CN111896136B - 厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式光纤传感技术领域，公开了一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置及方法。装置包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、第一光开关、波分复用器、第二光开关、参考光纤、传感光纤、第一雪崩光电探测器、第二雪崩光电探测器、高速数据采集卡和计算机。本发明通过设置两个具有不同脉宽的高功率脉冲激光器，经由光开关分别向传感光纤中注入脉冲宽度差小于1ns的脉冲光，然后分别采集两种不同脉宽状态下所激发的前向拉曼散射信号、后向拉曼散射信号进行差值计算，再利用环路解调原理进行传感光纤温度提取。本发明可以保证在不影响传感距离的前提下，将***的空间分辨率优化至厘米量级。

Description

厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体是一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

分布式光纤拉曼传感***可以实现连续的分布式温度监测，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、防火防爆、可靠性好、低成本的优点。在传感光纤中，脉冲激光在光纤中传播会产生斯托克斯光与反斯托克斯光这两种成分的拉曼散射信号。其中，反斯托克斯信号对温度较为敏感，因此可以将反斯托克斯光提取出来用以温度解调，实现光纤沿线分布式温度监测。

近年来，公路隧道等交通基础设施安全监控***要求分布式光纤拉曼传感器同时实现温度和结构裂缝的协同测量。但是由于拉曼反斯托克斯信号仅对温度敏感，分布式光纤拉曼传感***仅能实现光纤沿线的分布式温度检测。因此，现有分布式光纤拉曼传感***存在无法实现结构裂缝测量的技术难题。此外，空间分辨率是工业温度监控领域中的重要性能指标之一。但是由于分布式光纤拉曼传感***的探测信号为脉冲信号，光源的脉宽限制了***的空间分辨率性能，降低光源的脉冲宽度可以提高***的空间分辨率，但同时也会影响到***的信噪比，降低***的传感距离。因此，受限于光源脉宽，目前的分布式光纤拉曼传感器的空间分辨率还无法突破1m的限制。

基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤拉曼传感装置及方法，以解决现有分布式光纤拉曼传感***无法同时测量温度和裂隙检测，且空间分辨率由于光源脉宽的限制，其空间分辨率难以突破1m的技术难题。

发明内容

为了解决现有分布式光纤拉曼传感***无法实现温度和结构裂隙的同时协同监测的难题，且受限于光源脉宽，***的空间分辨率无法突破1m的技术问题，本发明提出了一种厘米量级空间分辨率测量的双参量分布式光纤传感装置及方法，通过分布式光纤拉曼环路解调装置、双脉冲调制解调方法以及利用拉曼斯托克斯光的损耗特性，可以实现温度和结构裂隙的协同监测，且有望在不影响***传感距离的前提下，将***的空间分辨率优化至厘米量级。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、第一光开关、波分复用器、第二光开关、参考光纤、传感光纤、第一雪崩光电探测器、第二雪崩光电探测器、高速数据采集卡和计算机；所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器的激光输出端与所述第一光开关的输入端连接，第一光开关的输出端经波分复用器后与第二光开关的输入端连接，第二光开关的一个输出端依次经参考光纤和传感光纤后与另一个输出端连接；所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器分别用于产生脉宽差小于1ns的脉冲激光，第一光开关用于将第一脉冲激光器或第二脉冲激光器产生的脉冲激光依次发送至波分复用器和第二光开关，第二光开关用于调节入射至所述参考光纤和传感光纤的光束方向，使参考光纤和传感光纤中分别产生后向拉曼散射和前向拉曼散射；前向拉曼散射光和后向拉曼散射光分别经第二光开关后，由波分复用器分离出拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别被第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器探测后输出到高速数据采集卡，高速数据采集卡用于分别采集第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的激光脉冲在传感光纤内的各个位置处产生的后向拉曼斯托克斯光的光强、后向拉曼反斯托克斯光的光强、前向拉曼斯托克斯光的光强以及前向拉曼反斯托克斯光的光强，并发送到计算机计算得到传感光纤的沿线温度信息和结构裂隙信息。

