CN112880865B - 超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***和方法，***包括脉冲激光源和混沌激光源，混沌激光源与所述第一耦合器输入端连接，第一耦合器的输出端分别与第二耦合器的一个输入端和第二光电探测器连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器的输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的两个输出端分别与传感光纤的两端连接，波分复用器的第三端口与第一光电探测器连接；本发明通过混沌脉冲激光和不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中产生的反斯托克斯光，计算温度和应变信息，提高了传感距离和空间分辨率。

Description

超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***和方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***和方法，其基于混沌脉冲激光与差分脉冲激光进行测量，具有长距离、高空间分辨率及高测量精度。

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、防火防爆等优点。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拉曼散射信号，其中，反斯托克斯信号更容易受到温度的影响，对温度更敏感。因此可以将斯托克斯光和反斯托克斯光用以温度解调，实现光纤沿线分布式温度监测。目前分布式光纤温度传感器的应用前景十分广阔，主要应用于煤矿、隧道、危险品仓库、高层建筑、桥梁、高速公路等灾害性检测、防护及报警等领域。

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，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。由于自发拉曼散射对入纤光功率的最大值有限制，随着传感距离的增加，***信噪比下降，因此难以实现超过100km的传感距离。此外由于分布式温度传感***的传感距离和测量精度主要依赖于温度解调方法，目前，温度解调方法有单路解调及双路解调，单路解调方法是利用拉曼反斯托克斯背散射光通过传感光纤来确定温度。双路解调方法是利用反斯托克斯反散射光与瑞利或斯托克斯反散射光的比值来解调温度。以上方法都是仅将传感光纤的一端连接到分布式温度传感***，然而，这种解调方式的测量结果受外界影响较大。此外，目前的分布式光纤拉曼传感技术还无法实现温度和应变的同时监测。

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***无法同时提高空间分辨率、传感距离、测量精度以及无法同时测量温度和应力的问题。

发明内容

为了解决现有分布式光纤拉曼传感***空间分辨率难以突破1m、传感距离难以突破100km、测量精度受外界影响较大以及***无法同时实现温度和应变这两个参量的连续分布式测量的技术难题，本发明提出了一种基于差分脉冲激光与混沌激光融合的分布式光纤拉曼传感装置及方法，以实现对光纤沿线温度及应变这两种参量进行同时协同监测，并实现100km长距离光纤沿线的毫米量级空间分辨率测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关、第一耦合器、第二耦合器、波分复用器、第二光开关、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡和计算机；

所述混沌激光源的输出端与所述第一耦合器输入端连接，第一耦合器的输出端分别与第二耦合器的一个输入端和第二光电探测器连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器的输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的两个输出端分别与传感光纤的两端连接，波分复用器的第三端口与第一光电探测器连接；

第一光电探测器、第二光电探测器的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端与计算机连接；所述传感光纤的一端设置于恒温槽中；

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤中的脉冲激光方向；

计算机用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度，计算得到传感光纤沿线的温度信息。

所述脉冲激光源为脉冲激光器，混沌激光源包括混沌激光器、隔离器，半导体光放大器，脉冲掺铒光纤放大器；

第一光开关输入端与混沌激光器和脉冲激光器的输出端连接，输出端分别与第二耦合器的另一个输入端和隔离器的输入端连接，隔离器的输出端依次连接半导体光放大器，脉冲掺铒光纤放大器和第一耦合器。

所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，还包括第三耦合器、第四耦合器、第一半导体激光器和第二半导体激光器；

所述第二光开关的两个输出端分别与第三耦合器和第四耦合器的一个输入端连接，第一半导体激光器和第二半导体激光器的输出端分别与第三耦合器和第四耦合器的另一个输入端连接，第三耦合器和第四耦合器的输出端分别与传感光纤的两端连接。

所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，还包括信号放大器，所述第一光电探测器的输出端分别通过信号放大器与数据采集卡连接。

所述脉冲激光的脉冲宽度为M＝100ns，N＝100.01ns，重复频率为1kHz。

所述第一光开关为2×2光开关，第二光开关为1×2光开关，第一耦合器为1×2光纤耦合器，第二耦合器为2×1光纤耦合器，波分复用器为1×2波分复用器。

传感光纤沿线的温度信息的计算公式为：

其中，T表示传感光纤的温度，T₀表示恒温槽温度，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强。

传感光纤沿线的应变信息的计算方法为：

首先计算传感光纤沿线的混沌匹配系数，计算公式为：

其中，

表示传感光纤中位置l处的混沌匹配系数，T’表示接收到的混沌脉冲产生的后向反斯托克斯光与参考混沌脉冲信号的时间长度，Z(l+t)表示在光纤l处产生的后向反斯托克斯光强度，t表示延迟时间，X(t)表示混沌脉冲参考信号强度；

