CN116576897A - 多参量光纤分布式传感***及其方法 - Google Patents

多参量光纤分布式传感***及其方法 Download PDF

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CN116576897A CN202310672772.9A CN202310672772A CN116576897A CN 116576897 A CN116576897 A CN 116576897A CN 202310672772 A CN202310672772 A CN 202310672772A CN 116576897 A CN116576897 A CN 116576897A
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Abstract

本申请提供一种多参量光纤分布式传感***及其方法。该***包括固定波长光源、可调谐光源、调制模块，第一、第二光纤耦合器、第一、第二光纤环形器、FBG阵列、窄线宽FBG、第一、第二光电探测器及数据采集和处理模块。固定波长光源输出的光经第一光纤耦合器分别输入到调制模块和第二光纤耦合器；可调谐光源输出的光进入到调制模块；调制模块的输出端连接第一光纤环形器的第一端口；第一光纤环形器的第二和第三端口连接FBG阵列和第二光纤环形器的第一端口；第二光纤环形器的第二和第三端口连接窄线宽FBG和第二光纤耦合器的另一输入端；第一光电探测器连接窄线宽FBG和处理模块；第二光电探测器连接第二光纤耦合器的输出端和处理模块。

Description

多参量光纤分布式传感***及其方法
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种多参量光纤分布式传感***及其方法。
背景技术
光纤分布式传感***得益于光纤的低损耗和大范围覆盖能力，探测范围相比于传统传感器有质的提升，因此，单位面积传感成本较低。另外，光纤传感***还有抗电磁干扰、耐恶劣环境的优势，因此，在传统电子传感器不能满足需求的环境下，光纤传感器都有可能得到应用。分布式声波传感(DAS，Distributed Acoustic Sensing)***，通过探测背向瑞利散射光的幅度、相位和偏振态的变化，进而获得光纤沿线不同位置的声音信息。特别是相位探测，具有灵敏度高、定量探测、性能好的优势，是当前DAS***最常用的探测方法。但是，基于光纤中的背向瑞利散射光的探测也有一定的缺陷，即***受信噪比低以及相干衰落问题的影响，***噪底的降低比较困难。两个问题都可以通过改进探测方式和解调算法的方式在不同程度上解决。增加脉冲的半高全宽可以增加单位光纤长度的散射信号强度，实现***噪底的降低，但是会牺牲***空间分辨率；采用脉冲编码的方式可以增加注入光纤的脉冲能量，在避免非线性效应的产生并维持空间分辨率的前提下降低***噪底，但是信号调制和解调的复杂度会明显提升；应用机器学习算法对探测信号或者解调后的相位信号进行降噪然后解调也可以实现***噪底的降低，但是大大增加了***在解调端的工作量，实时运行成本增加。而对于相干衰落的问题，可以通过多频探测、啁啾脉冲探测或者采用特殊信号解调方法来抑制，但是特殊探测方式增加***复杂度和成本，而特殊的信号解调方法是以增加***算法的资源消耗为代价的，都在不同的层面增加了***的复杂度。
点式散射增强光纤的使用可以同时解决信噪比不足与相干衰落两个问题。散射增强光纤用空间分布上有规律的反射点替代空间随机分布的瑞利散射，大幅度提升了反射信号的强度，增加了信噪比因此使得***更加灵敏。而有规律的反射信号则避免了多个随机反射相干相消造成超低信噪比，不受相干衰落影响。弱反光纤布拉格光栅(FBG)是常见的光纤散射点实现方式。考虑DAS***一般用固定波长的固定波长光源探测，而FBG的光谱受温度和应变的影响，为了避免使用过程中FBG反射光谱偏离探测波长造成返回信号变弱甚至消失的现象，使用散射增强光纤的DAS***通常要求传感光纤中使用较宽谱的FBG。除作为反射元件之外，FBG的反射光谱对温度和应变的敏感性也可以用于应变和温度传感，但是其对FBG光谱的要求则与DAS所需求的宽光谱不同，窄线宽FBG用于光谱测量更灵敏，使得用同样的FBG阵列实现分布式声波、应变和温度传感变得困难。
发明内容
本申请的目的在于提供一种多参量光纤分布式传感***及其方法，能够实现多参量测量的目的。