所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器输出激光的脉宽大于10ns，其脉宽差为0.1ns。

所述第一脉冲激光器的波长为1550nm，重复频率为8KHz，第二脉冲激光器的波长为1550nm，重复频率为8KHz，第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm，所述波分复用器的工作波长为1450nm/1550nm/1650nm，所述高速数据采集卡的通道数为4，采样率为10GS/s，带宽为10GHz；所述传感光纤为折射率渐变型多模光纤。

所述的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，还包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器设置在第一雪崩光电探测器与高速数据采集卡之间，第二放大器设置在第二雪崩光电探测器与高速数据采集卡之间，第一放大器和第二放大器分别用于对第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的探测信号进行放大。

所述计算机计算得到传感光纤的沿线温度信息的计算公式为：

其中，T表示传感光纤中L处的温度，T_r表示参考光纤的温度，h为普朗克常数，Δv表示拉曼频移，k为波尔兹曼常数，ln表示取对数，φ_as1(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差，φ_as1f(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的前向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1f(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

和

分别表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在在参考光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼斯托克斯散射光光强，

和

分别表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在在参考光纤中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼反斯托克斯散射光光强；

所述计算机计算得到传感光纤的沿线结构裂隙的计算公式为：

其中，S(L)表示测量得到的传感光纤中位置L处的受光纤横向拉力影响的调制因子；

表示传感光纤温度设定为T_o的定标阶段测量得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差。

此外，本发明还提供了一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感方法，基于所述的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置实现，包括以下步骤：

S1、定标阶段：将传感光纤的沿线温度设置为T₀，使传感光纤保持松弛，通过第一光开关使第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别发送至传感光纤，控制第二光开关，使其第一通道接通，利用高速数据采集卡分别采集第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强φ_s11To(L)和φ_s21To(L)；

S2、测量阶段：使第二光开关的第一通道接通，使第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别通过第一光开关，利用高速数据采集卡分别采集第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光在传感光纤的L位置处发生的后向拉曼反斯托克斯信号的光强φ_as11(L)和φ_as21(L)以及第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光在传感光纤的L位置处发生的后向拉曼斯托克斯信号的光强φ_s11(L)和φ_s21(L)，同时，利用高速数据采集卡分别采集第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光在参考光纤的任意位置处发生的后向拉曼反斯托克斯信号的光强差

和后向拉曼斯托克斯信号的光强差

然后，使第二光开关的第二通道接通，使第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别通过第一光开关，利用高速数据采集卡分别采集第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光在传感光纤的L位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强φ_as11f(L)和φ_as21f(L)，以及第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光在传感光纤的L位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强φ_s21f(L)和φ_s11f(L)；同时，利用高速数据采集卡分别采集第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光在参考光纤的任意位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强差

和前向拉曼斯托克斯信号的光强差

S3、计算阶段：将步骤S1和步骤S2测量到的光强信号发送至计算机，通过计算机计算得到传感光纤的沿线温度信息和结构裂隙信息，计算公式为：

其中，T表示传感光纤中L处的温度，T_r表示参考光纤的温度，h为普朗克常数，Δv表示拉曼频移，k为波尔兹曼常数，ln表示取对数，φ_as1(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差，φ_as1f(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的前向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1f(L)表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

和

分别表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在在参考光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼斯托克斯散射光光强，

和

分别表示数据采集卡采集得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在在参考光纤中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼反斯托克斯散射光光强；S(L)表示测量得到的传感光纤中位置L处的受光纤横向拉力影响的调制因子；

表示传感光纤温度设定为T_o的定标阶段测量得到的第一脉冲激光器和第二脉冲激光器发出的脉冲激光分别在传感光纤中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出了一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置及方法，其基于斯托克斯光解调反斯托克斯光的环路解调原理实现，本发明通过设置两个具有不同脉宽的高功率脉冲激光器，经由光开关分别向传感光纤中注入脉冲宽度差小于1ns的脉冲光，然后分别采集两种不同脉宽状态下所激发的前向拉曼散射信号、后向拉曼散射信号进行差值计算，再利用环路解调原理进行传感光纤温度提取。本发明可以保证在不影响传感距离的前提下，将***的空间分辨率优化至厘米量级。另外，本发明还利用拉曼斯托克斯光的损耗特性可以实现温度和结构裂隙的协同监测。