然后，根据混沌匹配系数的斜率，确定传感光纤沿线的应变信息。

本发明还提供了了所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***的传感方法，包括应变测量的步骤和温度测量的步骤，其中，温度测量的步骤为：

S101、通过第一光开关，控制脉冲激光源输出的脉冲宽度为M的脉冲激光入射至第二耦合器，并依次经波分复用器后入射至传感光纤，利用第一光电探测器接收从传感光纤中输出的反斯托克斯光；然后，改变第二光开关，使下一个脉冲从传感光纤的另一端射入，再次利用第一光电探测器接收从传感光纤中输出的反斯托克斯光；

S102、改变脉冲激光源输出的脉冲宽度为N，重复步骤S101的操作；

应变测量的方法为：通过第一光开关，控制混沌激光源输出的混沌激光入射至第一耦合器，利用第一光电探测器和第二光电探测器分别接收传感光纤中产生的反斯托克斯光信号和混沌脉冲信号。

所述步骤S101中，还包括控制第一半导体激光器或第二半导体激光器发出的光与脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤；

所述应变测量的方法中，还包括控制第一半导体激光器或第二半导体激光器发出的光与混沌脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***和方法，利用混沌激光器产生的连续混沌激光经过半导体光放大器进行脉冲调制后，将混沌脉冲信号和沿传感光纤产生拉曼散射回来后经过处理的具有混沌激光特性的拉曼散射信号与混沌脉冲激光信号进行互相关处理，获得光纤沿线的应变信息。同时，通过逐步改变进入传感光纤的脉冲宽度，将不同脉冲宽度下的拉曼散射信号进行差分分层解析技术，突破传统方法中脉冲宽度对***空间分辨率的限制。由于混沌激光的带宽远远大于普通的半导体激光器，而***分辨率受混沌信号的半高全宽影响，带宽越大，半高全宽越小，空间分辨率越高，当混沌激光带宽达到50GHz时，理论空间分辨率可以达到毫米量级。

此外，本发明利用环路双端结构解调原理进行传感光纤温度提取，该结构可以消除环境变化对传感光纤的局域外部物理扰动且提高传感距离。本发明通过布置在传感光纤两端波长为1350nm的半导体激光器，利用光纤受激拉曼散射效应，实现对波长为1450nm的拉曼反斯托克斯光放大，进一步提高***信噪比，从而可以使其传感距离突破100km。另外，本发明还利用混沌拉曼反斯托克斯光的损耗特性以实现温度和应变的协同监测。

附图说明

图1为本发明实施例中的分布式光纤拉曼传感装置的结构示意图；

图中：1-脉冲激光源，2-混沌激光源，3-第一光开关，4-隔离器，5-半导体光放大器，6-脉冲掺铒光纤放大器，7-第一耦合器，8-第二耦合器，9-波分复用器，10-第二光开关，11-第一半导体激光器，12-第二半导体激光器，13-第三耦合器，14-第四耦合器，15-传感光纤，16-第一光电探测器，17-低噪放大器，18-衰减器，19-第二光电探测器，20-数据采集卡，21-计算机，22-恒温槽。

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。

实施例一

本发明实施例一提供了一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其基于差分脉冲激光联合混沌激光调制的测量原理，可实现传感距离长、空间分辨率高、测量精度高的测量效果。

如图1所示，本发明实施例一提供的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，包括脉冲激光源1，混沌激光源2，第一光开关3，隔离器4，半导体光放大器5，脉冲掺铒光纤放大器6，第一耦合器7，第二耦合器8，波分复用器9，第二光开关10，第一半导体激光器11，第二半导体激光器12，第三光纤耦合器13，第四光纤耦合器14，传感光纤15，第一光电探测器16，低噪放大器17，衰减器18，第二光电探测器19，数据采集卡20，计算机21和恒温槽22。

