专利名称：基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体为一种基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法。
背景技术：
大型基础设施的安全健康检测、及时发现故障隐患，对于防灾减灾、确保人民生命和国家财产安全等方面具有非常重要的意义。尤其是高速铁路、大型桥梁隧道、输油管道、电力通信网络和大型核电站等的不断建设和投入使用，对于大型基础设施的安全健康监测的需求更是不断增加。大型工程的结构健康监测具有长距离，高精度、分布式等要求，传统的检测手段和 点式传感器难以胜任。分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，可以满足大型基础设施结构健康监测的要求。例如分布式拉曼温度传感器广泛应用于大型电力设备和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式布里渊应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测等领域。相对于其他分布式光纤传感器，光纤布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)具有单端接入的优点，特别适合长距离传感场合。BOTDR利用光纤自发布里渊散射光的频移受光纤所处环境的温度和应力影响，通过测量背向自发布里渊散射信号的频移可以得到光纤的温度或应变的分布情况，实现分布式温度或应变传感。但是，由于光纤中布里渊频移同时受到温度和应变的影响，存在交叉敏感问题，即仅由布里渊频移无法分辨出该频移是由温度还是由应变所引起的，难以实现多参量的同时传感，限制了 BOTDR的实用性。目前解决BOTDR交叉敏感问题的方法主要有3种，第一种方法是同时测量布里渊散射光强和布里渊频移，需要测量的自发布里渊散射功率微弱，而系统中实际功率总有一定的波动，因此测量精度不高；第二种方法是利用特殊光纤(如大有效面积色散位移单模光纤)中多个布里渊峰的频移的方法，需要用到特殊光纤，所以成本较高；第三种方法是将温度和应变利用不同物理效应区分开，如融合拉曼和自发布里渊散射效应的方法，也可称为联合其他物理效应法，也需要使用特殊光纤，且要将两套传感测量装置组合，使得系统结构比较复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于布里渊散射光时域反射的分布式光纤传感测量系统及测量方法，本系统的2个不同的激光器产生双波长入射光，由它们的布里渊散射谱得到两组不同的布里渊频移，再利用不同入射光波长其布里渊频移的温度和应变系数不相同的机制，在同一个分布式光纤传感测量系统中实现温度和应变的同时测量。当光在光纤中传播时，由于入射光子与一个声子相互作用产生频率上移的布里渊反斯托克斯光子和频率下移的布里渊斯托克斯光子，这一布里渊频移可以表示成
vB=2nVA/入 p⑴其中vB是布里渊频移，n是纤芯的折射率，Va是纤芯中的声速，\ p是入射光的波长。在相同的温度和应变下，布里渊频移与入射光波长的成线性反比关系，比例系数约为
7.2MHz/nm，普通单模光纤对1550nm波段的自发布里渊散射谱宽为35_60MHz，当两入射光的波长差大于15nm，两束入射光的自发布里渊散射谱不发生重叠。对于普通单模光纤，布里渊频移与传感光纤所处环境的温度和应变成直线关系，并且不同光波长的布里渊频移的温度系数和应变系数不一样，不同光波长的布里渊频移的温度系数和应变系数经由实验标定。双波长的入射光的波长分别为X I和X 2，则有
权利要求
1.基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统，包括激光器，传感光纤，3dB稱合器，平衡探测器和数据采集处理单元，传感光纤分布于待测区域；所述传感光纤为普通单模光纤；其特征在于 所述激光器为2个输出波长差大于15nm的连续激光的窄线宽激光器或者为一个输出波长差大于15nm的2束连续激光的双波长激光器；2束连续激光波长分别为X工和X 2，作为入射光接入合波器(3)，之后进入耦合器(4)分成2路，一路作为探测光，另一路作为本振光；探测光进入脉冲信号发生器(13)连接的电光调制器(6);电光调制器(6)输出的探测光脉冲经环形器(7 )进入传感光纤(8 )，自发布里渊散射光经环形器(7 )接入3dB耦合器(9);耦合器(4)分出的本振光也接入3dB耦合器(9)，3dB耦合器(9)的输出接到平衡探测器(10)，平衡探测器(10)输出的差频电信号接入数据采集处理单元(11);脉冲信号发生器(13)也连接数据采集处理单元(11);数据采集处理单元(11)存储有布里渊散射频谱的扫频测量程序，曲线拟合程序，波长、!的入射光对应的布里渊频移的温度系数Cait和布里渊频移应变系数Caie，波长X2的入射光对应的布里渊频移应变系数Ca2e和布里渊频移温度系数CA2T，根据双波长X工和X 2的布里渊频移A vB1和A vB2计算温度改变量A T和应变的改变量A e的公式
2.根据权利要求I所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统，其特征在于 所述耦合器(4)分出探测光先经过偏振控制器(5)再接入电光调制器(6)。