附图说明

图1表示本发明实施例提供的一种厘米量级空间分辨率测量的双参量分布式光纤传感装置示意图。

图中：1-第一脉冲激光器，2-第二脉冲激光器，3-第一光开关，4-波分复用器(1450nm/1550nm/1650nm)，5-第二光开关，6-参考光纤，7-传感光纤(62.5/125多模传感光纤)，8-第一雪崩光电探测器，9-第二雪崩光电探测器，10-第一放大器，11-第二放大器，12-高速数据采集卡，13-计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、第一光开关3、波分复用器4、第二光开关5、参考光纤6、传感光纤7、第一雪崩光电探测器8、第二雪崩光电探测器9、第一放大器10、第二放大器11、高速数据采集卡12和计算机13；所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2的激光输出端与分别所述第一光开关3的两个输入端连接，第一光开关3的输出端经波分复用器4后与第二光开关5的输入端连接，第二光开关5的一个输出端依次参考光纤6和传感光纤7后与另一个输出端连接；所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2分别用于产生脉宽差小于1ns的脉冲激光，第一光开关3用于将第一脉冲激光器1或第二脉冲激光器2产生的脉冲激光依次发送至波分复用器4和第二光开关5，第二光开关5用于调节入射至所述参考光纤6和传感光纤7的光束方向，使参考光纤6和传感光纤7中分别产生后向拉曼散射和前向拉曼散射；前向拉曼散射光和后向拉曼散射光分别经第二光开关5后，由波分复用器4分离出拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别被第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8探测后输出到高速数据采集卡12，高速数据采集卡12用于分别采集第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的激光脉冲在传感光纤内的各个位置处产生的后向拉曼斯托克斯光的光强、后向拉曼反斯托克斯光的光强、前向拉曼斯托克斯光的光强以及前向拉曼反斯托克斯光的光强，并发送到计算机13计算得到传感光纤5的沿线温度信息和结构裂隙信息。

具体地，本发明实施例中，所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2输出激光的脉宽大于10ns，其脉宽差为0.1ns。具体地，所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2输出激光的脉宽分别为100ns和100.1ns。

进一步地，本实施例中，所述第一脉冲激光器1的波长为1550nm，重复频率为8KHz，第二脉冲激光器2的波长为1550nm，重复频率为8KHz，第一雪崩光电探测器8和第二雪崩光电探测器9的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm，所述波分复用器4的工作波长为1450nm/1550nm/1650nm，所述高速数据采集卡12的通道数为4，采样率为10GS/s，带宽为10GHz；所述传感光纤7为折射率渐变型多模光纤。

本实施中，1550nm的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2分别与第一光开关3的两个端口a、b连接，第一光开关3的端口c与波分复用器4的端口d连接，第一光开关3用于切换光源，使第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2分别输出到波分复用器4，波分复用器4的端口h与第二光开关的端口i连接，第二光开关5的端口j与参考光纤6的一端连接，参考光纤6的另一端通过传感光纤7与波分复用器4的第二光开关5的端口k连接，波分复用器4的端口e和端口f分别连接第一雪崩光电探测器8、第二雪崩光电探测器9。第一光开关3的端口c输出的激光通过端口d进入波分复用器4后，从端口h输出到第二光开关5，当第一光开关5的第一通道接通时，脉冲激光从第二光开关5的端口j进入参考光纤6和传感光纤7发生拉曼散射，背向散射光从端口j返回第二光开关5，然后经端口i输出到波分复用器的端口h，最后从波分复用器的端口e和端口f分别输出反斯托克斯光(1650nm)和斯托克斯光(1450nm)；当第一光开关5的第二通道接通时，脉冲激光从第二光开关5的端口k进入传感光纤7和参考光纤6发生拉曼散射，前向散射光从端口k返回第二光开关5，然后经端口i输出到波分复用器的端口h，最后从波分复用器的端口e和端口f分别输出反斯托克斯光和斯托克斯光。

