CN102721484B - 一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，包括第一探测光源，第二探测光源，第一泵浦光源，第二泵浦光源，第一光开关模块，第二光开关模块，第一耦合器，第二耦合器，频率测量模块，探测光输出及信号处理模块，泵浦光输出模块和传感光纤模块。通过第一光开关模块和第二光开关模块选择第一探测光源和第一泵浦光源或者第二探测光源和第二泵浦光源作为布里渊光时域分析仪的光源，进而实现单一种类的传感光纤的应变和温度同时测量的装置，解决了布里渊分布式光纤传感中温度和应变交叉敏感效应的问题，该装置结构简单，成本低，对传感光纤的规格没有特殊要求，适用范围广，尤其是适合已建工程的分布式在线监测应用。

Description

一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置

技术领域

本发明涉及一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，尤其是涉及一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置。

背景技术

分布式光纤传感器在电力、桥梁、大坝、石化等重要基础设施的安全监测中有重要应用。与基于拉曼散射的分布式光纤传感器相比，基于布里渊散射的分布式光纤传感器的测量距离更长、测量精度更高，并且实现温度和应力测量，因此该产品自问世以来备受人们关注。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器有两种类型：布里渊光时域反射技术（BrillouinOpitcal Time Domain Reflection，BOTDR）和布里渊光时域分析技术（Brillouin OpticalTime Domain Analysis，BOTDA）。其中BOTDR为单端测量，结构简单，但其探测的是微弱的自发布里渊散射光，难以实现长距离、高精度测量；BOTDA则为双端测量，探测的是较强的受激布里渊散射光，其测量距离与精度优于BOTDR，是目前最具应用前景的光纤传感器。典型的BOTDA的***结构如图1所示，包括探测光源，泵浦光源，耦合器1，耦合器2，耦合器3，外调制器，扰偏器，环形器，频率测量模块，信号探测模块，传感光纤。其中探测光源和泵浦光源的波长非常接近，其典型的频率差约为9~16GHz，探测光源和泵浦光源分别经耦合器1、耦合器2分出部分光后进入耦合器3，并由频率测量模块实现探测光源和泵浦光源的频率差的测量，外调制器一般采用电光调制器，用于产生脉冲光信号，扰偏器用于消除偏振的影响，脉冲光和泵浦光相对向入射至传感光纤，布里渊散射信号经环形器后由信号探测模块测量。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器是利用光纤布里渊背向散射效应研制的。光纤中的布里渊散射效应是注入光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合作用而产生的一种非线性光散射现象，其中布里渊频移v_B与波长λ、声速v_A和折射率n与的关系式为：

$v_B=\frac{2n{v}_A}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速v_A和光的折射率n都会随之变化，从而使布里渊频移v_B发生变化。布里渊频移变化量与环境温度、光纤应变成线性关系：

Δv_B=C_εΔε+C_TΔT        （2）

式中Δv_B为布里渊频移变化量，Δε为光纤轴向应变，ΔT为光纤温度，C_ε和C_T分别为布里渊散射频移的应变和温度系数。布里渊散射频移的应变和温度系数C_ε和C_T除了与光纤结构有关，还与激光波长有关，并且激光波长差异越大，则布里渊散射频移的应变和温度系数差异越大。

由于布里渊频移对温度和应变同时敏感，在健康状态监测等实际应用过程中需解决该交叉敏感效应，对此人们提出不少解决方案。如，Bao X等人采用保偏光纤、光子晶体光纤、大有效面积光纤等特殊光纤作为测量光纤，利用多个布里渊频移峰来分离温度和应变值（"Simultaneous strain and temperature measurements with polarization-maintainingfibers and their error analysis by use of a distributed Brillouin loss system,"Optics letters,29(12):1342-1344,2004），但由于特殊光纤大都价格昂贵、可获得性差，长距离测量成本过高。又如，申请号为201010229960.7的发明专利公开了一种利用并列设置的至少两根布里渊频移温度系数和应力系数不同的测量光纤，并通过光开关切换方式来实现两根光纤的布里渊频移变化量的测量，通过联立方程组解决布里渊频移对温度和应变的交叉敏感效应，但需要提前敷设两种类型的单模光纤。

针对长距离高压电力电缆、海底光电复合缆等监测应用，尤其是已建大型工程项目，一般仅敷设了一种单模光纤（例如G652），如何利用单一种类的单模光纤实现温度和应变的分离，是大规模应用推广基于布里渊散射的分布式光纤传感器的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用单一种类的单模光纤实现温度和应变同时测量的分布式光纤传感装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，包括第一探测光源，第一泵浦光源，第一耦合器，第二耦合器，频率测量模块，探测光输出及信号处理模块，泵浦光输出模块，传感光纤模块，还包括第二探测光源，第二泵浦光源，第一光开关模块和第二光开关模块，所述的第一探测光源和第二探测光源分别与第一光开关模块的两个光信号输入端连接，所述的第一泵浦光源和第二泵浦光源分别与第二光开关模块的两个光信号输入端连接，所述的第一光开关模块的光信号输出端与第一耦合器的输入端连接，所述的第二光开关模块的光信号输出端与第二耦合器的输入端连接，所述的频率测量模块分别与第一耦合器和第二耦合器的一个输出端连接，所述的第一耦合器和第二耦合器的另一个输出端分别与所述的探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块的输入端连接，所述的探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块的输出端分别与传感光纤模块的两端连接。

