专利名称：随机码外调制的分布式光纤传感方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器，具体为一种随机码外调制的分布式光纤传感方法及装置。
背景技术：
分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器,它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。可用于对大型建筑物(如水坝、大楼)的应变、温度等信息进行传感探测，探测中所用的探测光纤是预先铺设在大型建筑物内的。这种传感器分为前向传输型和反射型。前向传输型是利用外界物理量的作用，使光纤两传输模之间发生能量耦合，特点是输出端对耦合模进行测量，其光频谱特性中的频率反映了耦合点发生的事件，如:温度、应变，幅值反映了该位置处被测量的大小。反射型是利用光纤在外部扰动作用下产生的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等效应产生的背向散射光的动态变化进行测量。其特点是在入射端采用光时域反射技术来进行散射光大小的测量和空间的定位。
前向传输型的光纤传感器采用的是从光纤的两侧分别注入连续光和脉冲光，这两路信号的光频率存在一定的差值，调节两者中任意一信号的光频率，当两者光频率差值与光纤中某处的布里渊或者是拉曼散射引起的频移量相等时就会出现非线性放大效应，脉冲的回波信号会携带该事件的响应信息。但该技术目前不足的地方是需要形成双向光路并且在传感光纤两端进行操作，导致该系统光学部件数目众多且结构复杂成本较高，在长距离检测的实际应用中有诸多不便，正逐步被反射型的光纤传感器所取代。
反射型的光纤传感器利用的是光时域反射技术，该技术中利用光纤本身的拉曼散射或布里渊散射信号来进行传感。将光纤一端输入探测光，探测光在光纤中发生拉曼散射和布里渊散射，拉曼散射光在频域可分为波长大于入射光的stokes光和波长小于入射光的反stokes光，stokes光的强度变化量只与该点的绝对温度有关与其他条件无关，因此可以利用这一特点来测量光纤中的温度变化。布里渊散射分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。自发布里渊散射是指在常温状态下光纤中的原子、分子或离子因自发热运动作连续弹性力学振动，形成了光纤中的自发声波场，沿光纤方向的声振动使得光纤的密度随时间和空间周期性变化，从而使得光纤上的折射率被周期调制。这种自发声波被看作是沿光纤运动着的光栅。当激光射入光纤中时，将会受到“光栅”的“衍射”作用，产生自发布里渊散射光。受激布里渊散射是指当进入光纤的入射光功率超过某一阈值时，光纤内产生的电致伸缩效应，使得沿光纤产生周期性形变或弹性振动，即光纤中产生了相干声波，该声波沿其传播方向使光纤折射率被周期性调制，从而形成了一个以该声速运动的折射率光栅，使入射光产生散射，散射光频率下移，当满足波场相位匹配时，声波场得到极大增强，从而使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强大于它们各自的损耗，将出现声波场和散射光场的相干放大，从而导致大部分入射光被转化为后向散射光，产生受激布里渊散射(SBS)过程。发生布里渊散射的光会产生频移和功率的变化，频移量和功率变化量与光纤内部的温度及应变分布存在着确定的关系，通过测量光纤上每个事件点的布里渊散射的频移量及功率的变化量，就可求出光纤中的温度与应变的分布信息，反映在宏观上就是能够获知光纤所探测的建筑物的温度和应变分布的信息。
现有的分布式光时域反射光纤传感技术所使用的激光光源大部分为脉冲式激光，对于脉冲式激光，一方面接收端响应精度要求高，信号捕获困难；另一方面定位精度与脉宽成反比，如果为了提高精度而压窄脉宽会造成散射能量不足进而影响温度和应变测量的精度，造成定位精度与温度和应变测量精度之间的矛盾。目前基于脉冲式激光的分布式光时域反射光纤传感系统其测量精度均在I米以上，难以满足高分辨率的要求。另外，传统提取频移量和功率变化量信息的方法是光外差，即将在光纤内发生背向布里渊散射的激光采用光外差法获取频移量及功率变化量，因光偏振态对光外差影响很大，还需采用一些调节困难的偏振维持器件，如保偏光纤、各种波片等来提高温度和应变的探测精度，使得整个装置结构复杂，操作也较繁琐。
少数采用连续光作为光源的反射式分布传感系统，如B0CDR，是对激光器直接进行内调制，通过控制调制参数实现定位的光纤散射谱测量。该技术可以实现厘米量级的高分辨率，但是，所能测量的光纤长度距离较短(目前技术不超过500米)，难以实现长距离的高精度分布式传感测量。发明内容
本发明为解决目前分布式光纤传感器存在的定位精度与温度和应变测量精度之间矛盾且结构较为复杂的技术问题，提供一种随机码外调制的分布式光纤传感方法及装置。