下面介绍本发明实施例的测量原理。

一、传感光纤拉曼散射信号处理

在传统温度解调中，在传感光纤L位置处所激发的后向拉曼反斯托克斯散射信号的光强为：

实际上，在分布式光纤拉曼传感***中，所用探测信号为脉冲信号，定位原理为脉冲时间飞行法，这种解调方法使高速数据采集卡在任意时刻采集到的信息并非光纤L位置处一点的光强信息，而是光纤传感距离等于半个脉冲时间尺度内的一段拉曼反斯托克斯光强信息的叠加。例如，当探测信号脉冲宽度为

时，高速数据采集卡在对应传感光纤L位置处采集的拉曼反斯托克斯信号的光强实际为：

式中，φ_as(L)表示数据采集卡12在传感光纤L位置采集到的光强累加和，当脉宽为

时，其累加长度为

c为光速，n为光纤的折射率，P为脉冲激光器的入射功率，K_as表示与拉曼反斯托克斯信号背向散射截面有关的系数，S是光纤的背向散射因子，v_as表示拉曼反斯托克斯散射信号的频率，φ_e表示耦合进入光纤的脉冲激光光通量，Δv为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T为传感光纤温度，α₀、α_as分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数。同理，高速数据采集卡在对应光纤L位置处采集的拉曼斯托克斯信号的光强实际为：

式中，K_s表示与拉曼斯托克斯信号背向散射截面有关的系数，v_s为拉曼斯托克斯散射信号的频率，α_s是斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数。

二、后向拉曼反斯托克斯和斯托克斯信号采集

(一)第一脉冲激光器1发出脉冲宽度为w的激光脉冲，通过第一光开关(a端口)、波分复用器、第二光开关(j端口)和参考光纤注入到传感光纤中，产生后向拉曼散射光。然后高速数据采集卡接收到传感光纤位置处的后向拉曼反斯托克斯、斯托克斯散射光(传感光纤沿线的温度和位置分别用T和L表示)。此时高速数据采集卡接收到的信号为传感光纤半个脉冲空间尺度

内散射信号的叠加和，高速数据采集卡对接收的拉曼反斯托克斯光进行模数转换，由此得到拉曼反斯托克斯光的位置和光强信息，其光强可以表示为：

(二)第二脉冲激光器2发出脉冲宽度为w+0.1ns的激光脉冲，通过第一光开关(b端口)、波分复用器、第二光开关(j端口)和参考光纤注入到传感光纤中，产生后向拉曼散射光。高速数据采集卡1接收传感光纤7的后向拉曼反斯托克斯、斯托克斯散射光，其光强表示为：

(三)将上述两个不同脉宽脉冲激光器激发产生的拉曼光强信号进行差值计算，可得：

其中，φ_as1(L)表示数据采集卡(12)采集得到的第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器(2)发出的脉冲激光分别在传感光纤(7)中位置L处产生的后向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1(L)表示数据采集卡(12)采集得到的第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器(2)发出的脉冲激光分别在传感光纤(7)中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差。

三、前向拉曼反斯托克斯和斯托克斯信号采集

(一)第一脉冲激光器1发出脉冲宽度为100ns的激光脉冲，通过第一光开关(a端口)、波分复用器、第二光开关(k端口)注入到传感光纤中，产生前向拉曼散射光。然后高速数据采集卡接收到传感光纤位置处的前向拉曼反斯托克斯、斯托克斯散射光(传感光纤沿线的温度和位置分别用T和L表示，I为传感光纤的总长度)，其光强可以表示为：

(二)第二脉冲激光器2发出脉冲宽度为100.1ns的激光脉冲，通过第一光开关(b端口)、波分复用器、第二光开关(k端口)注入到传感光纤中，产生前向拉曼散射光。高速数据采集卡12接收传感光纤的前向拉曼反斯托克斯、斯托克斯散射光，其光强表示为：

(三)将上述两个不同脉宽脉冲激光器激发产生的拉曼光强信号进行差值计算，可得：

其中，φ_as1f(L)表示数据采集卡(12)采集得到的第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器(2)发出的脉冲激光分别在传感光纤(7)中位置L处产生的前向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1f(L)表示数据采集卡(12)采集得到的第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器(2)发出的脉冲激光分别在传感光纤(7)中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强的差。

