一种用于传感的传感器和方法
【专利摘要】本发明通过适用于传感一个或多个结构的一个或多个特性的传感器来实现这些目标，该传感器包括：第一光学传播路径，其被配置成与特性待被传感的结构配合；第二光学传播路径，其被配置成与特性待被传感的结构配合；第三光学路径；用于放大在第三光学传播路径中传播的信号的装置，以使信号在沿第二光学传播路径传播前被放大；以及避免信号从第二光学传播路径向第三光学传播路径传播的装置。本发明进一步提供了对应的传感方法。
【专利说明】一种用于传感的传感器和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种传感的传感器和方法，且特别地但不唯一地涉及使用布里渊散射技术测量一个或多个结构特性的传感的传感器和方法。【背景技术】
[0002]在如输油管线、电缆或海底电缆等很多应用领域中，使用测量仪器连续监控结构上和/或功能上的参数众所周知。测量仪器也可用于土木工程领域，且特别是在大尺寸结构建筑领域。
[0003]测量仪器通常用于管理各自结构的温度或应变的时间趋势，即变形或伸长的几何测量，该变形或伸长为应力导致且确定沿光纤延伸或压缩的总量。更详细的是，这些测量仪器适用于提供局部特性的信息，因此可用其作为时间的函数监控与工程结构的多个部分或组成部分相关的温度或应变，提供结构在泄露、地面移动、变形等方面的有用信息。
[0004]在用于监控工程或建筑结构状态的测量仪器中，基于光纤的光电设备有很大重要性。特别是，这些仪器通常包括需要配备通常大约几十公里数量级的光纤探针的电子测量设备。在使用中，这个光纤稳定连接到各自的物理参数需要监控的工程结构的部分或部件、且与工程结构的部分或部件保持充分接触。例如，光纤可以沿着石油输送管线的管道延伸，或嵌入建筑的混凝土柱，因此可用光线显示这些结构局部的温度或应变趋势。换句话说，这些光电设备由光纤传感器构成，即，将光纤用作传感元件的传感器。光纤传感器可以是:
[0005]-点传感器，其中只使一个沿光纤的位置对温度和/或应变敏感；
[0006]-半分布式传感器或多路复用传感器，其中很多点传感器通过光纤彼此连接，且通过对于每一个传感器使用不同波长的光来多路复用该光纤长度；或
[0007]-分布式或全分布式传感器，其中光纤是一个长的连续的线型传感器。
[0008]这些基于光纤的测量仪器可以根据其适合测量的一个/多个物理特性和用于探测该/这些数量的物理原理来细分为各种类型。
[0009]当一个波长λ ^ (或频率V(l=c/ λ ^其中c是光速)的大功率光脉冲(又叫泵浦)沿着光纤传播时，由于光纤中的局部不均匀性，小部分入射功率分散到各个方向。如果光纤是单模光纤(SMF)，即纤维设计为仅输送单个光束(模式)，那么因为没有引导在其他方向的散射光，仅向前和向后散射有意义。需要特别关注向后散射，因为它传播回光纤末端，该处是激光最初进入光纤的位置。
[0010]散射过程源于材料不纯(瑞利散射)、热激发声波(布里渊散射)或原子或分子振动(拉曼散射)。
[0011]分布式传感技术依赖于对沿光纤不同位置产生的向后散射信号的分析。
[0012]瑞利散射是光脉冲和材料杂质的相互作用。在二氧化硅光纤中，它是三种向后散射信号里最大的，且和入射光有相同的波长。瑞利散射是光时域反射计(OTDR)背后的物理原理。
[0013]布里渊散射是光脉冲和热激发声波(也叫声子)的相互作用。通过弹光效应，声波轻微的、局部的且周期性的修改折射率。对应的活动光栅反射回小部分入射光，且因为多普勒效应而变换它的频率(或波长)。此变换取决于光纤中的声速，同时其信号取决于行进声波的传播方向。因此，布里渊向后散射在入射光附近产生两个不同频率，叫做斯托克斯和反斯托克斯分量。在二氧化硅光纤中，布里渊频移在IOGHz范围(在1550nm波长范围内0.1nm)内，且取决于温度和应变。
[0014]拉曼散射是光脉冲和热激发原子或分子振动(光学声子)的相互作用，且在强度上是三种向后散射信号中最小的。拉曼散射在二氧化硅光纤中通常呈现13THz的大频移，对应于在波长1500nm时lOOnm。拉曼反斯托克斯分量强度取决于温度，然而斯托克斯分量几乎对温度不敏感。 [0015]图1示意性地示出了当激光射入光纤时沿光纤的每一点处产生的向后散射光的光谱。在波长λ ^处、与单模激光的波长对应的较高峰值是来源于材料杂质的瑞利峰。所谓斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别是位于瑞利峰右侧和左侧的峰值。反斯托克斯拉曼峰来源于原子和分子振动，具有取决于温度T的振幅。斯托克斯和反斯托克斯布里渊峰由热激发声波引起，具有取决于温度T和应变ε的频率。