具体地，脉冲激光器1的输出端与第一光开关3的a端口连接；混沌激光器2的输出端与第一光开关3的b端口连接；第一光开关3输出端c与第二耦合器8的a端口连接，第一光开关3输出端d与隔离器4的输入端连接；隔离器4与半导体光放大器5连接；半导体光放大器5与脉冲掺铒光纤放大器6连接；脉冲掺铒光纤放大器6与第一耦合器7的a端口连接；第一耦合器7的b端口与第二耦合器8的b端口连接；第二耦合器8的c端口与波分复用器9的a端口连接；波分复用器9的b端口与第二光开关10的a端口连接；第二光开关10的b端口与耦合器13的a端口连接；耦合器13的b端口、c端口分别与第一半导体激光器11、传感光纤15连接；第二光开关10的c端口与耦合器14的a端口连接；耦合器14的b端口、c端口分别与第二半导体激光器12、传感光纤15连接；波分复用器9的c端口与第一光电探测器16连接；第一光电探测器16与低噪放大器17连接；低噪放大器17与采集卡20连接，采集卡20与计算机21连接；第一耦合器7的c端口与衰减器18输入端连接；衰减器18与第二光电探测器19连接；第二光电探测器19与数据采集卡20连接；采集卡20与计算机21连接；将传感光纤15中1m长的光纤放入恒温槽22中。

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关3用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤15中的脉冲激光方向；第一光电探测器16用于接收脉冲激光和混沌激光在传感光纤中产生并输出的拉曼散射反斯托克斯光。第二光电探测器19用于接收混沌脉冲参考激光。

计算机21用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤15沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度，计算得到传感光纤15沿线的温度信息。

第一半导体激光器11与第二半导体激光器12发出中心波长为1350nm的连续光进入传感光纤后，在传感光纤中产生受激拉曼散射效应，脉冲激光器1产生的脉冲激光在传感光纤中产生的拉曼散射光(反斯托克斯散射光和斯托克斯散射光)和混沌激光器2经过调制后产生的混沌脉冲激光在传感光纤中的拉曼斯托克斯光和反斯托克斯散射光均获得受激拉曼散射产生的连续拉曼散射的调制，使自身信号得到增强，可以提高***信噪比，实现100km长距离传感。

其中，所述第一光开关3为2×2光开关，第二光开关10为1×2光开关，第一耦合器7为1×2光纤耦合器，第二耦合器8为2×1光纤耦合器，波分复用器9为1×2波分复用器。脉冲激光器1首先发出中心波长为1550nm，其用于发出的两种脉冲宽度不同的脉冲激光。混沌激光器2产生的连续混沌激光的波长为1550nm。

(1)温度测量阶段

在温度测量阶段，脉冲激光器1发出中心波长为1550nm，脉冲宽度为M＝100ns的脉冲激光，重复频率为1kHz，在这种情况下可以保证传感距离达到100km。该差分脉冲激光经第一光开关3、第二耦合器8到达波分复用器9后分为两束，其中一束脉冲激光信号经第二光开关10进入传感光纤15，产生的拉曼后向散射信号经第二光开关10返回波分复用器9，其后向散射光中反斯托克斯光进入第一光电探测器16，转换为电信号经过信号放大器17放大，由数据采集卡20将模拟电信号转换为数字电信号，最终进入计算机21进行存储。之后改变第二光开关10的开关状态，使下一个脉冲宽度为M＝100ns的脉冲从传感光纤15的另一端射入，在传感光纤15中经过与上述相反的路径后获得前向散射光强度数据。接下来，改变脉冲激光器1产生的脉冲激光宽度为N＝100.01ns，重复前述步骤，再一次获取前向和后向散射信号的强度数据。将获得的四次前后向散射信号，通过计算机进行解调，获取光纤沿线的温度信息。

在温度解调中，设激光脉冲宽度为W，传感光纤L位置处的拉曼反斯托克斯散射信号(anti-Stokes)强度为：

式中P为脉冲激光器的入射功率，K_as表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，S是光纤的背向散射因子，ν_as是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光光通量，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，R_as(T)是反斯托克斯散射光的温度调制函数：

其中，Δν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。

实际上，脉冲激光产生的后向拉曼散射光是一个连续的信号，经过数据采集卡的模数转换后，连续信号变为多个离散数据点，每个数据点中包含的温度信息对应着传感光纤上的长度为：

