CN103674110A - 一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，利用布里渊增益光纤的窄带布里渊增益特性来检测传感光纤的布里渊散射光的频移；布里渊散射光和移频光分别从两端输入布里渊增益光纤，窄线宽光学滤波器滤出布里渊散射光的斯托克斯或者反斯托克斯边带进行光电探测，光功率控制单元稳定控制移频光的功率；当移频光和布里渊散射光的频率差等于布里渊增益光纤的布里渊频移时，获得最强的光电探测信号，实现布里渊散射光频移的检测。本发明公开的分布式光纤温度应变传感器，降低了光电探测、电路信号产生和处理的频率，降低了技术难度和成本；通过移频光功率稳定控制，获得平坦的频率响应特性，有利于布里渊散射光频移的精密检测。

Description

一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤温度应变传感器，特别是一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

光在光纤中传播时产生的布里渊散射光的频移和光纤的温度、应变之间具有良好的线性，频移—温度灵敏度约为1.05MHz/℃，频移—应变灵敏度约为0.046MHz/με；通过测量光脉冲在光纤传播时产生的布里渊散射光的频移，同时利用光脉冲传播时延实现定位，可以获得沿光纤连续分布的温度、应变信息，即构成分布式光纤温度应变传感器。

基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感器，直接采用普通单模光纤作为传感介质，具有抗电磁干扰、本质安全、测量距离长达数十千米、获得连续温度应变分布信息、等效测点多、每个等效测点平均成本低等优势，在通信光缆、电力电缆、油气输送管线、隧道、基桩、桥梁、大坝等大型民用工程和基础设施的监测中具有广泛的应用前景。

目前基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感器，主要方案有基于自发布里渊散射和时域反射计的技术方案，即布里渊光时域反射计（BrillouinOptical Time Domain Reflectometer，BOTDR）；以及基于受激布里渊增益和时域分析的技术方案，即布里渊光时域分析仪（Brillouin optical time-domainanalysis，BOTDA）。其中布里渊光时域反射计只需要采用一根光纤即可实现测量，不需要对光纤进行特殊处理，现场布设难度较低，而且可以方便地利用已敷设的光纤进行测量。

布里渊光时域反射计的自发布里渊散射光非常微弱，约nW量级；为了检测微弱的自发布里渊散射光的频移，通常需要采用光外差相干检测技术，利用大功率的本振光和布里渊反射光叠加来产生较强的拍频信号。但是布里渊散射光相对于入射光的频移～11GHz，需要采用带宽大于10GHz的平衡光探测器、进行微波下变频和电信号频谱检测来实现布里渊散射光频移的测量，如附图1所示（参见专利US6700655B2，Optical Fiber Characteristic MeasuringDevice）；或者采用光学移频单元对脉冲光或本振光进行移频，降低拍频信号的带宽，如图2所示（参见专利US7504618B2，Distributed Sensing in anOptical Fiber Using Brillouin Scattering）。这种基于光外差相干检测、微波变频和频谱检测的布里渊光时域反射计方案，光电信号探测、信号处理的频率高达～11GHz，器件成本高；同时，微波下变频和电信号频谱检测电路难以在宽频率范围内获得平坦的响应，且难以对频率响应特性进行有效的校准，不利于电信号频谱和布里渊散射光频移的准确测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的基于光外差相干检测、微波变频和电信号频谱检测的布里渊光时域反射计方案的分布式光纤温度应变传感器，需要采用高成本微波器件、难以获得平坦频率响应特性的问题，提出了一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，包括光源、光纤耦合器、光脉冲调制单元、第一光放大器、第一光环行器、传感光纤、光学移频单元、偏振控制器、光功率控制单元、第二光环行器、布里渊增益光纤、窄线宽光学滤波器、光电探测器、模数转换器和信号处理单元；