四、基于拉曼环路解调装置的分布式温度提取处理过程

(一)由式(8)和式(9)可知，经过差值运算后，传感光纤中的后向拉曼反斯托克斯光差值与斯托克斯的光差值的比值可以表示为：

由式(14)和式(15)可知，经过差值运算后，传感光纤中的前向拉曼反斯托克斯光差值与斯托克斯的光差值的比值可以表示为：

由于本实施例中所采用的高速数据采集卡12的采样率为10GS/s，因此公式(16)与公式(17)所采集点的个数为1。因此公式(16)与公式(17)可分别化解为：

由公式(18)、(19)计算可得：

(二)经过差值运算后，参考光纤中的后向反斯托克斯光强差与斯托克斯的光强差的比值可以表示为：

式中，T_r表示参考光纤的温度。经过差值运算后，参考光纤中的前向斯托克斯光强差与反斯托克斯的光强差比值可以表示为：

由公式(21)、(22)计算可得：

五、光纤拉曼斯托克斯信号的损耗信息采集

(一)在结构裂隙测量之前，将传感光纤保持一个松弛状态，***进行定标处理。在定标阶段，经过第一脉冲激光器和第二脉冲激光器差值处理后的拉曼斯托克斯光强强度可以表示为：

T_o为定标阶段传感光纤的温度。

(二)在测量阶段，由于结构裂隙导致传感光纤产生一个横向的拉力，导致该点光纤的局部损耗信息发生改变，因此，可以通过测量光纤的局部衰减信息进行分布式的结构裂隙监测。在测量阶段，经过第一脉冲激光器和第二脉冲激光器差值处理后的拉曼斯托克斯光强强度可以表示为：

式中，S(L)为斯托克斯信号上的受光纤横向拉力影响的调制因子。

六、可实现高空间分辨率测量的双参量分布式光纤解调处理

通过公式(20)、(23)计算可得传感光纤沿线的分布式温度信息：

通过公式(24)、(25)计算可得到可以反映传感光纤沿线受光纤横向拉力影响的结构裂隙信息的调制因子，计算公式为：

因此，通过式(26)和式(27)，可以解调得到传感光纤7沿线的温度信息和结构裂隙信息。其中，T表示传感光纤7中L处的温度，T_r表示参考光纤的温度，h为普朗克常数，Δv表示拉曼频移，k为波尔兹曼常数，ln表示取对数，φ_as1(L)表示数据采集卡12采集得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在传感光纤7中位置L处产生的后向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1(L)表示数据采集卡12采集得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在传感光纤7中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差，φ_as1f(L)表示数据采集卡12采集得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在传感光纤7中位置L处产生的前向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，φ_s1f(L)表示数据采集卡12采集得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在传感光纤7中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

和

分别表示数据采集卡12采集得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在在参考光纤6中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼斯托克斯散射光光强，

和

分别表示数据采集卡12采集得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在在参考光纤6中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼反斯托克斯散射光光强；S(L)表示测量得到的传感光纤7中位置L处的受光纤横向拉力影响的调制因子；

表示传感光纤7温度设定为T_o的定标阶段测量得到的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在传感光纤7中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

本实施例中，由于传感光纤中位置为L处的拉曼散射光的采集时间为半个脉宽时间，通过对两个脉冲激光器采集到的光强进行相减，得到的是两个脉冲激光的脉宽差的时间尺度内激光的飞行距离，因此，其分辨率的表达式为：

ΔL＝Δt·c/2n； (28)

其中，ΔL表示***的分辨率，Δt表示两个脉冲激光的脉宽差，c表示光速，n表示折射率，当两个脉冲激光的脉宽差为0.1ns时，根据式(28)可以计算得到分辨率ΔL＝Δt·c/2n＝0.1×10^-9·3×10⁸/2·1.57≈0.01m，因此，在0.1～1ns的脉冲宽度差的情况下，本发明可以实现厘米量级的分辨率。