本发明所述的随机码外调制的分布式光纤传感方法是采用以下技术方案实现的:一种随机码外调制的分布式光纤传感方法，包括以下步骤:(a)将一束连续型激光经随机码信号外调制后分为两路光，一路作为参考光，另一路作为探测光；(b)将探测光输入至探测光纤，对在探测光纤中发生后向布里渊散射的激光进行滤波；(c)将滤波后的不同波长的探测光逐一转换为相应的电信号，并将参考光也转换为相应的电信号；(d)将两路光的电信号采用互相关法进行处理，得到探测光纤内的后向布里渊散射光的频移量、功率变化量与位置的关系信息，再对该信息进行分析，获得探测光纤内温度与位置以及应变与位置的关系信息。其中，布里渊散射光的频移量由可调谐光滤波器所设置的中心频率标定，其功率变化量由互相关信号的峰值大小来标定，而其位置信息则由互相关信号的时间延迟量标定。
本发明所述的随机码外调制的分布式光纤传感装置是采用以下技术方案实现的:一种随机码外调制的分布式光纤传感装置，包括激光发射装置以及位于激光发射装置出射光路上的具有两个出射端的光分流装置；光分流装置的第一出射端连接有环行器；所述光分流装置的第一出射端与环行器的输入端口相连接，环行器的输出端口通过光纤顺次连接有光放大器、可调谐光滤波器和第二光电探测器；光分流装置的第二出射端通过光纤连接有第一光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端均连接同一个信号处理系统；信号处理系统连接有显示装置。激光发射装置发出的随机光信号码由光分流装置分为探测光和参考光两路，其中探测光经由环行器入射到传感探测光纤，并在传感探测光纤中产生布里渊散射信号，该布里渊散射信号的频率和强度携带了传感探测光纤的温度和应变信息。通过设置可调谐光滤波器的中心频率将不同功率和频移量的布里渊散射信号转换为电信号，并将此电信号与参考光转换的电信号在信号处理系统中进行互相关处理，标定布里渊散射光的频移量、功率变化量与位置的关系信息，获得不同位置的布里渊增益谱，并由显示装置将传感探测光纤内温度以及应变与位置的关系显示。所述互相关法为本领域技术人员的常用方法；信号处理系统在相应软件的支持下采用互相关法对采集到的信号进行处理，所述软件是本领域技术人员容易编写的。
进一步的，所述激光发射装置包括激光器和顺次位于激光器出射光路上的偏振控制器和电光调制模块；还包括随机码源；所述随机码源的电压输出端与电光调制模块的电压信号输入端相连接；电光调制模块的出射端通过光纤与光分流装置的输入端相连接；激光器采用线宽小于或等于IOOkHz的C波段窄线宽可调谐激光器或窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。此激光器输出的连续光经过加载了随机码调制的电光调制器后，成为强度起伏的随机光信号码。
本发明所用随机码源调制后的激光信号，其强度随机起伏，具有带宽高、相关性好的特点，作为定位信息测量精度高、抗干扰能力强、动态范围大，是理想的距离测量信号。本发明技术方法克服了传统脉冲式传感技术存在的定位高精度与温度和应变高精度测量之间的矛盾，同时实现定位高精度与温度和应变测量高精度。激光的高相干性可以有效的降低实现布里渊散射的功率，经过大量的实验我们发现采用激光线宽小于或等于IOOkHz的激光时，可有效的降低实现光纤传感所需的最小功率，相比于现有的BOCDR内调制光谱展宽扫频方法，本发明可大大提高传感光纤距离。本发明所述方法采用互相关法来提取测量信息，避免了光外差法需要引入操作较为复杂的偏振保持器件，造成系统复杂的同时增加成本的问题；用于探测光信号提取的装置仅为可调谐光滤波器和光电探测器，硬件构成简单操作简洁，有效降低了设备成本。
图1是本发明的结构示意图。
1-激光器，2-随机码源，3-偏振控制器，4-电光调制模块，5-光分流装置，6_环行器，7-探测光纤，8-可调谐光滤波器，9-第一光电探测器，10-第二光电探测器，11-信号处理系统，12-显示装置，13-光放大器。
具体实施方式
一种随机码外调制的分布式光纤传感方法，包括以下步骤:(a)将一束连续型激光经随机码信号外调制后分为两路光，一路作为参考光，另一路作为探测光；(b)将探测光输入至探测光纤，对在探测光纤中发生后向布里渊散射的激光进行滤波；(C)将滤波后的不同波长的探测光逐一转换为相应的电信号，并将参考光也转换为相应的电信号；(d)将两路光的电信号采用互相关法进行处理，得到探测光纤内的后向布里渊散射光的频移量、功率变化量与位置的关系信息，再对该信息进行分析，获得探测光纤内温度与位置以及应变与位置的关系信息。
一种随机码外调制的分布式光纤传感装置，包括激光发射装置以及位于激光发射装置出射光路上的具有两个出射端的光分流装置5 ;光分流装置5的第一出射端连接有环行器6 ;所述光分流装置5的第一出射端与环行器6的输入端口相连接，环行器6的输出端口通过光纤顺次连接有光放大器13、可调谐光滤波器8和第二光电探测器10 ;光分流装置5的第二出射端通过光纤连接有第一光电探测器9 ;第一光电探测器9和第二光电探测器10的输出端均连接同一个信号处理系统11 ;信号处理系统11连接有显示装置12。
