CN109029770A - 基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法 - Google Patents

基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法，包括搭建基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测***；基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测***包括光纤后向散射信号采集仪、高速光开关、恒温槽、温度传感器、传感光纤；光纤后向散射信号采集仪包括脉冲激光器、WDM、APD、LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接；WDM的输出端与APD的输入端连接；APD的输出端与LNA的输入端连接；LNA的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；计算机与温度传感器双向连接。本发明的检测方法可以利用一根传感光纤同时检测光纤沿线的温度和应力分布。

Description

基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感***中的温度、应变解调技术领域，具体是一种基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是利用光纤自身既作为信号传输介质又作为传感单元，从而获取整个光纤链路的外部物理量分布情况。分布式光纤传感***测量精度高，传感距离长，并且具有较好的可靠性，现已广泛应用于智能电网等基础设施的健康监测。
在分布式光纤传感技术中，根据光纤的后向散射类型，可以分为基于瑞利散射的分布式光纤传感***、基于布里渊散射的分布式光纤传感***和基于拉曼散射的分布式光纤传感***。基于瑞利散射的分布式光纤传感***大多被应用于光纤的故障点检测。基于拉曼散射的分布式光纤传感技术只运用于光纤沿线的温度监测。在现有拉曼温度解调方法中，为了消除光纤衰减来解调出温度信息，必须在测温前将整条待测光纤置于恒温下进行定标处理(倘若更换待测光纤、调整激光器功率或更换任意***器件，则必须重新进行定标处理)，由此导致操作繁琐，从而导致***的测温效率低。
而应力、应变的测量，主要是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，其原理都是利用应变、应力及温度改变其布里渊频移的变化量来分别实现应变、应力及温度的测量，但是布里渊频移对拉伸应变和温度变化同时敏感，即在温度解调过程中需区分拉伸应变引起的频移和温度变化引起的频移，即无法单次同时测量光纤沿线的温度和应变情况，且布里渊***装置和解调过程较为复杂，测量时间达到了分钟量级，另外布里渊分布式光纤传感***所需的泵浦光源和解调***复杂，这极大的限制了布里渊分布式光纤布里渊传感***的实时性和面向工程化的发展应用。
基于此，有必要发明一种全新的应变、温度解调方法，以解决现有分布式光纤传感***中温度、应变相互交叉敏感，测量时间较长，和测量前必须进行定标处理的过程，导致***的测温精度低和测温效率低的问题。
发明内容
为了解决现有分布式光纤传感***之间温度、应变相互交叉敏感，测量时间较长，无法面向工程应用的问题，和现有分布式光纤测温***中需要定标的过程，本发明提出了一种基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变同时检测的方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法，分别为基于环路解调技术的分布式光纤拉曼测温的温度解调方案和基于环路解调的光纤沿线衰减检测方案，具体步骤如下：
步骤一、搭建基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测***；
所述基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测***包括光纤后向散射信号采集仪、高速光开关、恒温槽、传感光纤、温度传感器；
所述光纤后向散射信号采集仪包括脉冲激光器、WDM、APD、LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接；WDM的输出端与APD的输入端连接；APD的输出端与LNA的输入端连接；LNA的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；计算机与温度传感器双向连接；
高速光开关的输入端与WDM2的公共端连接，高速光开关的f输出端与传感光纤的前端连接、b输出端与待测光纤的后端连接；传感光纤的前部绕制有参考光纤、后部作为待测光纤；参考光纤放置于恒温槽中；温度传感器安装于恒温槽上。
步骤二、将恒温槽的温度值设置为T1；然后，启动光纤后向散射信号采集仪，脉冲激光器发出的第一次激光脉冲经WDM入射到高速光开关，然后经高速光开关的f输出端入射到待测光纤；激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
脉冲激光器发出的第二次激光脉冲经WDM入射到高速光开关，然后经高速光开关的b输出端入射到待测光纤；激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，也使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光。
步骤三、当外界的较大的应力、应变作用于传感光纤时，光纤的拉伸势必会影响传感光纤中横截面的面积及该点光纤弯曲损耗的大小，从而会影响传感光纤中该点拉曼散射信号光时域反射曲线中的衰减系数。即***根据基于拉曼散射信号的时序信号和光时域反射技术来检测光纤沿线各点的衰减系数，然后根据衰减系数与外界应力应变的数学函数关系，以此来测定光纤沿线的应变及应力变化。即基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变***根据anti-Stokes光的衰减解调沿光纤分布的应力、应变数据。
步骤四、光纤后向散射信号采集仪根据anti-Stokes光的光强数据和光纤沿线的衰减解调沿光纤分布的温度数据。
步骤五、***计算机根据步骤三和四同时显示光纤沿线的温度、应变的变化情况。