[0016]布里渊频移(相对于原始激光的波长位置)是光纤材料固有的物理特性，且提供关于光纤经受的应变和温度分布的重要信息。
[0017]可利用布里渊向后散射光的频率信息测量沿光纤的局部温度或应变信息。标准或特定的单模电信光纤和光缆可用作传感元件。测量局部温度或应变的技术就称为基于频率的技术，因为温度或应变信息包含在布里渊频移中。它在本质上比任何基于强度的技术(例如对衰减的漂移、损失和变化敏感的拉曼效应)更可靠且更稳定。结果，基于布里渊的技术提供长时间的稳定性和大的对衰减免疫。另外，布里渊散射必须满足使相互作用表现为窄光谱响应的非常精确的相位条件，以实现精确的测量。把这个将光脉冲传送进光纤和测量向后散射信号的过程称为自发布里渊散射(SPBS):这是导致低强度散射光的微弱过程。
[0018]假设探针满足特定条件，布里渊散射过程有一个特性，除产生散射的第一光学信号(叫做泵浦)之外，其可通过第二光学信号(称为探针)激发。这个特性在传感应用中尤其受关注，且通过使用关于泵浦传播的探针计数器可以实现。当泵浦和探针的频率(或波长)被布里渊频移完全分开时，激励最大化。在这种情况下，从泵浦到探针(或反过来，取决于选择的斯托克斯/反斯托克斯向后散射信号)的能量传输导致非常大的向后散射强度和因而更大的信噪比(SNR)。当共振条件达到时，即当泵浦和探针的频率差异匹配局部布里渊频率时，以泵浦消耗产生探针功率放大，这被视为共振现象。
[0019]如后续所讨论，在已知解决方案中，泵浦由一个或多个纳秒长的光学脉冲组成，且探针由连续波-CW光组成。
[0020]将基于激发布里渊向后散射(SBS)的光电测量设备称为布里渊光学时域分析仪或BOTDA ;与基于自发布里渊向后散射(SPBS)的布里渊光学时域反射计(BOTDR)相反。
[0021]基于BOTDA的光电测量设备通常执行频域分析和时域分析。
[0022]频域分析:将温度/应变信息编码进布里渊频移。扫描关于泵浦的探针频率，同时监控向后散射信号的强度允许发现布里渊增益峰，以及对应的布里渊频移，从中可以计算出温度或应变。这可以通过使用两个光源实现，如激光器，或创建泵浦信号和探针信号的单光源。在这种情况下，使用光学调制器(通常是通信元件)以受控模式来扫描探针频率。[0023]时域分析:由于泵浦的脉冲特性，泵浦/探针的相互作用在不同时间，发生在沿光纤的不同位置。对任意给定位置，经过两倍于从光纤输入到指定位置的传送时间的时延后，与泵浦相互作用的部分探针信号到达探测器。
[0024]因此，监控与时间相关的向后散射强度，同时知道光纤中的光速，给出散射发生位
置的信息。
[0025]典型的基于BOTDA的商业光电子测量设备能够以Im的空间分辨率测量超过30km的光纤的温度/应变(等同于30，000个单独的独立传感器)。温度分辨率通常<lk，且应变通常为20 μ ε。
[0026]任何基于激发布里渊散射的传感系统受到两个根本限制，其限制最大传感范围和测量精度。
[0027]第一个限制是不可避免的光纤固有损失，在标准单模光纤中，在波长1550nm时表现为典型值0.2db/km。因此，在通过传感光纤传播时，用于传感的光波遭受不可忽视的功率衰减。布里渊泵浦的强度Ip表达为:
[0028]
【权利要求】
1.一种传感器，其适用于传感一个或多个结构的一个或多个特性，所述传感器包括: 第一光学传播路径，其被配置为与特性待被传感的结构配合； 第二光学传播路径，其被配置为与特性待被传感的结构配合； 第三光学传播路径； 用于放大在所述第三光学传播路径中传播的信号的装置，以使在所述信号沿所述第二光学传播路径传播前被放大；以及 避免信号从所述第二光学传播路径向所述第三光学传播路径传播的装置。
2.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括避免信号从所述第一光学路径向所述第二光学路径传播的装置。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述装置进一步配置成允许信号从所述第二光学传播路径向所述第一光学传播路径传播以及从所述第三光学传播路径向所述第二光学传播路径传播。