光源输出的光经过光纤耦合器分成两路，光纤耦合器的第一输出端口的输出光经过光脉冲调制单元调制成光脉冲，光脉冲经过第一光放大器后输出峰值功率放大的光脉冲，峰值功率放大的光脉冲输入第一光环行器的输入端口，然后从第一光环行器的双向传输端口输入传感光纤；光脉冲在传感光纤中传播产生的后向布里渊散射光从第一光环行器的双向传输端口输入，然后从第一光环行器的输出端口输入第二光放大器，布里渊散射光经过第二光放大器放大后输入布里渊增益光纤；光纤耦合器的第二输出端口的输出光经过光学移频单元后输出移频光，移频光输入偏振控制器，偏振控制器输出偏振态调谐的移频光，光功率控制单元稳定控制移频光的功率，移频光输入第二光环行器的输入端口，从第二光环行器的双向传输端口输入布里渊增益光纤；移频光和传感光纤的布里渊散射光在布里渊增益光纤中相向传输；传感光纤的布里渊散射光通过布里渊增益光纤后从第二光环行器的输出端口输入到窄线宽光学滤波器，窄线宽光学滤波器滤出布里渊散射光的斯托克斯或者反斯托克斯边带，然后输入光电探测器；光电探测器将布里渊散射光的斯托克斯或者反斯托克斯边带的强度转换成电信号，模数转换器将光电探测器输出的电信号转换成数字信号并输入信号处理单元进行处理。

光学移频单元控制移频光的移频量在内做扫描，利用布里渊增益光纤的窄带布里渊增益特性，当移频光和传感光纤的布里渊散射光的频率差落在布里渊增益光纤的布里渊增益范围内时，移频光为传感光纤的布里渊散射光的斯托克斯边带提供增益，同时传感光纤的布里渊散射光的反斯托克斯边带为移频光提供增益；当移频光和传感光纤的布里渊散射光的频率差等于布里渊增益光纤的布里渊频移时，传感光纤的布里渊散射光的斯托克斯边带获得最大的增益、传感光纤的布里渊散射光的反斯托克斯边带获得最大的衰减，由移频光的频移量和布里渊增益光纤的布里渊频移之间的差值获得传感光纤的布里渊散射光的频移，从而实现传感光纤的布里渊散射光的频移的测量和温度、应变信号的解算。

本发明的优点在于：

（1）本发明公开的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，利用布里渊增益光纤的窄带布里渊增益特性实现传感光纤的布里渊散射光的频移的检测，降低了光电探测、电路信号产生和处理的频率，避免采用高成本的微波段光电探测器和微波器件，降低了分布式光纤温度应变传感器的技术难度和成本。

（2）本发明公开的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，通过光功率控制单元获得稳定的移频光功率，使移频光进行频率扫描时，布里渊散射光频谱检测具有平坦的频率响应特性，有利于布里渊散射光频移的精密检测。

附图说明

图1为现有的基于光外差相干检测、微波变频和电信号频谱检测的分布式光纤温度应变传感器方案示意图；

图2为现有的基于光学移频、光外差相干检测、微波变频和电信号频谱检测的分布式光纤温度应变传感器方案示意图；

图3为本发明的基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器的组成示意图；

图4为窄线宽光学滤波器的组成示意图；

图5为利用布里渊光放大来检测传感光纤的布里渊散射光的频移的原理图；

附图标记说明：

1…光源，

2…光源驱动电路，

3…光源驱动控制电路，

4…光纤耦合器，4i…光纤耦合器输入端口，4t1…光纤耦合器第一输出端口，4t2…光纤耦合器第二输出端口，

5…光脉冲调制单元，

6…光放大器，

7…第一光环行器，7i…第一光环行器输入端口，7ti…第一光环行器双向传输端口，7t…第一光环行器输出端口，

8…光纤连接器，

9…传感光纤，9a…传感光纤端面，

10…第二光纤耦合器，10i1…第二光纤耦合器第一输入端口，10i2…第二光纤耦合器第二输入端口，10t1…第二光纤耦合器第一输出端口，10t2…第二光纤耦合器第二输出端口，

11…平衡光探测器，

12…电信号放大器，

13…混频器，

14…电本振信号发生电路，

15…电本振信号控制电路，

16…低通滤波器，

17…第二电信号放大器，

18…信号处理单元，

19…电本振信号，

20…带通滤波器，

21…电信号检测器，

22…光学移频单元，

23…光电探测器，

24…模数转换器，

25…第二光放大器，

26…布里渊增益光纤，

27…第二光环行器，27i…第二光环行器输入端口，27ti…第二光环行器双向传输端口，27t…第二光环行器输出端口，

28…偏振控制器，

29…光功率控制单元，

30…窄线宽光学滤波器，30i…窄线宽光学滤波器输入端口，30i…窄线宽光学滤波器输出端口，

31…第三光环行器，31i…第三光环行器输入端口，31ti…第三光环行器双向传输端口，31t…第三光环行器输出端口，

32…窄线宽光纤光栅滤波器，

33…温度控制单元，

34…传感光纤的布里渊散射光，

35…移频光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图3所示，一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，包括光源1、光纤耦合器4、光脉冲调制单元5、第一光放大器6、第一光环行器7、传感光纤9、光学移频单元22、第二光放大器25、偏振控制器28、光功率控制单元29、第二光环行器27、布里渊增益光纤26、窄线宽光学滤波器30、光电探测器23、模数转换器24和信号处理单元18；