其中L’为光纤中对应的长度，c表示光在真空中传输的速度，t表示脉冲宽度，n表示光纤折射率。因为对应区域的温度信息全部都叠加在一个数据点上，因此这个数据点对应的范围中更加细节的温度信息无法区分，这也是限制空间分辨率的主要原因。对于不同脉冲宽度获得的同一位置数据，100ns对应的长度为10m，而100.01ns对应的长度为10.001m，将两个时序信号进行差分处理，即可获得对应光纤长度范围为0.001m的信号，实现***空间分辨率性能提升。此处脉冲M与N的脉冲宽度并不固定，100ns与100.01ns仅仅是为了方便说明。具体地，本实施例中，脉冲宽度在保证不会产生受激拉曼散射的前提下，增加脉冲宽度，提高入纤功率可以增加传感距离。脉冲宽度的差值则会直接影响到空间分辨率，因此，在***软件与硬件条件允许的情况下，脉冲宽度M与N可以尽可能接近，即其差值可以尽可能小，本实施例中，|M-N|取值为0.01ns，可以在满足现有***软硬件的条件下，实现毫米量级的空间分辨率。此外，脉冲宽度M和N的取值范围可以为50ns～150ns，均可以达到本发明的长传感距离的效果。

当脉冲激光器1发出脉冲宽度为M的激光脉冲，通过处于某一状态下的第二光开关10注入到传感光纤15中，产生前向拉曼散射光。然后高速数据采集卡20接收到传感光纤位置处的前向拉曼反斯托克斯散射光(传感光纤沿线的温度和位置分别用T和L表示)，其光强可以表示为：

脉冲激光器1发出脉冲宽度为M的激光脉冲，通过与上述状态不同状态下的第二光开关10注入到传感光纤15中，即脉冲注入传感光纤的方向与前述相反，进而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散射光(传感光纤沿线的温度和位置分别用T和L表示)，其光强可以表示为(5)：

同理，将光开关10处于两种状态，分别得到当脉冲激光器1发出脉冲宽度为N时，产生的前向、后向拉曼反斯托克斯散射光，其光强分别表示为：

将第二光开关10处于同一状态下，脉冲宽度为M和脉冲宽度为N的脉冲激光产生的前向反斯托克斯光做差，获得对应的前向反斯托克斯光强差R_For(T，L)，即：

在上述公式中，

分别表示脉冲宽度M和N的脉冲激光分别产生的前向反斯托克斯光的光强。

同理，将第二光开关10处于另一状态下，脉冲宽度M的脉冲与脉冲宽度为N的脉冲激光产生的后向反斯托克斯光做差，获得对应的后向反斯托克斯光强差R_Back(T，L)，即：

在上述公式中，

分别表示脉冲宽度M和N的脉冲激光分别产生的后向反斯托克斯光的光强。

由于光信号在光纤中传输过程中会产生损耗，在传感光纤不同位置处产生的后向散射信号与衰减有关，为了减少由于测量误差，本发明采用双端结构的分布式温度传感***，具有自解调的双端结构可以沿传感光纤对温度进行解调。在双端分布式温度传感***中，传感光纤的前端设置了一段参考光纤，可以产生参考温度。双端结构下的温度系数可由归一化单端***前后和后向反斯托克斯光强差的几何均值得到，公式如下：

其中，R_Loop(T,L)表示传感光纤中的温度系数，因此，通过上述几何平均得到的温度系数，将其中的衰减系数转换为一个与传感光纤长度有关的常数，当传感光纤的状态不发生变化时，衰减系数也不会变化。同理，处于恒温槽22中温度为T₀的传感光纤，其对应的温度系数为：

其中，

分别表示脉冲宽度M与脉冲宽度为N的脉冲激光在参考光纤处产生的后向反斯托克斯光的光强。

分别表示脉冲宽度M与脉冲宽度为N的脉冲激光在参考光纤处产生的前向反斯托克斯光的光强。

将公式(10)与公式(11)做比，可以消除衰减系数，最终获得温度解调公式：

式中，T表示传感光纤的温度，T₀表示恒温槽温度，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，通过公式(12)可以获得沿传感光纤各点的温度值。