所述的第一探测光源和第一泵浦光源与第二探测光源和第二泵浦光源具有不同的波长范围，并且波长间隔不小于190nm。更进一步，第一探测光源和第一泵浦光源若选用（1550±30）nm范围的激光光源，第二探测光源和第二泵浦光源则需选用（1310±20）nm范围的激光光源或者（1064±20）nm范围的激光光源。

所述的第一光开关模块和第二光开关模块可以选择第一探测光源和第一泵浦光源或者第二探测光源和第二泵浦光源作为布里渊光时域分析仪的光源。

布里渊光时域分析仪需要探测光源和泵浦光源相向入射到传感光纤上，本技术方案中利用第一探测光源和第一泵浦光源组成一对布里渊光时域分析仪光源，利用第二探测光源和第二泵浦光源组成另一对布里渊时域分析仪光源，其它器件如频率测量模块、探测光输出及信号处理模块、泵浦光输出模块、耦合器等核心光电模块则共用，通过第一光开关和第二光开关模块的切换，以较低的成本实现了两套激光波长不同的布里渊光时域分析仪，此时可以获得两组传感光纤的布里渊频移变化量分布Δv_B1(z)和Δv_B2(z)。由于第一探测光源和第一泵浦光源与第二探测光源和第二泵浦光源的激光波长有较大差异，他们的布里渊散射频移的应变系数C_ε1、C_ε2和温度系数C_T1、C_T2不同，此时联立方程组可以获得传感光纤沿线各处的应变值Δε(z)和温度值ΔT(z)：

$\mathrm{\Δ\ϵ}\left(z\right)=\frac{C_{T2}\mathrm{\Δ}{v}_{B1}\left(z\right)-C_{T1}\mathrm{\Δ}{v}_{B2}\left(z\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}1}{C}_{T2}-C_{\mathrm{\ϵ}2}{C}_{T1}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔT}\left(z\right)=\frac{C_{\mathrm{\ϵ}2}\mathrm{\Δ}{v}_{B1}\left(z\right)-C_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ}{v}_{B2}\left(z\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}2}{C}_{T1}-C_{\mathrm{\ϵ}1}{C}_{T2}}---\left(4\right)$

本发明的有益效果：（1）提供了一种利用单一种类的传感光纤实现应变和温度同时测量的装置，解决了布里渊分布式光纤传感中温度和应变交叉敏感效应的问题；（2）该装置共用了频率测量模块、探测光输出及信号处理模块、泵浦光输出模块、耦合器等核心光电模块，仅增加了一对光源，结构简单，成本低；（3）该装置对传感光纤的规格没有特殊要求，适用范围广，尤其是适合已建工程的分布式在线监测应用。