光源1的输出接光纤耦合器4的输入端口4i，光纤耦合器4的第一输出端口4t1接光脉冲调制单元5的输入端口，光脉冲调制单元5的输出端口接第一光放大器6的输入端口，第一光放大器6的输出端口接第一光环行器7的输入端口7i，第一光环行器7的双向传输端口7ti接传感光纤9，第一光环行器7的输出端口7t接第二光放大器25的输入端口，第二光放大器25的输出端口接布里渊增益光纤26；

光纤耦合器4的第二输出端口4t2接光学移频单元22的输入端口，光学移频单元22的输出端口接偏振控制器28的输入端口，偏振控制器28的输出端口接光功率控制单元29的输入端口，光功率控制单元29的输出端口接第二光环行器27的输入端口27i，第二光环行器27的双向传输端口27ti接布里渊增益光纤26，第二光环行器27的输出端口27t接窄线宽光学滤波器30的输入端口30i，窄线宽光学滤波器30的输出端口30t接光电探测器23，光电探测器23输出的模拟电信号通过模数转换器24转换成数字信号，模数转换器24输出的数字信号输入信号处理单元18，信号处理单元18通过数字信号处理完成测量。

窄线宽光学滤波器30的一种实现方式如图4所示，窄线宽光学滤波器30包括第三光环行器31、窄线宽光纤光栅滤波器32和温度控制单元33；

第三光环行器31的双向传输端口31ti和窄线宽光纤光栅滤波器32相连接，第三光环行器31的输入端口31i作为窄线宽光学滤波器30的输入端口30i，第三光环行器31的输出端口31t作为窄线宽光学滤波器30的输出端口30t；窄线宽光纤光栅滤波器32通过温度控制单元33保持恒温，具有稳定的反射光谱特性；窄线宽光纤光栅滤波器32的反射谱的典型线宽小于0.1nm，温度控制单元33的温度控制稳定性优于0.1℃，从而使窄线宽光纤光栅滤波器32的反射谱的波长稳定性优于1pm。

光源1输出的光经过光纤耦合器4分成两路，光纤耦合器4的第一输出端口4t1的输出光经过光脉冲调制单元5调制成光脉冲，光脉冲经过第一光放大器6后输出峰值功率放大的光脉冲，峰值功率放大的光脉冲输入第一光环行器7的输入端口7i，然后从第一光环行器7的双向传输端口7ti输入传感光纤9；光脉冲在传感光纤9中传播产生的后向布里渊散射光从第一光环行器7的双向传输端口7ti输入，然后从第一光环行器7的输出端口7t输入第二光放大器25，布里渊散射光经过第二光放大器25放大后输入布里渊增益光纤26；

光纤耦合器4的第二输出端口4t2的输出光经过光学移频单元22后输出移频光，移频光输入偏振控制器28，偏振控制器28输出偏振态调谐的移频光，光功率控制单元29稳定控制移频光的功率，移频光输入第二光环行器27的输入端口27i，从第二光环行器27的双向传输端口27ti输入布里渊增益光纤26；移频光和传感光纤的布里渊散射光在布里渊增益光纤26中相向传输；传感光纤的布里渊散射光通过布里渊增益光纤26后从第二光环行器27的输出端口27t输入到窄线宽光学滤波器30，窄线宽光学滤波器30滤出布里渊散射光的斯托克斯或者反斯托克斯边带，然后输入光电探测器23；光电探测器23将布里渊散射光的斯托克斯或者反斯托克斯边带的强度转换成模拟电信号，模数转换器24将光电探测器23输出的模拟电信号转换成数字信号并输入信号处理单元18进行测量处理。