本申请的一个方面提供一种多参量光纤分布式传感***。所述多参量光纤分布式传感***包括固定波长光源、可调谐光源、调制模块，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、光纤布拉格光栅阵列、窄线宽光纤布拉格光栅、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集和处理模块，其中，
所述固定波长光源输出的光经由所述第一光纤耦合器分别输入到所述调制模块和所述第二光纤耦合器的一个输入端；
所述可调谐光源输出的光进入到所述调制模块；
所述调制模块用于对所述固定波长光源输出的光和所述可调谐光源输出的光分别进行调制，所述调制模块的输出端连接至所述第一光纤环形器的第一端口；
所述第一光纤环形器的第二端口连接所述光纤布拉格光栅阵列，所述第一光纤环形器的第三端口连接所述第二光纤环形器的第一端口；
所述第二光纤环形器的第二端口连接所述窄线宽光纤布拉格光栅，所述第二光纤环形器的第三端口连接所述第二光纤耦合器的另一个输入端；
所述第一光电探测器的输入端连接所述窄线宽光纤布拉格光栅，所述第一光电探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块；
所述第二光电探测器的输入端连接所述第二光纤耦合器的输出端，所述第二光电探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块；及
所述数据采集和处理模块还用于对所述可调谐光源和所述调制模块进行控制。
进一步地，所述多参量光纤分布式传感***还包括光放大器，其中，所述调制模块的输出端经由所述光放大器连接至所述第一光纤环形器的第一端口。
进一步地，所述调制模块包括第三光纤耦合器和调制器，所述调制器包括声光调制器，其中，所述固定波长光源输出的光经由所述第一光纤耦合器进入所述第三光纤耦合器的一个输入端，所述可调谐光源输出的光进入所述第三光纤耦合器的另一个输入端；所述第三光纤耦合器的输出端连接所述调制器的输入端，所述调制器用于将所述固定波长光源输出的光和所述可调谐光源输出的光调制为光脉冲，所述调制器的输出端为所述调制模块的输出端；及所述数据采集和处理模块用于对所述调制器进行控制。
进一步地，所述调制模块包括第一调制器、第二调制器和第三光纤耦合器，所述第一调制器包括声光调制器或电光调制器，所述第二调制器包括声光调制器，其中，所述可调谐光源输出的光进入到所述第一调制器中，所述第一调制器用于将所述可调谐光源输出的光调制为光脉冲；所述固定波长光源输出的光经由所述第一光纤耦合器进入到所述第二调制器中，所述第二调制器用于将所述固定波长光源输出的光调制为光脉冲；所述第一调制器的输出端和所述第二调制器的输出端分别连接所述第三光纤耦合器的两个输入端，所述第三光纤耦合器的输出端为所述调制模块的输出端；及所述数据采集和处理模块用于对所述第一调制器和所述第二调制器进行控制。
进一步地，所述第一光电探测器包括单端探测器，所述第二光电探测器包括平衡探测器，其中，所述第二光纤耦合器的两个输出端分别连接所述平衡探测器的两个输入端，所述平衡探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块。
进一步地，所述第一光电探测器包括单端探测器，所述第二光电探测器包括三个单端探测器，所述第二光纤耦合器包括3×3光纤耦合器，其中，所述第一光纤耦合器不连接所述调制模块的输出端及所述第二光纤环形器的第三端口分别连接所述3×3光纤耦合器的任意两个输入端；及所述三个单端探测器的输入端分别连接所述第二光纤耦合器的三个输出端，所述三个单端探测器的输出端分别连接至所述数据采集和处理模块。
进一步地，所述可调谐光源包括宽谱光源及与所述宽谱光源串联的可调谐滤波器，其中，所述数据采集和处理模块还用于对所述可调谐滤波器进行控制。
进一步地，所述宽谱光源的谱宽满足以下条件：
其中，ΔλBSS代表所述宽谱光源的谱宽，λn和ΔλBWn分别代表所述光纤布拉格光栅阵列中第n个光纤布拉格光栅的中心波长和带宽。
进一步地，所述窄线宽光纤布拉格光栅的中心波长等于所述固定波长光源输出的光的波长。
进一步地，所述固定波长光源的线宽满足以下条件：
其中，Δv代表所述固定波长光源的线宽，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一个光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度，c为光在真空中的速度。
进一步地，所述光纤布拉格光栅阵列中所有光纤布拉格光栅的带宽和中心波长满足以下条件：
ΔλBWn＞2(κ·ΔK+ζ·Δ∈)