此外，本发明实施例还提供了一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感方法，基于图1所示的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置实现，包括以下步骤：

S1、定标阶段：将传感光纤7的沿线温度设置为T₀，使传感光纤保持松弛，通过第一光开关3使第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别发送至传感光纤5，控制第二光开关5，使其第一通道接通，利用高速数据采集卡12分别采集第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别在传感光纤7中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强φ_s11To(L)和φ_s21To(L)；

S2、测量阶段：使第二光开关5的第一通道接通，使第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别通过第一光开关3，利用高速数据采集卡12分别采集第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光在传感光纤7的L位置处发生的后向拉曼反斯托克斯信号的光强φ_as11(L)和φ_as21(L)以及第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光在传感光纤7的L位置处发生的后向拉曼斯托克斯信号的光强φ_s11(L)和φ_s21(L)，同时，利用高速数据采集卡12分别采集第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光在参考光纤6的任意位置处发生的后向拉曼反斯托克斯信号的光强差

和后向拉曼斯托克斯信号的光强差

然后，使第二光开关5的第二通道接通，使第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光分别通过第一光开关3，利用高速数据采集卡12分别采集第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光在传感光纤5的L位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强φ_as11f(L)和φ_as21f(L)，以及第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光在传感光纤5的L位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强φ_s21f(L)和φ_s11f(L)；同时，利用高速数据采集卡12分别采集第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出的脉冲激光在参考光纤6的任意位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强差

和前向拉曼斯托克斯信号的光强差

S3、计算阶段：将步骤S1和步骤S2测量到的光强信号发送至计算机12，通过计算机12计算得到传感光纤5的沿线温度信息和结构裂隙信息，计算公式为上述的公式(26)和公式(27)。

综上所述，本发明提出了一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置及方法，其基于斯托克斯光解调反斯托克斯光的环路解调原理实现，本发明通过设置两个具有不同脉宽的高功率脉冲激光器，经由光开关分别向传感光纤中注入脉冲宽度为

的脉冲光，然后分别采集两种不同脉宽状态下所激发的前向拉曼散射信号、后向拉曼散射信号进行差值计算，再利用环路解调原理进行传感光纤温度提取。本发明可以保证在不影响传感距离的前提下，将***的空间分辨率优化至厘米量级。另外，本发明还利用拉曼斯托克斯光的损耗特性可以实现温度和结构裂隙的协同监测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，其特征在于，包括第一脉冲激光器（1）、第二脉冲激光器（2）、第一光开关（3）、波分复用器（4）、第二光开关（5）、参考光纤（6）、传感光纤（7）、第一雪崩光电探测器（8）、第二雪崩光电探测器（9）、高速数据采集卡（12）和计算机（13）；所述第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）的激光输出端与所述第一光开关（3）的输入端连接，第一光开关（3）的输出端经波分复用器（4）后与第二光开关（5）的输入端连接，第二光开关（5）的一个输出端依次经参考光纤（6）和传感光纤（7）后与另一个输出端连接；所述第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）分别用于产生脉宽差小于1ns的脉冲激光，第一光开关（3）用于将第一脉冲激光器（1）或第二脉冲激光器（2）产生的脉冲激光依次发送至波分复用器（4）和第二光开关（5），第二光开关（5）用于调节入射至所述参考光纤（6）和传感光纤（7）的光束方向，使参考光纤（6）和传感光纤（7）中分别产生后向拉曼散射和前向拉曼散射；前向拉曼散射光和后向拉曼散射光分别经第二光开关（5）后，由波分复用器（4）分离出拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别被第一雪崩光电探测器（7）和第二雪崩光电探测器（8）探测后输出到高速数据采集卡（12），高速数据采集卡（12）用于分别采集第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的激光脉冲在传感光纤内的各个位置处产生的后向拉曼斯托克斯光的光强、后向拉曼反斯托克斯光的光强、前向拉曼斯托克斯光的光强以及前向拉曼反斯托克斯光的光强，并发送到计算机（13）计算得到传感光纤（5）的沿线温度信息和结构裂隙信息；

