基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种基于光频域反射的分布 式应变温度同时测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 高精度高空间分辨率的分布式应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域 中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利 用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式温度应 变传感。但在实际应用中温度、应变同时变化，其都会引起瑞利散射光谱移动，即交叉敏感 问题。需要采用新的方法克服交叉敏感问题。
【发明内容】
[0003] 基于上述现有技术和存在的问题，本发明提出了一种光频域反射中消除温度应变 传感交叉敏感系统，基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变温度测 量，采用两种不同直径包层的光纤并列在一起为传感光纤，由于同直径包层的光纤温度、应 变系数不同，利用矩阵运算可以得到在温度应变同时变化的温度和应变值，实现了消除光 频域反射中温度应变传感交叉敏感的效果。
[0004] 本发明提出了一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置，该装置包括 可调谐激光器、1:99光分束器、主干涉仪系统、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、采集 装置和计算机处理单元;其中：
[0005] 所述可调谐激光器，用于为装置提供光源，实现线性扫描；
[0006] 所述1:99光分束器，将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进 入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助干涉仪的光 相位监测系统和主干涉仪系统；
[0007] 所述基于辅助干涉仪的光源相位监测系统，用于实时采集输出光的相位信息，其 结构包括隔离器、50:50耦合器、第一、第二法拉第旋转镜、延迟光纤和探测器，其中：隔离 器，用于防止来自50: 50耦合器的反射光进入可调谐激光器;50: 50耦合器，用于光干涉;光 通过隔离器后进入50:50耦合器的端口二，从50:50耦合器的端口三、四出射，分别被基于辅 助干涉仪的光源相位监测系统的两臂的第一、第二法拉第旋转镜反射，并返回到50:50耦合 器的端口三、四，两束光在50: 50耦合器中发生干涉，干涉光从与50: 50耦合器的端口一出 射，出射光由探测器采集；
[0008] 所述主干涉仪系统（33)，采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射，其结 构包括两个马赫曾德尔干涉仪，分别用于测量一种传感光纤中背向瑞利散射，利用分束器 分开，其中：每个马赫曾德尔干涉仪分别包括环行器、50:50分束器、50:50親合器、偏振控制 器、传感光纤和第一、第二偏振分束器以及第一、第二平衡探测器;所述采集装置将两个马 赫曾德尔干涉仪中第一、第二平衡探测器、第一、第二偏振分束器输出模拟电信号转换数字 信号传送到计算机处理单元;所述计算机处理单元，对采集的干涉信号进行数据处理，得到 应变测量结果;其中，马赫曾德尔干涉仪的结构包括:光从50:50分束器的端口 一进入，经过 50:50分束器的端口二进入设置于参考臂的偏振控制器，经过50:50分束器的端口三进入设 置于测试臂的环行器的端口一，从环行器的端口三进入作为待测光纤的传感光纤，而传感 光纤的背向瑞利散射光从环行器的端口三进入，从环行器的端口二出射;参考臂上的参考 光与测试臂上传感光纤的背向瑞利散射光通过50:50耦合器的端口一、二进入该耦合器进 行合束，形成拍频干涉，并从50: 50耦合器的端口三、四出射；出射光信号分别接入第一、第 二偏振分束器的c端，第一、第二偏振分束器的s端接入第一平衡探测器，第一、第二偏振分 束器的P端接入第二平衡探测器；
[0009]所述传感光纤采用两种不同包层直径的两种光纤构成，并且产生瑞利散射光谱频 移，当实际测量中温度、应变同时变化时，温度变化A T和应变变化△ ε，依据下面关系得到：
[0011 ]其中，传感光纤的温度传感系数Κη和ΚΤ2，应变传感系数Ks^KS2，第一、第二传感光 纤的瑞利散射光谱频移分别为A fi和A f2。
[0012]本发明还提出了一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量方法，该方法包 括以下步骤：
[0013] 步骤1、将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进入，并以1:99的 比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助KS1KT2-KT1K S2矣0干涉仪的光 相位监测系统和主干涉仪系统；
[0014] 步骤2、利用基于辅助干涉仪的光源相位监测系统实时采集输出光相位信息；
[0015] 步骤(3)、利用主干涉仪系统采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射其 中，作为待测光纤的传感光纤采用两种不同包层直径的光纤构成，主干涉仪系统测量到两 种传感光纤中背向瑞利散射信号传送给计算机，利用计算机对其进行互相关等数据处理， 得到背向瑞利散射光谱频移。
[0016] 利用计算机解调出的第一、第二传感光纤的瑞利散射光谱频移，分别在不同温度 和应变下对两种不同包层直径的单模光纤进行标定，得到瑞利散射光谱频移在不同温度的 标定曲线和瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线；