其中，ΔλBWn和λn分别代表所述光纤布拉格光栅阵列中第n个光纤布拉格光栅的带宽和中心波长，λ0代表所述窄线宽光纤布拉格光栅的中心波长，κ和ζ分别代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的温度系数和应变系数，ΔK和Δ∈分别代表所述传感***在使用环境下的温度变化范围和应变变化范围。
进一步地，所述可调谐光源的波长范围覆盖所述光纤布拉格光栅阵列中所有光纤布拉格光栅的反射光谱。
进一步地，所述调制器调制出的所述光脉冲的半高全宽和重复频率满足以下条件：
τ·vg≤ΔL
2·fr·(L+ΔL)≤vg
其中，τ代表所述光脉冲的半高全宽，fr代表所述光脉冲的重复频率，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度。
进一步地，所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲的半高全宽相同或不同，所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率相同或不同，所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲同步或具有预定的延迟。
进一步地，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的半高全宽满足以下条件：
其中，τ1代表所述第一调制器调制出的光脉冲的半高全宽，τ2代表所述第二调制器调制出的光脉冲的半高全宽，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度。
进一步地，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲中的其中一个重复频率是另一个重复频率的整数倍，并且，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率满足以下条件：
2·max[fr1，fr2]·(L+ΔL)≤vg
其中，fr1代表所述第一调制器调制出的光脉冲的重复频率，fr2代表所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度。
进一步地，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率相同，并且，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率满足以下条件：
fr·(L+ΔL)≤vg
其中，fr代表所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度；及所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲之间产生的延时。
本申请实施例的多参量光纤分布式传感***结合了DAS***与FBG波长探测***，并利用窄带FBG在分离出DAS***的窄线宽光的同时在宽谱探测FBG反射光谱上引入光谱缺陷作为波长探测参考，实现宽谱FBG波长探测灵敏度和准确度的提升，最终实现单个FBG阵列完成多参量测量的目的。
本申请的另一个方面提供一种多参量光纤分布式传感方法。所述方法包括：将固定波长光源输出的光分为两路；将所述固定波长光源输出的其中一路光与可调谐光源输出的光分别调制为光脉冲；将所述光脉冲入射到宽谱光纤布拉格光栅阵列的传感光纤中；所述光脉冲在所述传感光纤中传播并依次被所述宽谱光纤布拉格光栅阵列中的各个光纤布拉格光栅反射，形成反射光脉冲序列，其中，所述反射光脉冲序列包括来自所述固定波长光源的反射光脉冲序列和来自所述可调谐光源的反射光脉冲序列；所述反射光脉冲序列到达窄线宽光纤布拉格光栅，其中，所述窄线宽光纤布拉格光栅的中心波长等于所述固定波长光源输出的光的波长；来自所述可调谐光源的反射光脉冲序列未被所述窄线宽光纤布拉格光栅反射的部分进入到第一光电探测器中；来自所述固定波长光源的反射光脉冲序列被所述窄线宽光纤布拉格光栅反射后与所述固定波长光源输出的另一路光发生干涉后进入到第二光电探测器中；对所述第一光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现温度或应变的测量；以及对所述第二光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现分布式声波的测量。
