专利名称：基于leaf光纤的botda温度和应变同时测量方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及光纤传感技术，特别涉及一种基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法。
背景技术：
在分布式布里渊传感中，有布里渊光时域反射计BOTDR和布里渊光时域反射技术BOTDA两种。在常规的温度和应变传感系统中，无论是BOTDR还是BOTDA均使用单模光纤作为传感介质，并通过分析布里渊散射增益谱，即布里渊信号的功率和布里渊频移(泵浦光脉冲的中心频率与布里渊散射中心频率的差)的变化得到温度和应变的信息。在分布式布里渊传感系统中，不同位置的传感信号在光路中的传输距离不同，信号有不同传输损耗，这极大影响了对布里渊散射信号功率的测量。另外光源自身功率不稳定，信道噪声等因素对布里渊散射信号功率的测量也造成了很大的影响。目前的布里渊分布式传感系统中，绝大部分的测量误差是由布里渊散射信号功率的测量误差引起的。为了提高对布里渊散射信号功率测量的精度，在测量系统中引入参考光的方法被提出。目前的技术条件下，通常采用瑞利散射光信号和反向斯托克斯光信号作为参考光，从而较为有效解决了光源不稳定和长距离传输等问题对信号功率的影响。但是，光功率探测器自身的噪声以及测量精度等因素引起的测量值涨落仍然是制约温度和应变测量精度以及传感系统分辨率和动态范围的主要因素。基于此，本发明提出了基于LEAF光纤布里渊增益谱具有多个增益峰的多峰测量方法。在这种方法中，摒弃了对布里渊散射信号绝对功率的测量，从而避免了光信号功率测量误差对测量结果的影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法，使温度和应变可以同时被测量，避免了光信号功率测量误差对测量结果的影响。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
本发明的工作原理为采用连续探测光和窄脉冲单频泵浦光在LEAF光纤中产生受激布里渊散射，将布里渊散射信号与本地的参考光信号进行差频检测后，得到LEAF光纤中受激布里渊散射信号的第一个和第二个增益峰的布里渊频移和线宽，通过数据拟合获得该测量空间上的温度和应变，改变测量时刻则可获得沿光纤的温度和应变分布。一种基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法，包括以下步骤
①波长连续光源信号通过光衰减器获得合适的信号强度，作为探测光信号；
②将窄线宽光信号通过耦合器分为第一路光信号和第二路光信号；
③第一路光信号通过偏振控制器后，采用电光强度调制进行调制，合理设置调制参数后得到频率移动近似等于布里渊频移的上移和下移的泵浦光脉冲； ④光滤波器选取频率上移的信号作为泵浦脉冲信号，并使泵浦脉冲信号通过偏振扰频器，这样可以减少泵浦光信号与探测光信号之间的偏振失配；
⑤将探测光信号和泵浦光信号从两端注入到LEAF光纤中，产生受激布里渊散射；
⑥第二路光信号作为本地参考光，与受激布里渊散射信号进行外差接收得到外差信号，从而得到布里渊频移信号的频谱；由外差信号并获得LEAF光纤中第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽，将第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽进行数据拟合，从而得到该空间位置上的温度和应变；
⑦改变测量时间得到沿光纤的温度和应变分布。与现有技术相比，本发明的有益效果是
提高了 BOTDA系统同时测量温度和应变的动态范围和分辨率，有效克服了光功率测量误差对测量结果的制约，在光纤分布式传感中有广阔的应用前景。
图1是本发明的连续探测光频谱；
图2是本发明探测光频谱、泵浦光频谱以及布里渊增益谱；
图3是本发明探测光和泵浦光相互作用后的频谱；
图4是本发明外差后的频谱；
图5是本发明的结构示意 附图标记为1为波长连续光源、2为光衰减器、3为LEAF光纤、4为光环形器、5为偏振扰频仪、6为电光强度调制器、7为偏振控制器、8为窄线宽光源、9为耦合器、10为光电探测器、11为电频谱仪。