所述计算机（13）计算得到传感光纤的沿线温度信息的计算公式为：

；

其中，T表示传感光纤（7）中L处的温度，

表示参考光纤的温度，h为普朗克常数，

表示拉曼频移，k为波尔兹曼常数，ln表示取对数，

表示数据采集卡（12）采集得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在传感光纤（7）中位置L处产生的后向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，

表示数据采集卡（12）采集得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在传感光纤（7）中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

表示数据采集卡（12）采集得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在传感光纤（7）中位置L处产生的前向拉曼反斯托克斯散射光光强的差，

表示数据采集卡（12）采集得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在传感光纤（7）中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强的差，

和

分别表示数据采集卡（12）采集得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在在参考光纤（6）中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼斯托克斯散射光光强，

和

分别表示数据采集卡（12）采集得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在在参考光纤（6）中位置L处产生的前向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼反斯托克斯散射光光强；

所述计算机（13）计算得到传感光纤的沿线结构裂隙的计算公式为：

；

其中，

表示测量得到的传感光纤（7）中位置L处的受光纤横向拉力影响的调制因子；

表示传感光纤（7）温度设定为

的定标阶段测量得到的第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在传感光纤（7）中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强的差。

2.根据权利要求1所述的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，其特征在于，所述第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）输出激光的脉宽大于10ns，其脉宽差为0.1ns。

3.根据权利要求1所述的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，其特征在于，所述第一脉冲激光器（1）的波长为1550nm，重复频率为8KHz，第二脉冲激光器（2）的波长为1550 nm，重复频率为8 KHz，第一雪崩光电探测器（8）和第二雪崩光电探测器（9）的带宽为100MHz、光谱响应范围为900~1700nm，所述波分复用器（4）的工作波长为1450 nm/1550 nm/1650 nm，所述高速数据采集卡（12）的通道数为4，采样率为10 GS/s，带宽为10GHz；所述传感光纤（7）为折射率渐变型多模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置，其特征在于，还包括第一放大器（10）和第二放大器（11），所述第一放大器（10）设置在第一雪崩光电探测器（8）与高速数据采集卡（12）之间，第二放大器（11）设置在第二雪崩光电探测器（9）与高速数据采集卡（12）之间，第一放大器（10）和第二放大器（11）分别用于对第一雪崩光电探测器（8）和第二雪崩光电探测器（9）的探测信号进行放大。

5.一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感方法，基于权利要求1所述的一种厘米量级空间分辨率的双参量分布式光纤传感装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1、定标阶段：将传感光纤（7）的沿线温度设置为T ₀ ，使传感光纤保持松弛，通过第一光开关（3）使第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别发送至传感光纤（5），控制第二光开关（5），使其第一通道接通，利用高速数据采集卡（12）分别采集第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别在传感光纤（7）中位置L处产生的后向拉曼斯托克斯散射光光强

和

；

S2、测量阶段：使第二光开关（5）的第一通道接通，使第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别通过第一光开关（3），利用高速数据采集卡（12）分别采集第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光在传感光纤（7）的L位置处发生的后向拉曼反斯托克斯信号的光强

和

以及第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光在传感光纤（7）的L位置处发生的后向拉曼斯托克斯信号的光强

和

，同时，利用高速数据采集卡（12）分别采集第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光在参考光纤（6）的任意位置处发生的后向拉曼反斯托克斯信号的光强差

和后向拉曼斯托克斯信号的光强差

；

然后，使第二光开关（5）的第二通道接通，使第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光分别通过第一光开关（3），利用高速数据采集卡（12）分别采集第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光在传感光纤（5）的L位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强

和

，以及第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光在传感光纤（5）的L位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强

和

；同时，利用高速数据采集卡（12）分别采集第一脉冲激光器（1）和第二脉冲激光器（2）发出的脉冲激光在参考光纤（6）的任意位置处发生的前向拉曼反斯托克斯信号的光强差

和前向拉曼斯托克斯信号的光强差

；

S3、计算阶段：将步骤S1和步骤S2测量到的光强信号发送至计算机（12），通过计算机（12）计算得到传感光纤（5）的沿线温度信息和结构裂隙信息。

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