(2)应变测量阶段

在应变测量阶段，改变第一光开关3的开关状态，使混沌激光器2产生的连续混沌激光经过隔离器4进入半导体光放大器5中调制成为混沌脉冲激光，其脉冲宽度为10ns，重复频率1kHz，以实现100km的传感距离。之后混沌脉冲激光经过脉冲掺铒光纤放大器6放大，通过第一耦合器7，分为1：99的两路光，其中能量较强的混沌脉冲激光为探测光，探测光经过第二耦合器8，波分复用器9，第二光开关10后进入传感光纤15中，获得其后向拉曼散射产生的反斯托克斯光数据。将获取的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与获取的参考混沌脉冲信号进行解调，获得传感光纤15沿线的应变信息。

应变解调原理：系数可将获得的混沌脉冲产生的后向斯托克斯光与混沌脉冲参考信号，进行混沌时序匹配运算，通过混沌时序匹配运算的相关得到传感光纤发生应变的位置以及应变引起的附加损耗系数。混沌匹配滤波公式为：

式中，

表示传感光纤l处混沌匹配系数，T’表示收到的混沌脉冲产生的后向反斯托克斯光与参考混沌脉冲信号的时间长度，Z(l+t)表示在光纤l处产生的后向反斯托克斯光强度，t表示延迟时间，X(t)表示混沌脉冲参考信号。

将混沌脉冲参考信号与反斯托克斯光信号进行混沌时序匹配运算，混沌匹配系数

的图像是一条斜率为损耗系数的直线，来自传感光纤未发生应变区域的反斯托克斯信号损耗系数为α₀，来自发生应变区域的反斯托克斯信号损耗系数为α₁＝α₀+Δα，其中Δα为应变引起的附加损耗。通过混沌匹配系数可得到传感光纤发生应变的位置以及应变引起的附加损耗数值Δα。而传感光纤的附加损耗与光纤受到的应力应变呈现一个正线性关系。基于此，本发明可以解调出光纤沿线的应变信息。

实施例二

本发明实施例二提供了实施例一所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***的传感方法，

包括应变测量的步骤和温度测量的步骤，其中，温度测量的步骤为：

S101、通过第一光开关3，控制脉冲激光源输出的脉冲宽度为M的脉冲激光入射至第二耦合器8，并依次经波分复用器9后入射至传感光纤，利用第一光电探测器16接收从传感光纤中输出的反斯托克斯光；然后，改变第二光开关10，使下一个脉冲从传感光纤的另一端射入，再次利用第一光电探测器16接收从传感光纤中输出的反斯托克斯光；

S102、改变脉冲激光源1输出的脉冲宽度为N，重复步骤S101的操作；

应变测量的方法为：通过第一光开关3，控制混沌激光源输出的混沌激光入射至第一耦合器7，利用第一光电探测器16和第二光电探测器19分别接收传感光纤中产生的反斯托克斯光信号和混沌脉冲信号。

温度测量和应变测量完成后，通过数据采集卡和计算机对数据进行采集和处理，可以解调得到传感光纤沿线的温度和应变信息。

进一步地，所述步骤S101中，还包括控制第一半导体激光器14或第二半导体激光器15发出的光与脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤；

所述应变测量的方法中，还包括控制第一半导体激光器14或第二半导体激光器15发出的光与混沌脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤。

综上所述，本发明提供了一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***及方法，利用混沌激光器产生的连续混沌激光经过半导体光放大器进行脉冲调制后，将混沌脉冲信号和沿传感光纤产生拉曼散射回来后经过处理的具有混沌激光特性的拉曼散射信号与混沌脉冲激光信号进行互相关处理，获得光纤沿线的应变信息。同时，通过逐步改变进入传感光纤的脉冲宽度，将不同脉冲宽度下的拉曼散射信号进行差分分层解析技术，突破传统方法中脉冲宽度对***空间分辨率的限制。由于混沌激光的带宽远远大于普通的半导体激光器，而***分辨率受混沌信号的半高全宽影响，带宽越大，半高全宽越小，空间分辨率越高，当混沌激光带宽达到50GHz时，理论空间分辨率可以达到毫米量级。

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 (9)

1.一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关（3）、第一耦合器（7）、第二耦合器（8）、波分复用器（9）、第二光开关（10）、传感光纤（15）、第一光电探测器（16）、第二光电探测器（19）、数据采集卡（20）和计算机（21）；