4.根据上述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述避免信号从所述第二光学路径向所述第三光学传播路径传播的装置包括循环器回路。
5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述第三光学传播路径被配置成远离所述一个或多个结构设置，以使在所述第三光学传播路径中的信号传播不受所述一个或多个结构的特性的影响。
6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器，进一步包括:向所述第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置、向所述第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置、和向所述第二光学传播路径提供探针信号的装置，从而能够实施一个或多个分布式传感技术来判定所述一个或多个结构的特性。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述第一泵浦信号被配置成使其具有比所述第二泵浦信号更高的功率。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的传感器,其中，向所述第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置和向所述第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置包括耦合装置，所述耦合装置被配置成分离主泵浦信号，以提供所述第一泵浦信号和所述第二泵浦信号。
9.根据上述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述第三光学传播路径被配置成使得信号沿所述第三光学传播路径的长度传播的时间至少与信号沿所述第一光学传播路径的长度传播的时间相等。
10.一种使用根据权利要求1-9中任一项所述的传感器来传感一个或多个结构的特性的方法，所述方法包括以下步骤: 设置与特性待被传感的结构配合的所述第一光学传播路径； 设置与特性待被传感的结构配合的所述第二光学传播路径； 沿所述第一光学传播路径传播第一泵浦信号，并沿所述第三光学传播路径传播第二泵浦信号； 只放大所述第二泵浦信号，以便在所述第二泵浦信号沿所述第二光学传播路径传播前放大所述第二泵浦信号； 提供沿所述第一和第二光学传播路径传播的探针信号，从而在沿所述第一光学路径传播的所述第一泵浦信号和沿所述第二光学传播路径传播的所述第二泵浦信号中激发布里渊散射； 避免所述探针信号沿所述第三光学传播路径传播； 使用由所述布里渊散射产生的向后散射信号来判定所述一个或多个结构的特性。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括阻止信号从所述第一光学传播路径向所述第二光学传播路径传播的步骤。
12.根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括延迟所述第二泵浦信号在所述第三光学传播路径中传播的步骤。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，进一步包括分离主泵浦信号来提供所述第一和第二泵浦信号的步骤。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，进一步包括远程控制所述第二泵浦信号的放大的步骤。
15.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，进一步包括提供控制信号的步骤，所述控制信号控制能用于放大泵浦信·号的放大器所提供的放大率。
【文档编号】G01M11/08GK103597328SQ201180071055
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2011年7月27日 优先权日:2011年7月27日
【发明者】朱利安·古斯特里, 法比安·拉维特, 艾蒂安·若查特 申请人:奥姆尼森股份公司