进一步地，所述对所述第二光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现分布式声波的测量包括：对收集到的每个脉冲内载波的相位进行解调；通过计算相邻脉冲的相位差，得到脉冲对应的相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的相位变化；及通过相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的所述相位变化来得到相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的声波信号随时间变化的规律。
进一步地，所述对所述第一光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现温度或应变的测量包括：基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量，包括利用收集到的所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，解调获得所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长；及通过所述传感光纤中各个光纤布拉格光栅的波长变化来获得所述光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化。
进一步地，所述可调谐光源的波长范围覆盖所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的反射光谱，所述方法还包括：每调制出一个光脉冲时，所述可调谐光源的波长都相较前一次发生改变；及经过一次覆盖整个扫频范围的测量后获得来自所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱。
进一步地，所述通过所述传感光纤中各个光纤布拉格光栅的波长变化来获得所述光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化包括：通过所述传感光纤中各个光纤布拉格光栅的反射光谱中波长缺陷对应的波长变化来获得各个光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化。
进一步地，所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量包括：针对每一个光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，通过最小值点寻找或者拟合的方法计算得到所述反射光谱中各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长；以及基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长。
进一步地，所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还包括：针对每一个光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，通过比较阈值或线性拟合的方法找到所述反射光谱的上升沿和下降沿所对应的波长；及基于所述反射光谱的上升沿和下降沿所对应的波长及各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来计算归一化波长，其中，所述基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长包括：基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的所述归一化波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的所述归一化波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长。
进一步地，所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还包括：对所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱进行平滑处理，其中，基于平滑之后的光谱来解调获得所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。