与现有分布式光纤传感***相比，本发明所述的基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测方法具有如下优点：其一，本发明的检测方法可以利用一根传感光纤同时检测光纤沿线的温度和应力分布。其二，本发明结构装置简单，且测量时间取决于数据采集卡的测量速度，可以极大的提高***的测量速度，同时也降低了***的成本。其三，本发明无需在温度和应变测量前进行定标处理，加快了分布式光纤传感***更加便捷的面向工业化的进程。
附图说明
图1表示本发明中基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感装置示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-WDM(波分复用器)，3-APD(第一雪崩光电二极管)，4-LNA(低噪放大器)，5-数据采集卡，6-计算机，7-高速光开关，8-参考光纤，9-多模传感光纤，10-温度传感器，11-恒温槽。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法，包括如下步骤：
步骤一、搭建基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感***；
基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感***包括光纤后向散射信号采集仪、高速光开关7、恒温槽8、传感光纤、温度传感器10。
光纤后向散射信号采集仪包括脉冲激光器1、WDM 2、APD 3、LNA 4、数据采集卡5、计算机6；其中，脉冲激光器1的输出端与WDM 2的输入端连接；WDM 2的输出端与APD 3的输入端连接；APD 3的输出端与LNA 4的输入端连接；LNA 4的输出端与数据采集卡5的输入端连接；数据采集卡5的输出端与计算机6的输入端连接；计算机6与温度传感器10双向连接。
高速光开关7的输入端与WDM2的公共端连接，高速光开关7的f输出端与传感光纤的前端连接、b输出端与传感光纤的后端连接；传感光纤的前部绕制有参考光纤8、其后部作为待测光纤9；参考光8环放置于恒温槽11中；温度传感器10安装于高精度恒温槽8上；温度传感器10与计算机6双向连接。
步骤二、将恒温槽8的温度值设置为T1；然后，启动光纤后向散射信号采集仪，脉冲激光器1发出的第一次激光脉冲经WDM 2入射到高速光开关7，然后经高速光开关的f输出端入射到待测光纤9；激光脉冲在待测光纤9中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤9的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
anti-Stokes光依次经WDM 2、APD 3、LNA 4入射到数据采集卡5，数据采集卡5对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到第一次anti-Stokes光的光强曲线。
脉冲激光器1发出的第二次激光脉冲经WDM 2入射到高速光开关7，然后经高速光开关的b输出端入射到待测光纤9；激光脉冲在待测光纤9中传播时发生自发拉曼散射，也使得待测光纤9的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
anti-Stokes光依次经WDM 2、APD 3、LNA 4入射到数据采集卡5，数据采集卡5对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到第二次anti-Stokes光的光强曲线。
步骤三、基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感***根据采集得到anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的应力分布。
具体应力、应变解调公式如下：
公式中：φaf为入射脉冲在高速光开关f输出端输出时采集的后向散射光光强数据为：
φab为入射脉冲在高速光开关b输出端输出时采集的后向散射光光强数据为：
φab＝KaVa 4φeSRa(T)exp[-(αo+αa)(L-l)] (3)
其中，anti-Stokes光的温度调制函数Ra(T)为：
式中，Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Va为反斯托克斯光的频率，φe为入射光的光强，S为散射截面，h,K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv光纤的拉曼频移量，αo、αa分别为入射光和反斯托克斯光在光纤中单位长度下的衰减系数；T表示待测光纤9的位置l的温度值；L表示待测光纤9的长度；l表示该位置与待测光纤9的前端之间的距离；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数。A参数的具体值可以在测量前，通过实验中的实际应力值和光纤沿线衰减值的拟合曲线得到。
具体实施时，脉冲激光器的波长为1550.1nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz。WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm。APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm。LNA的带宽为100MHz。数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz。高速光开关的开关速度为小于10ms。传感光纤为普通多模光纤。
步骤四、基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感***根据采集得到anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据。
具体温度解调公式如下：
式中，T表示待测光纤9的l位置的温度值；φa表示l位置产生的anti-Stokes光的光强值；φa1表示参考光纤的位置产生的anti-Stokes光的光强值；l1表示参考光纤的位置与待测光纤9的前端之间的距离。
步骤五、***根据公式(1)和公式(5)即可利用一根光纤同时测量出光纤沿线的温度及应变化。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、搭建基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测***；