具体实施例方式下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的描述。一种基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法，包括以下步骤①波长连续光源信号通过光衰减器获得合适的信号强度，作为探测光信号；②将窄线宽光信号通过率禹合器分为第一路光信号和第二路光信号；③第一路光信号通过偏振控制器后，米用电光强度调制进行调制，合理设置调制参数后得到频率移动近似等于布里渊频移的上移和下移的泵浦光脉冲光滤波器选取频率上移的信号作为泵浦脉冲信号，并使泵浦脉冲信号通过偏振扰频器，这样可以减少泵浦光信号与探测光信号之间的偏振失配；⑤将探测光信号和泵浦光信号从两端注入到LEAF光纤中，产生受激布里渊散射；⑥第二路光信号作为本地参考光，与受激布里渊散射信号进行外差接收得到外差信号，从而得到布里渊频移信号的频谱；由外差信号并获得LEAF光纤中第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽，将第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽进行数据拟合，从而得到该空间位置上的温度和应变；⑦改变测量时间得到沿光纤的温度和应变分布。
实施例波长范围为400nm-2400nm的波长连续光源经过光衰减器2后获得强度合适的探测光，其频谱如图1所示，并记其中心频率为顷率为IMHz左右的窄线宽光源，通过1:2耦合器10 —分为二。第一路光信号通过偏振控制器8后采用电光强度调制器7进行调制，设置参数使得调制器7输出频率为％ ±力，脉宽为IOns的脉冲光,其中Vs为布里渊频移。米用光滤波器对脉冲信号滤波后,仅输出频率为力+Vj的脉冲。之后脉冲信号进入偏振扰频仪6，使得脉冲信号的偏振状态得到连续
的改变，从而避免泵浦脉冲光信号与连续探测光信号的偏振失配。脉冲光信号经过光环形器4后进入LEAF光纤3中，在LEAF光纤3中泵浦脉冲光和连续探测光将相互作用产生受激布里渊散射，探测光频谱、泵浦光频谱以及受激布里渊散射增益谱如图2所示，探测光和泵浦光相互作用产生的受激布里渊散射的频谱如图3所示。之后受激布里渊散射信号经过环形器4与耦合器10中的第二路信号在光电探测器11中进行外差接收，外差后获得的外差信号频谱如图4所示。由图4所示外差信号可获得LEAF光纤中受激布里渊散射信号第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽，从而可以获得该空间位置上的温度和应变，改变测量时刻可获得沿光纤的温度和应变分布，需要说明的是本发明本例中受激布里渊频谱增益峰的线宽指的是峰值的半高全宽FWHM。在本实施例中，通过LEAF光纤中受激布里渊散射信号第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽获得该空间位置上的温度和应变需要一个标定的过程。受激布里渊散射谱与LAEF光纤所在空间位置上的温度和应变有如下关系
权利要求
1.一种基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤 ①波长连续光源信号通过光衰减器获得合适的信号强度，作为探测光信号； ②将窄线宽光信号通过耦合器分为第一路光信号和第二路光信号； ③第一路光信号通过偏振控制器后，采用电光强度调制进行调制，合理设置调制参数后得到频率移动近似等于布里渊频移的上移和下移的泵浦光脉冲； ④光滤波器选取频率上移的信号作为泵浦脉冲信号，并使泵浦脉冲信号通过偏振扰频器，这样可以减少泵浦光信号与探测光信号之间的偏振失配； ⑤将探测光信号和泵浦光信号从两端注入到LEAF光纤中，产生受激布里渊散射； ⑥第二路光信号作为本地参考光，与受激布里渊散射信号进行外差接收得到外差信号，从而得到布里渊频移信号的频谱；由外差信号并获得LEAF光纤中第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽，将第一个和第二个增益峰的布里渊频移及线宽进行数据拟合，从而得到该空间位置上的温度和应变； ⑦改变测量时间得到沿光纤的温度和应变分布。
2.根据权利要求1所述的基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法，其特征在于，所述受激布里渊散射谱与LAEF光纤所在空间位置上的温度和应变有如下关系
全文摘要
本发明公开了一种基于LEAF光纤的BOTDA温度和应变同时测量方法，针对现有温度和应变同时测量方法中无法精确测量光信号绝对功率从而无法提高测量精度的缺点，提出了利用LEAF光纤中受激布里渊增益谱具有多个增益峰的特性进行温度和应力的同时测量。利用连续探测光和窄线宽脉冲泵浦光在LEAF光纤中产生受激布里渊散射，通过测量布里渊散射信号第一个和第二个增益峰的布里渊频移和线宽，并用拟合算法对测得数据进行拟合，从而完成沿光纤温度和应力分布的测量。本发明不需要测量布里渊散射信号的绝对功率，有效提高了BOTDA系统的动态性能和空间分辨率，在分布式光纤传感系统中有广泛的应用前景。
文档编号G01B11/16GK103063325SQ201310015240
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者刘永, 袁飞, 杨帆, 洪向前, 唐琳峰, 张尚剑 申请人:电子科技大学