所述激光发射装置包括激光器I和顺次位于激光器I出射光路上的偏振控制器3和电光调制模块4 ;还包括随机码源2 ;所述随机码源2的电压输出端与电光调制模块4的电压信号输入端相连接；电光调制模块4的出射端通过光纤与光分流装置5的输入端相连接；激光器I采用线宽小于或等于IOOkHz的C波段窄线宽可调谐激光器或窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。
如图1所示，激光发射装置发出的强度经随机码信号调制的激光束入射到光分流装置5的左侧入射端口 ；光分流装置5的右侧第一出射端连接环行器6的左侧输入端口，环行器6的右侧反射端口连接传感探测光纤7，所用传感探测光纤7为普通单模光纤G652系列，长度为IOkm-1OOkm ;环行器6的下方输出端口通过光纤顺次连接光放大器13、可调谐光滤波器8和第二光电探测器10。光分流装置5的右侧第二出射端通过光纤连接第一光电探测器9。第一光电探测器9和第二光电探测器10的输出端分别到连接信号处理系统11的右侧上、下输入端口。信号处理系统11左侧输出端口连接显示装置12。信号处理系统11对接收到的两路电信号采用互相关法进行处理，得到探测光纤内的布里渊散射光的频移量、功率变化量与位置的关系信息，再对该信息进行分析，获得探测光纤内温度与位置以及应变与位置的关系信息，并通过显示装置12显示出来。
权利要求
1.一种随机码外调制的分布式光纤传感方法，其特征在于，包括以下步骤:(a)将一束连续型激光经随机码信号外调制后分为两路光，一路作为参考光，另一路作为探测光；(b)将探测光输入至探测光纤，对在探测光纤中发生后向布里渊散射的激光进行滤波；(C)将滤波后的不同波长的探测光逐一转换为相应的电信号，并将参考光也转换为相应的电信号；(d)将两路光的电信号采用互相关法进行处理，得到探测光纤内的后向布里渊散射光的频移量、功率变化量与位置的关系信息，再对该信息进行分析，获得探测光纤内温度与位置以及应变与位置的关系信息。
2.一种随机码外调制的分布式光纤传感装置，用于实现如权利要求1所述的随机码外调制的分布式光纤传感方法，其特征在于包括激光发射装置以及位于激光发射装置出射光路上的具有两个出射端的光分流装置(5);光分流装置(5)的第一出射端连接有环行器(6);所述光分流装置(5)的第一出射端与环行器(6)的输入端口相连接，环行器(6)的反射端口连接有传感探测光纤(7);环行器(6)的输出端口通过光纤顺次连接有光放大器(13)、可调谐光滤波器(8)和第二光电探测器(10);光分流装置(5)的第二出射端通过光纤连接有第一光电探测器(9);第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的输出端均连接同一个信号处理系统(11);信号处理系统(11)连接有显示装置(12)。
3.如权利要求2所述的随机码外调制的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述激光发射装置包括激光器(I)以及顺次位于激光器(I)出射光路上的偏振控制器(3)和电光调制模块(4);还包括随机码源(2);所述随机码源(2)的电压输出端与电光调制模块(4)的电压信号输入端相连接；电光调制模块(4)的出射端通过光纤与光分流装置(5)的输入端相连接；激光器(I)采用线宽小于或等于IOOkHz的C波段窄线宽可调谐激光器或窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。
全文摘要
一种随机码外调制的分布式光纤传感方法，包括以下步骤将一束线宽小于或等于100kHz的连续激光经外调制为随机码激光后分为两路光，一路作为参考光，另一路作为探测光入射到传感光纤；将传感光纤后向散射的布里渊散射光与参考光转换为电信号后采用互相关法进行处理，得到包含待测光纤内的温度变化和应力分布的信息。一种随机码外调制的分布式光纤传感装置，包括激光发射装置以及位于激光发射装置出射光路上的光分流装置、探测光纤装置、光电转换装置和信号采集处理显示装置。本发明解决了目前分布式光纤传感器存在的定位精度与温度、应变测量精度之间矛盾，可实现长距离、高分辨率的温度与应变测量。
文档编号G01D21/02GK103148895SQ20131005581
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月22日 优先权日2013年2月22日
发明者张明江, 王文杰, 王云才, 王安帮, 王龙, 张超 申请人:太原理工大学