所述基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变检测***包括光纤后向散射信号采集仪、高速光开关(7)、恒温槽(11)、温度传感器(10)、传感光纤；
所述光纤后向散射信号采集仪包括脉冲激光器(1)、WDM(2)、APD(3)、LNA(4)、数据采集卡(5)、计算机(6)；其中，脉冲激光器(1)的输出端与WDM(2)的输入端连接；WDM(2)的输出端与APD(3)的输入端连接；APD(3)的输出端与LNA(4)的输入端连接；LNA(4)的输出端与数据采集卡(5)的输入端连接；数据采集卡(5)的输出端与计算机(6)的输入端连接；计算机(6)与温度传感器(10)双向连接；
高速光开关(7)的输入端与WDM(2)的公共端连接，高速光开关(7)的f输出端与传感光纤的前端连接、其b输出端与传感光纤的后端连接；传感光纤的前部绕制有参考光纤(8)、后部作为待测光纤(9)，参考光纤(8)放置于恒温槽(11)中，温度传感器(10)安装于恒温槽(11)上；
步骤二、将恒温槽的温度值设置为T1；然后，启动光纤后向散射信号采集仪，脉冲激光器发出的第一次激光脉冲经WDM入射到高速光开关，然后经高速光开关的f输出端入射到待测光纤；激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
脉冲激光器发出的第二次激光脉冲经WDM入射到高速光开关，然后经高速光开关的b输出端入射到待测光纤；激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，也使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
步骤三、当外界的应力、应变作用于传感光纤时，***根据基于拉曼散射信号的时序信号和光时域反射技术来检测光纤沿线各点的衰减系数，然后根据衰减系数与外界应力应变的数学函数关系，以此来测定光纤沿线的应变及应力变化，即基于环路解调的分布式光纤拉曼温度、应变***根据anti-Stokes光的衰减解调沿光纤分布的应力、应变数据；
步骤四、光纤后向散射信号采集仪根据anti-Stokes光的光强数据和光纤沿线的衰减解调沿光纤分布的温度数据；
步骤五、***计算机根据步骤三和四同时显示光纤沿线的温度、应变的变化情况。
2.根据权利要求1所述的基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法，其特征在于：
步骤二、将恒温槽(11)的温度值设置为T1；然后，启动光纤后向散射信号采集仪，脉冲激光器(1)发出的第一次激光脉冲经WDM(2)入射到高速光开关(7)，然后经高速光开关的f输出端入射到待测光纤(9)；激光脉冲在待测光纤(9)中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤(9)的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
anti-Stokes光依次经WDM(2)、APD(3)、LNA(4)入射到数据采集卡(5)，数据采集卡(5)对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到第一次anti-Stokes光的光强曲线；
脉冲激光器(1)发出的第二次激光脉冲经WDM(2)入射到高速光开关(7)，然后经高速光开关的b输出端入射到待测光纤(9)；激光脉冲在待测光纤(9)中传播时发生自发拉曼散射，也使得待测光纤(9)的各个位置均产生背向传输的anti-Stokes光；
anti-Stokes光依次经WDM(2)、APD(3)、LNA(4)入射到数据采集卡(5)，数据采集卡(5)对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到第二次anti-Stokes光的光强曲线；
步骤三、基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感***根据采集得到anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的应力分布；
具体应力、应变解调公式如下：
公式中：φaf为入射脉冲在高速光开关f输出端输出时采集的后向散射光光强数据为：
φab为入射脉冲在高速光开关b输出端输出时采集的后向散射光光强数据为：
其中，anti-Stokes光的温度调制函数Ra(T)为：
式中，Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Va为反斯托克斯光的频率，φe为入射光的光强，S为散射截面，h,K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv光纤的拉曼频移量，αo、αa分别为入射光和反斯托克斯光在光纤中单位长度下的衰减系数；T表示待测光纤9的位置l的温度值；L表示待测光纤9的长度；l表示该位置与待测光纤9的前端之间的距离；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数；A参数的具体值可以在测量前，通过实验中的实际应力值和光纤沿线衰减值的拟合曲线得到；
步骤四、基于环路解调的分布式光纤温度、应力传感***根据采集得到anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据；
具体温度解调公式如下：
式中，T表示待测光纤(9)的l位置的温度值；φa表示l位置产生的anti-Stokes光的光强值；φa1表示参考光纤的位置产生的anti-Stokes光的光强值；l1表示参考光纤的位置与传感光纤的前端之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的基于环路解调的分布式光纤拉曼温度及应变解调方法，其特征在于：所述脉冲激光器(1)的波长为1550.1nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；所述WDM(2)的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm；所述APD(3)的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；所述LNA(4)的带宽为100MHz。所述数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz；所述高速光开关(7)的开关速度为小于10ms；所述传感光纤为普通多模光纤。
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