进一步地，所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还包括：对所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱与所述窄线宽光纤布拉格光栅的反射光谱进行互相关，其中，基于互相关之后的光谱来解调获得所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。
附图说明
图1为本申请一个实施例的使用可调谐光源和单个调制器的多参量光纤分布式传感***的结构示意图。
图2为本申请一个实施例的可调谐光源和固定波长光源的输出脉冲同步时平衡探测器及单端探测器的输出信号的图示。
图3为本申请一个实施例的具有光谱缺陷的中心波长不同的宽谱FBG阵列的原始反射光谱。
图4为本申请一个实施例的具有光谱缺陷的中心波长不同的宽谱FBG阵列的原始反射光谱平滑之后的光谱。
图5为本申请一个实施例的具有光谱缺陷的中心波长不同的宽谱FBG阵列的原始反射光谱与窄线宽光纤布拉格光栅反射光谱互相关之后的光谱。
图6为本申请一个实施例的采用不同方法处理数据后解调的归一化波长准确度和不确定性的图示。
图7为本申请一个实施例的采用不同方法处理数据后解调的FBG中心波长准确度和不确定性的图示。
图8为图1所示的使用可调谐光源和单个调制器的多参量光纤分布式传感***的另一结构示意图。
图9为本申请一个实施例的使用可调谐光源和两个调制器的多参量光纤分布式传感***的结构示意图。
图10为本申请一个实施例的可调谐光源和固定波长光源的输出脉冲不同步时平衡探测器及单端探测器的输出信号的图示。
图11为图9所示的使用可调谐光源和两个调制器的多参量光纤分布式传感***的另一结构示意图。
图12为本申请一个实施例的使用宽谱光源和单个调制器的多参量光纤分布式传感***的结构示意图。
图13为图12所示的使用宽谱光源和单个调制器的多参量光纤分布式传感***的另一结构示意图。
图14为本申请一个实施例的使用宽谱光源和两个调制器的多参量光纤分布式传感***的结构示意图。
图15为图14所示的使用宽谱光源和单个调制器的多参量光纤分布式传感***的另一结构示意图。
图16为本申请一个实施例的多参量光纤分布式传感方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供了一种多参量光纤分布式传感***。本申请的多参量光纤分布式传感***为一种基于光谱缺陷测量的多参量光纤分布式传感***。本申请使用光纤布拉格光栅对作为声波传感单元，同时，构成声波传感单元的光纤布拉格光栅作为应变或温度传感单元，从而来实现多参量传感，并通过采用时分复用探测方式实现分布式探测。本申请通过测量光纤布拉格光栅对之间的光纤在声波作用下产生的动态相位变化来实现分布式声波测量，通过解调声波探测光源在光栅光谱中产生的光谱缺陷位置移动来监测光栅反射光谱在温度或应变的作用下产生的变化，进而获得光栅所感受温度或应变的变化。本申请实施例的多参量光纤分布式传感***采用单根宽谱光纤布拉格光栅阵列实现多参量探测，光栅既作为反射镜又作为具有光谱选择性的器件，解决了声波测量与温度和应变测量对光纤布拉格光栅的需求不同而无法融合的问题。
以下将结合附图来对本申请所提供的几种实施例的多参量光纤分布式传感***进行详细介绍。
第一实施例
图1揭示了本申请一个实施例的使用可调谐光源120和单个调制器130的多参量光纤分布式传感***100的结构示意图。如图1所示，本申请一个实施例的多参量光纤分布式传感***100包括固定波长光源110、可调谐光源120、调制模块103，第一光纤耦合器OC1、第二光纤耦合器OC2、第一光纤环形器CIR1、第二光纤环形器CIR2、光纤布拉格光栅(FBG，FiberBragg Grating)阵列FBG1～FBGN、窄线宽光纤布拉格光栅FBG0、第一光电探测器140、第二光电探测器150以及数据采集和处理模块160。本申请实施例的多参量光纤分布式传感***100可实现声波和FBG波长测量，而FBG波长可用来测量温度和应变，因此，本申请实施例的多参量光纤分布式传感***100可实现多参量测量的目的。
固定波长光源110输出的光经由第一光纤耦合器OC1分别输入到调制模块103和第二光纤耦合器OC2的一个输入端。可调谐光源120输出的光进入到调制模块103。调制模块103用于对固定波长光源110输出的光和可调谐光源120输出的光分别进行调制，调制模块103的输出端连接至第一光纤环形器CIR1的第一端口。第一光纤环形器CIR1的第二端口连接光纤布拉格光栅阵列FBG1～FBGN，第一光纤环形器CIR1的第三端口连接第二光纤环形器CIR2的第一端口。第二光纤环形器CIR2的第二端口连接窄线宽光纤布拉格光栅FBG0，第二光纤环形器CIR2的第三端口连接第二光纤耦合器OC2的另一个输入端。第一光电探测器140的输入端连接窄线宽光纤布拉格光栅FBG0，第一光电探测器140的输出端连接至数据采集和处理模块160。第二光电探测器150的输入端连接第二光纤耦合器OC2的输出端，第二光电探测器150的输出端连接至数据采集和处理模块160。数据采集和处理模块160还用于对可调谐光源120和调制模块103进行控制。
