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中任意选取两个增益峰的某一 个特征量进行比对测量，或任意选取一个增益峰的某两个特征量进行比对测量，获取布里 渊频移随温度的变化系数Cf s、布里渊频移随应变的变化系数、布里渊增益系数随温 度的变化系数Cf ^和布里渊增益系数随应变的变化系数C；：f ; 并根据所述Cfs、C；f、建立布里渊频移和/或布里渊增益系数与温度 和应变的系数矩阵关系，通过求解矩阵方程获取光纤的温度和应变。2. 如权利要求1所述的温度和应变同时测量方法，其特征在于，光波场在光纤中传输的 模式本征方程为：声波场在光纤中传输的模式本征方程为：其中，E是指光模在光纤横截面上的模场分布，λ是指入射光波长，n是指光纤横截面上 折射率分布，ne3ff是指光场基模在光纤中的有效折射率;其中，Um是指第m个声模在光纤横截 面上的模场分布，Ω m是指声波的特征频率是指声波的纵向速率分布，声波模式的传输常 数= 2β〇ρ?；，Popt = 2Jinef f/λ是光波模式的传输常数。3. 如权利要求1或2所述的的温度和应变同时测量方法，其特征在于，所述光纤横截面 上光波的折射率分布η与温度和应变的关系为： n = n〇[ 1+( 1 X 10-3+3 X 10-6 Δ Τ+1 · 5 X 10-7 Δ ε) X ω Ge + (-3 · 3 X 10-3+3 · 6 X 10-6 Δ T+7 · 5 X 10-7 Δ ε) X ω F]; 所述光纤横截面上声波的纵向速率分布Vi与温度和应变的关系为： Vi = Vio[l-(7.2X10-3-4.7X10-5ΔΤ-2·1Χ10-6Δ ε)Χ coGe -(2 · 7 X 10-2-1 · 8 X 10-5 Δ T-3 · 8 X 10-6 Δ ε) X ω F]; 其中，no为光纤包层的折射率，Vio为光纤包层的纵向声速，△ Τ为温度变化量，△ ε为应 变变化量，为Ge的掺杂浓度，cof*F的掺杂浓度。4. 如权利要求1所述的温度和应变同时测量方法，其特征在于，步骤(5)具体为:对所述 光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某两个增益峰的布里渊频移进行比对测 量，根据测量获得的系数cfsl、c，、CfS2和C；：f，建立所述两个增益峰的布里渊频移随 温度和应变的系数矩阵关系：，. 其中，A T为温度变化量，△ ε为应变变化量，△ BFS1是指所述两个增益峰中的某一个增 益峰对应的布里渊频移变化量，△ BFS2是指所述两个增益峰中的另一个增益峰对应的布里 渊频移变化量。5. 如权利要求1所述的温度和应变同时测量方法，其特征在于，步骤(5)具体为:对所述 光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某个增益峰的布里渊频移和布里渊增益 系数进行比对测量，根据测量获得的系数cfs、c；f、cflpcf，建立所述增益峰的布 里渊频移和布里渊增益系数随温度和应变的系数矩阵关系：其中，A T为温度变化量，△ ε为应变变化量，△ BFS是指所述增益峰对应的布里渊频移 变化量，A BGC是指所述增益峰对应的布里渊增益系数变化量。6. 如权利要求1所述的温度和应变同时测量方法，其特征在于，步骤(5)具体为:对所述 光模与对应多声模互作用产生的多峰增益谱中的某两个增益峰的布里渊增益系数进行比 对测量，根据测量获得的系数CfC1、和C〗f2，建立所述两个增益峰的布里渊增 益系数随温度和应变的系数矩阵关系：其中，AT为温度变化量，△ ε为应变变化量，ABGC1是指所述两个增益峰中的某一个增 益峰对应的布里渊增益系数变化量，ABGC2是指所述两个增益峰中的另一个增益峰对应的 布里渊增益系数变化量。
【文档编号】G01K11/32GK105865655SQ201610352865
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】柯昌剑, 周欣, 邢晨, 罗志祥, 刘德明
【申请人】华中科技大学