所述混沌激光源的输出端与所述第一耦合器（7）输入端连接，第一耦合器（7）的输出端分别与第二耦合器（8）的一个输入端和第二光电探测器（19）连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器（8）的另一个输入端连接，第二耦合器（8）的输出端与波分复用器（9）的第一端口连接，波分复用器（9）的第二端口与第二光开关（10）的输入端连接，第二光开关（10）的两个输出端分别与传感光纤（15）的两端连接，波分复用器（9）的第三端口与第一光电探测器（16）连接；

第一光电探测器（16）、第二光电探测器（19）的输出端与数据采集卡（20）连接，数据采集卡（20）的输出端与计算机（21）连接；所述传感光纤（15）的一端设置于恒温槽（24）中；

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关（3）用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤（15）中的脉冲激光方向；

计算机（21）用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤（15）沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度，计算得到传感光纤（15）沿线的温度信息；

传感光纤（15）沿线的温度信息的计算公式为：

其中，T表示传感光纤的温度，T₀表示恒温槽温度，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲产生的反斯托克斯光光强；

分别表示脉冲宽度为N和M的前向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强，

分别表示脉冲宽度为N和M的后向脉冲在参考光纤L₀处产生的反斯托克斯光的光强。

2.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，所述脉冲激光源为脉冲激光器，混沌激光源包括混沌激光器（2）、隔离器（4），半导体光放大器（5），脉冲掺铒光纤放大器（6）；

第一光开关（3）输入端与混沌激光器（2）和脉冲激光器的输出端连接，输出端分别与第二耦合器（8）的另一个输入端和隔离器（4）的输入端连接，隔离器（4）的输出端依次连接半导体光放大器（5），脉冲掺铒光纤放大器（6）和第一耦合器（7）。

3.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，还包括第三耦合器（13）、第四耦合器（14）、第一半导体激光器（11）和第二半导体激光器（12）；

所述第二光开关（10）的两个输出端分别与第三耦合器（11）和第四耦合器（12）的一个输入端连接，第一半导体激光器（11）和第二半导体激光器（12）的输出端分别与第三耦合器（13）和第四耦合器（14）的另一个输入端连接，第三耦合器（13）和第四耦合器（14）的输出端分别与传感光纤（15）的两端连接。

4.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，还包括信号放大器（17），所述第一光电探测器（16）的输出端分别通过信号放大器（17）与数据采集卡（20）连接。

5.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲宽度为M=100ns，N=100.01ns，重复频率为1kHz。

6.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，所述第一光开关（3）为2×2光开关，第二光开关（10）为1×2光开关，第一耦合器（7）为1×2光纤耦合器，第二耦合器（8）为2×1光纤耦合器，波分复用器（9）为1×2波分复用器。

7.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***，其特征在于，传感光纤（15）沿线的应变信息的计算方法为：

首先计算传感光纤沿线的混沌匹配系数，计算公式为：

；

其中，

表示传感光纤中位置l处的混沌匹配系数， T’表示接收到的混沌脉冲产生的后向反斯托克斯光与参考混沌脉冲信号的时间长度，Z（l+t）表示在光纤l处产生的后向反斯托克斯光强度，t表示延迟时间，X(t)表示混沌脉冲参考信号强度；

然后，根据混沌匹配系数的斜率，确定传感光纤沿线的应变信息。

8.根据权利要求1所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***的传感方法，其特征在于，包括应变测量的步骤和温度测量的步骤，其中，温度测量的步骤为：

S101、通过第一光开关（3），控制脉冲激光源输出的脉冲宽度为M的脉冲激光入射至第二耦合器（8），并依次经波分复用器（9）后入射至传感光纤，利用第一光电探测器（16）接收从传感光纤中输出的反斯托克斯光；然后，改变第二光开关（10），使下一个脉冲从传感光纤的另一端射入，再次利用第一光电探测器（16）接收从传感光纤中输出的反斯托克斯光；

S102、改变脉冲激光源（1）输出的脉冲宽度为N，重复步骤S101的操作；

应变测量的方法为：通过第一光开关（3），控制混沌激光源输出的混沌激光入射至第一耦合器（7），利用第一光电探测器（16）和第二光电探测器（19）分别接收传感光纤中产生的反斯托克斯光信号和混沌脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感***的传感方法，其特征在于，所述步骤S101中，还包括控制第一半导体激光器（14）或第二半导体激光器（15）发出的光与脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤；

所述应变测量的方法中，还包括控制第一半导体激光器（14）或第二半导体激光器（15）发出的光与混沌脉冲激光同向进入传感光纤中的步骤。

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