在一些实施例中，本申请的多参量光纤分布式传感***100还可以包括光放大器170。其中，调制模块103的输出端经由光放大器170连接至第一光纤环形器CIR1的第一端口。
在图1所示的实施例中，调制器130包括第三光纤耦合器OC3和调制器130，调制器130包括声光调制器。其中，固定波长光源110输出的光经由第一光纤耦合器OC1进入第三光纤耦合器OC3的一个输入端；可调谐光源120输出的光进入第三光纤耦合器OC3的另一个输入端；第三光纤耦合器OC3的输出端连接调制器130的输入端；调制器130用于将固定波长光源110输出的光和可调谐光源120输出的光调制为光脉冲，调制器130的输出端为调制模块103的输出端；数据采集和处理模块160用于对调制器130进行控制。
在图1所示的实施例中，第一光电探测器140包括单端探测器PD1，第二光电探测器150包括平衡探测器BPD。其中，第二光纤耦合器OC2的两个输出端分别连接平衡探测器BPD的两个输入端，平衡探测器BPD的输出端连接至数据采集和处理模块160。
窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的中心波长等于固定波长光源110输出的光的波长，即均为λ0。
传感光纤中所使用的光纤布拉格光栅可以为短光栅、啁啾光栅或者逐点刻写的宽谱光栅。传感光纤中的光纤布拉格光栅只需光谱满足仅在特定的波长范围内反射输入光，并且反射光谱带宽明显大于窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的反射光谱谱宽。
下面将详细介绍本申请实施例的多参量光纤分布式传感***100是如何实现声波和光纤布拉格光栅波长测量的。
波长为λ0的固定波长光源110的输出经第一光纤耦合器OC1被分为两路，其中一路作为本地光输入到第二光纤耦合器OC2的一个输入端，另外一路进入第三光纤耦合器OC3的一个输入端。可调谐光源120的输出进入第三光纤耦合器OC3的另一个输入端。固定波长光源110的输出光和可调谐光源120的输出光经第三光纤耦合器OC3汇聚后进入调制器130。该调制器130为声光调制器，将输入光调制为重复频率为fr、移频为Δf、半高全宽为τ的光脉冲。光脉冲经过光放大器170放大后进入第一光纤环形器CIR1的第一端口，并通过其第二端口注入包括宽谱光纤布拉格光栅阵列的传感光纤。宽谱光纤布拉格光栅阵列含有N个FBG。注入传感光纤的探测脉冲如图2的(a)所示。
若传感光纤中第一个光纤布拉格光栅FBG1与最后一个光纤布拉格光栅FBGN的距离为L，固定波长光源110的线宽Δv需满足以下条件：
其中，vg代表光纤在固定波长光源110发出的固定波长为λ0的光中传播的群速度，c为光在真空中的速度。
若传感***在使用环境下的温度变化范围为ΔK，应变变化范围为Δ∈，而光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的温度系数和应变系数分别为κ和ζ，光纤布拉格光栅阵列中第n个光纤布拉格光栅记为FBGn，其中心波长为λn，带宽为ΔλBWn，则光纤布拉格光栅阵列中所有光纤布拉格光栅的带宽和中心波长需要满足以下条件：
ΔλBWn＞2(κ·ΔK+ζ·Δ∈) (2)
传感光纤中FBG的间距可以相等或者不相等，若传感光纤中光纤布拉格光栅之间的最小间距为ΔL，则调制器130调制出的光脉冲的半高全宽τ需满足以下条件：
τ·vg≤ΔL (4)
从而，可以保证来自相邻光纤布拉格光栅的反射脉冲在时域上无交叠。调制器130调制出的光脉冲的重复频率fr需满足以下条件：
2·fr·(L+ΔL)≤vg (5)
入射光脉冲在传感光纤中传播时，依次被光纤中的光纤布拉格光栅反射，形成反射光脉冲序列。FBG阵列返回的反射光脉冲序列中既有来自固定波长光源110的成分，也有来自可调谐光源120的成分。