3.根据权利要求I所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统，其特征在于 所述本振光经扰偏器(12 )再接入3dB耦合器(9 )。
4.根据权利要求I所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统，其特征在于 所述电光调制器(6)的消光比大于35dB。
5.根据权利要求I所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统，其特征在于 所述电光调制器(6 )之后连接掺铒光纤放大器(14 )，再接入环形器(7 )。
6.根据权利要求I所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统，其特征在于 所述耦合器(4 )分出的本振光经本振电光调制器(16 )后接入3dB耦合器(9 )，微波信号源(17)连接控制本振电光调制器(16)，本振光在本振电光调制器(16)的移频量比传感光纤(8)的布里渊频移小IGHz ;平衡探测器(10)输出的差频电信号接入频谱分析仪(15);脉冲信号发生器(13)也连接频谱分析仪(15)，频谱分析仪(15)连接数据采集处理单元(11)。
7.根据权利要求6所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统,其特征在于 所述耦合器⑷分出的本振光经本振偏振控制器(18)后接入本振电光调制器(16)。
8.根据权利要求I所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统的测量方法；其特征在于 所述激光器输出的2束连续激光波长分别为^和X2，作为入射光接入合波器(3)合波，之后进入耦合器(4)分成2路，一路作为探测光，另一路作为本振光；探测光进入电光调制器(6)调制成探测光脉冲，电光调制器(6)连接脉冲信号发生器(13);探测光脉冲经环形器(7)进入传感光纤(8)，双波长探测脉冲在传感光纤(8)中发生自发布里渊散射，散射回的自发布里渊散射光相对于入射光各自发生了一个布里渊频移量，自发布里渊散射光经环形器(7)接入3dB耦合器(9);耦合器(4)分出的本振光也接入3dB耦合器(9)，探测光的自发布里渊散射光与本振光在3dB耦合器(9)相干混频后耦合到平衡探测器(10)，平衡探测器(10)输出的差频电信号接入数据采集处理单元(11);脉冲信号发生器(13)也接入数据采集处理单元(11)，脉冲信号发生器(13)产生的电脉冲信号同步控制电光调制器(6)，并且该电脉冲信号同步触发数据采集处理单元(11);数据采集处理单元(11)对所接收的电信号进行布里渊散射频谱的扫频测量，扫频范围包含双波长X :和X2的布里渊散射增益带宽，扫频测量得到双波长^和入2沿传感光纤(8)不同点的布里渊散射频谱，并且由通过洛伦兹拟合所获得的双波长^和X2的布里渊散射频谱，得到沿传感光纤(8)不同点的双波长X工和X2的布里渊频移A Vbi和A vB2,由公式
9.根据权利要求8所述的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量方法；其特征在于所述耦合器(4)分出的本振光经本振电光调制器(16)后接入3dB耦合器(9)，微波信号源(17)连接控制本振电光调制器(16)，微波信号源(17)通过本振电光调制器(17)控制本振光的移频量，移频量比传感光纤(8)的布里渊频移小IGHz ;经过移频的本振光与来自传感光纤8的自发布里渊散射光被3dB耦合器(9)耦合到平衡探测器(10)进行外差混频探测，平衡探测器(10)输出的差频电信号接入频谱分析仪(15);脉冲信号发生器(13)也连接频谱分析仪(15)，频谱分析仪(15)连接数据采集处理单元(11); 频谱分析仪(15)在零跨度模式下采集平衡探测器(10)输出的差频电信号，获得该差频信号的时域自发布里渊散射曲线，调节微波信号源(17)的微波频率，对2个不同波长入射光的自发布里渊散射频谱进行扫频测量，将所测量得到的布里渊散射谱送入数据采集处理单元(11);数据采集处理单元(11)对布里渊散射谱进行洛伦兹曲线拟合得到双波长入!和、2沿传感光纤(8)不同点的布里渊频移A vB1和A vB20
全文摘要
本发明为基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法，本系统的激光器输出2束波长差大于15nm的连续激光，经合波器、耦合器分成探测光和本振光；探测光经脉冲信号发生器连接的电光调制器、环形器进入传感光纤，自发布里渊散射光经环形器接入3dB耦合器；本振光也接入此，其输出连接平衡探测器及存储有相关程序、公式的数据采集处理单元。本测量方法为双波长探测光调制成探测光脉冲在传感光纤中发生自发布里渊散射，与本振光相干混频，数据采集处理单元对平衡探测器的差频电信号扫频测量，得到沿传感光纤不同点的布里渊散射频谱和布里渊频移，计算得到温度和应变的改变量。本发明实现温度和应变的同时测量，提高测量精度。
文档编号G01D21/02GK102798411SQ20121026415
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者阳丽, 王力虎 申请人:广西师范大学