附图说明

图1为典型的布里渊光时域分析仪的结构示意图；

图2为本发明一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1探测光输出及信号处理模块的结构示意图；

图4为本发明实施例1激光波长1550nm时布里渊频移与光纤应变和温度的关系；

图5为本发明实施例1激光波长1310nm时布里渊频移与光纤应变和温度的关系。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图2及图3所示，一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，包括第一探测光源1，第二探测光源2，第一泵浦光源3，第二泵浦光源4，第一光开关模块5，第二光开关模块6，第一耦合器7，第二耦合器8，频率测量模块9，探测光输出及信号处理模块10，泵浦光输出模块11和传感光纤模块12。第一探测光源1、第二探测光源2、第一泵浦光源3以及第二泵浦光源4均为窄线宽激光光源，其典型线宽小于1MHz；其中第一探测光源1和第一泵浦光源3组成一对布里渊光时域分析仪光源，选用通信上最常用的激光波长，波长选用范围为（1550±30）nm，具体而言，本实施例中第一探测光源1选用1550.12nm的窄线宽激光器，第一泵浦光源3选用1550.04nm的窄线宽激光器，通过温度或者压电陶瓷PZT调谐或者频移器件使得第一探测光源1和第一泵浦光源3的频率差覆盖光纤的布里渊频谱（约9~13GHz1550nm）；而第二探测光源2和第二泵浦光源4组成另一对布里渊光时域分析仪光源，其波长范围与第一对布里渊光时域分析仪光源波长有一定距离，本实施例中波长选用范围为（1310±20）nm，具体而言，第二探测光源2选用1310.07nm的Nd：YLF激光器，第二泵浦光源4选用1310.00nm的Nd：YLF激光器，通过温度或者压电陶瓷PZT调谐或者频移器件使得第二探测光源2和第二泵浦光源4的频率差覆盖光纤的布里渊频谱（约11~15GHz1310nm）。第一光开关模块5和第二光开关模块6均为2×1光开关，第一探测光源1和第二探测光源2分别与第一光开关模块5的光信号输入端51、52连接，第一泵浦光源3和第二泵浦光源4分别与第二光开关模块6的光信号输入端61、62连接，通过电路控制可以选择第一探测光源1和第一泵浦光源3或者第二探测光源2和第二泵浦光源4作为布里渊光时域分析仪的光源；第一光开关模块5的光信号输出端53与第一耦合器7的输入端连接，第二光开关模块6的光信号输出端63与第二耦合器8的输入端连接；频率测量模块9分别与第一耦合器7和第二耦合器8的一个输出端连接，用于测量探测光源和泵浦光源的频率差；第一耦合器7和第二耦合器8的另一个输出端分别与探测光输出及信号处理模块10和泵浦光输出模块11的输入端连接，其中探测光输出及信号处理模块10用于产生脉冲信号以及背向散射信号接收，本实施中探测光输出及信号处理模块10中包括脉冲调制器101、环形器102以及高速信号探测器103，如图3所示。如果测量距离比较长，探测光输出及信号处理模块10中还可以增加光放大器或者扰偏器，以提高探测光输出功率以及增加偏振均匀性。泵浦光输出模块11主要是对泵浦光进行处理以及输出，通常包括扰偏器、光衰减器等器件。探测光输出及信号处理模块10和泵浦光输出模块11的输出端分别与传感光纤模块12的两端连接，本实施中传感光纤模块12为Coring公司的单模28e+光纤。

由第一探测光源1和第一泵浦光源3以及第二探测光源2和第二泵浦光源4组成两套激光波长不同的布里渊光时域分析仪，对同一传感光纤模块12测试，可以获得两组传感光纤的布里渊频移变化量分布Δv_B1(z)和Δv_B2(z)。根据测试，由第一探测光源1和第一泵浦光源3组成的一个布里渊光时域分析仪，光源波长范围为1550nm，此时布里渊频移的应变系数和温度系数分别为C_ε1=467MHz/%、C_T1=0.98MHz/℃，如图4所示；由第二探测光源2和第二泵浦光源4组成的另一个布里渊光时域分析仪，光源波长范围为1310nm，此时布里渊频移的应变系数和温度系数分别为C_ε2=500MHz/%、C_T2=1.16MHz/℃，如图5所示；两个激光波长不同的布里渊光时域分析仪的布里渊频移的应变系数C_ε1、C_ε2和温度系数C_T1、C_T2有较大差异，通过联立方程组可以获得传感光纤沿线各处的应变值Δε(z)和温度值ΔT(z)，实现了对单一种类的传感光纤的应变和温度同时测量，解决了布里渊分布式光纤传感中温度和应变交叉敏感效应的问题。

实施例2：

本实施例的装置与实施例1类似，不同的是本实施例中第二探测光源2和第二泵浦光源4的波长范围为（1064±20）nm，具体而言，第二探测光源2选用1064.26nm的Nd：YAG激光器，第二泵浦光源4选用1064.21nm的Nd：YAG激光器，通过温度或者压电陶瓷PZT调谐或者频移器件使得第二探测光源2和第二泵浦光源4的频率差覆盖光纤的布里渊频谱（约13~17GHz1064nm）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，不应理解为对本发明保护范围的限制。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何形式的变形、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，包括第一探测光源，第一泵浦光源，第一耦合器，第二耦合器，频率测量模块，探测光输出及信号处理模块，泵浦光输出模块，传感光纤模块，其特征在于还包括第二探测光源，第二泵浦光源，第一光开关模块和第二光开关模块，所述的第一探测光源和第二探测光源分别与第一光开关模块的两个光信号输入端连接，所述的第一泵浦光源和第二泵浦光源分别与第二光开关模块的两个光信号输入端连接，所述的第一光开关模块的光信号输出端与第一耦合器的输入端连接，所述的第二光开关模块的光信号输出端与第二耦合器的输入端连接，所述的频率测量模块分别与第一耦合器和第二耦合器的一个输出端连接，所述的第一耦合器和第二耦合器的另一个输出端分别与所述的探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块的输入端连接，所述的探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块的输出端分别与传感光纤模块的两端连接。

2.如权利要求1所述的一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于所述的第一探测光源和第一泵浦光源与第二探测光源和第二泵浦光源具有不同的波长范围，并且波长间隔不小于190nm。

3.如权利要求1所述的一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于所述的第一光开关模块和第二光开关模块选择第一探测光源和第一泵浦光源或者第二探测光源和第二泵浦光源作为布里渊光时域分析仪的光源。

4.如权利要求3所述的一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，其特征在于所述的第一光开关模块和第二光开关模块均为2×1光开关，设有两个光信号输入端和一个光信号输出端。