[0017] 利用瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线得到两种光纤的温度传感系数KT1 和KT2，利用瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线得到应变传感系数KS1和KS2;
[0018] 当实际测量中温度、应变同时变化时，利用基于光频域反射的分布式应变温度同 时测量装置解调出传感光纤瑞利散射光谱频移为A fi和A ，则对应的温度变化为△ T，应 变变化为Α ε，利用下面关系得到：
[0020] 步骤4、对采集的干涉信号进行数据处理，得到应变测量结果。
[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022] 本发明提供的采用不同包层直径的光纤即标准光纤和细径光纤实现了温度应变 参量的同时测量，构成所述传感光纤的两种光纤不限于标准光纤和细径光纤，凡满足两种 光纤的温度传感系数Κτι和KT2及应变传感系数KsdPKS2存在关系式:KS1K T2-KT1KS2矣0，即可实 现温度变化和应变变化参量的同时测量。
【附图说明】
[0023]图1是一种基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动应变温度同时传感系统的结 构示意图；
[0024] 附图标记如下：
[0025] 1、可调谐激光器； 2、探测器；
[0026] 3、第一 50:50分束器； 4、1:99光分束器；
[0027] 5、第二50:50耦合器； 6、时钟整形电路模块；
[0028] 7、延迟光纤； 8、第一法拉第旋转镜；
[0029] 9、第二法拉第旋转镜； 10、隔离器；
[0030] 11、计算机； 12、偏振控制器；
[0031] 13、第一环形器； 14、第三50:50耦合器；
[0032] 15、第一传感光纤； 16、第一偏振分束器；
[0033] 17、第二偏振分束器； 18、第一平衡探测器；
[0034] 19、第二平衡探测器； 20、采集装置；
[0035] 21、第一分束器 221、第一参考臂
[0036] 231、第一测试臂 24、第二50:50分束器
[0037] 25、第二环形器 222、第二参考臂
[0038] 232、第二测试臂 26、偏振控制器；
[0039] 27、第四50:50耦合器； 28、第三偏振分束器；
[0040] 29、第四偏振分束器； 30、第三平衡探测器；
[0041] 31、第四平衡探测器； 32、第二传感光纤
[0042] 33、主干涉仪系统
[0043] 34、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统
【具体实施方式】
[0044]以下结合附图及【具体实施方式】，进一步详述本发明的技术方案。
[0045] 如图1所示，本发明的光频域反射中消除温度应变传感交叉敏感系统包括:可调谐 激光器1、1:99光分束器4、主干涉仪系统33、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34和计算 机处理单元11;其中：
[0046] 可调谐激光器1，用于为系统提供光源，光频能够实现线性扫描；1:99光分束器4: 可调谐激光器1的出射光由所述1:99光分束器4的4a端口进入，并以1:99的比例分别从所述 1:99光分束器4的4b端口和4c端口分配到基于辅助干涉仪的光相位监测系统34和主干涉仪 系统33;
[0047] 基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34,用于采集实时的光源输出光相位信息， 其结构包括隔离器10、第二50:50耦合器5、第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9、延迟 光纤7和探测器2;
[0048]隔离器10,用于防止第二50:50耦合器5的4b端口的反射光进入可调谐激光器1;第 二50:50耦合器5，用于光干涉;光从第二50:50耦合器5的5b端口进入，从第二50:50耦合器5 的5c端口和5d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34的两臂的第一法拉 第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9反射，并返回到第二50:50耦合器5的5c端口和5d端口，两 束光在50:50耦合器5中发生干涉，从第二50:50耦合器5的5a端口输出；
[0049] 第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9基于辅助干涉仪的光源相位监测系统 34提供反射，并且能够消除偏振衰落现象；
[0050] 延迟光纤7,用于实现非等臂的拍频干涉；
[00511 探测器2，用于采集第二50:50耦合器5a端口的出射光；
[0052]主干涉仪系统33包括两个马赫曾德尔干涉仪，利用第一分束器21分开，其中一个 即第一马赫曾德尔干涉仪为第一环行器13、第一50: 50分束器3，第三50: 50親合器14、偏振 控制器12、第一传感光纤15和第一、第二偏振分束器16和17以及第一、第二平衡探测器18和 19;另一个即马赫曾德尔干涉仪包含第二环行器25、第二分束器24，第四50:50耦合器27、偏 振控制器26、第二传感光纤32和第三、第四偏振分束器28和29以及第三、第四平衡探测器30 和31;采集装置20将两个马赫曾德尔干涉仪中第一、第二平衡探测器18、19、第一、第二偏振 分束器28和29输出模拟电信号转换数字信号传送到计算机处理单元11。
[0053]第一马赫曾德尔干涉仪中第一50: 50分束器3作用是干涉仪分束，光从第一50: 50 分束器3的3a端口进入，经过第一50: 50分束器3的3b端口进入干涉仪参考臂22的偏振控制 器12,经过第一 50:50分束器3的3c端口进入干涉仪测试臂23的第一环行器13的1