信号检测的原理如图5所示，光源1输出光的频率为ν₀，输入布里渊增益光纤的移频光35的频率为ν₀-ν_S或ν₀+ν_S，传感光纤的布里渊散射光34的频率为ν₀-ν_B或ν₀+ν_B，ν_B为传感光纤9的布里渊频移，光学移频单元22控制移频光35的频移量ν_S在100MHz-2GHz范围内做扫描；利用布里渊增益光纤26的窄带布里渊增益特性，当移频光35的频率和传感光纤的布里渊散射光34的频率的差ν_B-ν_S落在布里渊增益光纤26的布里渊增益范围内时，移频光35为传感光纤的布里渊散射光34的斯托克斯边带ν₀-ν_B提供增益，同时传感光纤的布里渊散射光34的反斯托克斯边带ν₀+ν_B为移频光35提供增益；当移频光35和传感光纤的布里渊散射光34的频率差ν_B-ν_S等于布里渊增益光纤26的布里渊频移ν_B1时，传感光纤的布里渊散射光34的斯托克斯边带ν₀-ν_B获得最大的增益、反斯托克斯边带ν₀+ν_B获得最大的衰减，由移频光35的频移量ν_S和布里渊增益光纤26的布里渊频移ν_B1之和ν_S+ν_B1获得传感光纤的布里渊散射光34的频移ν_B，根据传感光纤9的温度—频移灵敏度系数

应变—频移灵敏度系数计算出传感光纤9的温度、应变分布，传感光纤9的温度T与传感光纤的布里渊散射光34的频移ν_B的关系式为

是传感光纤9在已知标定温度T₀下的布里渊频移；传感光纤9的应变与传感光纤的布里渊散射光34的频移ν_B的关系式为

是传感光纤9在已知标定应变ε₀下的布里渊频移。

光功率控制单元29将输入布里渊增益光纤的移频光35的功率波动控制在小于0.5%，从而使光学移频单元22在控制移频光35的频移量ν_S进行扫描时，布里渊散射光频谱检测获得平坦的频率响应特性；

光功率控制单元29采用光功率监测和反馈控制的可调谐光衰减器。

布里渊增益光纤26和传感光纤9采用两种不同的光纤，布里渊增益光纤26的布里渊频移ν_B1小于传感光纤9的布里渊频移ν_B；一种光纤选择方法为：布里渊增益光纤26采用OFS公司的TrueWave RS光纤，传感光纤9采用Corning公司的SMF-28e光纤。

Claims (6)

1.一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，其特征在于：包括光源、光纤耦合器、光脉冲调制单元、第一光放大器、第一光环行器、传感光纤、光学移频单元、第二光放大器、偏振控制器、光功率控制单元、第二光环行器、布里渊增益光纤、窄线宽光学滤波器、光电探测器、模数转换器和信号处理单元；

光源的输出接光纤耦合器的输入端口，光纤耦合器的第一输出端口接光脉冲调制单元的输入端口，光脉冲调制单元的输出端口接第一光放大器的输入端口，第一光放大器的输出端口接第一光环行器的输入端口，第一光环行器的双向传输端口接传感光纤，第一光环行器的输出端口接第二光放大器的输入端口，第二光放大器的输出端口接布里渊增益光纤；

光纤耦合器的第二输出端口接光学移频单元的输入端口，光学移频单元的输出端口接偏振控制器的输入端口，偏振控制器的输出端口接光功率控制单元的输入端口，光功率控制单元的输出端口接第二光环行器的输入端口，第二光环行器的双向传输端口接布里渊增益光纤，第二光环行器的输出端口接窄线宽光学滤波器的输入端口，窄线宽光学滤波器的输出端口接光电探测器，光电探测器输出的模拟电信号通过模数转换器转换成数字信号，模数转换器输出的数字信号输入信号处理单元，信号处理单元通过数字信号处理完成测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，其特征在于：窄线宽光学滤波器包括第三光环行器、窄线宽光纤光栅滤波器和温度控制单元；

第三光环行器的双向传输端口和窄线宽光纤光栅滤波器相连接，第三光环行器的输入端口作为窄线宽光学滤波器的输入端口，第三光环行器的输出端口作为窄线宽光学滤波器的输出端口；窄线宽光纤光栅滤波器通过温度控制单元保持恒温。

3.根据权利要求2所述的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，其特征在于：窄线宽光纤光栅滤波器的反射谱的线宽小于0.1nm，温度控制单元的温度控制稳定性优于0.1℃。

4.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，其特征在于：光功率控制单元采用光功率监测和反馈控制的可调谐光衰减器。

5.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，其特征在于：布里渊增益光纤的布里渊频移ν_B1小于传感光纤的布里渊频移ν_B。

6.根据权利要求5所述的一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器，其特征在于：布里渊增益光纤采用OFS公司的TrueWave RS光纤，传感光纤采用Corning公司的SMF-28e光纤。

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