反射光脉冲序列从第一光纤环形器CIR1的第三端口进入第二光纤环形器CIR2的第一端口，然后到达连接在第二光纤环形器CIR2的第二端口的窄线宽光纤布拉格光栅FBG0，其中心波长为λ0，因此，来自固定波长光源110的反射光脉冲序列被窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射后再次进入第二光纤环形器CIR2的第二端口并从第三端口输出，进入第二光纤耦合器OC2的另一个输入端，与本地光干涉后从第二光纤耦合器OC2的两个输出端输出，并进入平衡探测器BPD的两个输入端。平衡探测器BPD探测得到的电信号为载频为Δf的脉冲序列，序列中的脉冲依次来自传感光纤中的光纤布拉格光栅，数目与传感光纤中的光纤布拉格光栅数目一致，均为N。信号的形式如图2的(c)中的BPD对应的波形所示。
平衡探测器BPD的输出经数据采集和处理模块160后，每个脉冲内载波的相位被解调，然后通过计算相邻脉冲的相位差，得到脉冲对应的FBGn与FBGn-1之间的光纤上的相位变化，记第k次探测后得到的相位差为 随k的变化即代表了第n个和第n+1个光纤布拉格光栅之间光纤上声波信号随时间变化的规律。
来自可调谐光源120未能被窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射的成分被单端探测器PD1探测，得到一个脉冲序列。脉冲序列的形式如图2的(b)中的PD1对应的曲线所示。序列中的脉冲数目、脉冲强度与本次探测中可调谐光源120的波长以及光纤中的光纤布拉格光栅在此波长的反射率相关。该脉冲序列被数据采集和处理模块160采集变为一帧数据后存储，用于后续处理。若数据采集所用的采样间隔为dt，则每帧数据里采样点数Ⅳ2为
可调谐光源120的波长范围[λs，λe]覆盖光纤布拉格光栅阵列中所有光纤布拉格光栅的反射光谱，即满足以下条件：
调制器130每调制出一个脉冲时可调谐光源120的波长都相较前一次发生改变。经过一次覆盖整个扫频范围的测量后，数据采集和处理模块160则会获得来自光纤中所有位置的反射光谱。由于窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的存在，来自可调谐光源120且波长落在窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射光谱内的光会被窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射，因而不会到达单端探测器PD1，在光谱中造成波长缺陷。利用收集到的光纤中所有位置的有波长缺陷的反射光谱，可以得到光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。从而，实现声波和光纤布拉格光栅波长的同时探测。
下面将详细介绍如何实现基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量的。
若可调谐光源120扫过[λs，λe]波长范围所需的时间为T，则需M＝T·fr个脉冲测量完成整个光纤布拉格光栅阵列的光谱测量，完整光纤的光谱数据为一个M×Ⅳ2的矩阵。记第k个光栅的反射光谱为向量{rk，i，i＝1，2，...，M}。
将光谱矩阵的所有行相加，得到一个1×N2的向量，则此向量中可以找到N个脉冲，每一个脉冲对应一个光纤布拉格光栅。找到脉冲后在每一个脉冲峰值前后各取τ/(2dt)个数据点，并将M×Ⅳ2矩阵每一行对应的这些数据点相加，得到一个M×Ⅳ的矩阵。此矩阵每一列均为一个光纤布拉格光栅的反射光谱。因为来自可调谐光源120的光落在窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射波长范围内的信号不会被单端探测器PD1探测到，每一个光纤布拉格光栅的光谱都会在波长λ0附近有一个光谱缺陷。
在缺陷光谱的光纤布拉格光栅波长解调时，可以使用获得缺陷的原始反射光谱(如图3所示)进行。在一些实施例中，也可以先对缺陷的原始反射光谱进行平滑平均去噪(效果如图4所示)，然后再进行缺陷光谱的光纤布拉格光栅波长解调，从而可以增强光谱的信噪比，提升波长计算的精度。在另一些实施例中，也可以先将窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的透射光谱与原始反射光谱进行互相关以降噪(效果如图5所示)，从而可以提升信噪比，进一步提升波长计算的精度。其中，平滑的方法较为简单可以快速完成，互相关降噪相比平滑更为复杂，但是对光谱缺陷的细节保留效果更高，对光谱中缺陷对应的波长λ0′的估算精度更高。
在一些实施例中，对窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的透射光谱进行预先标定，记为向量{ti，i＝1，2，...，M}，窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的透射光谱与原始反射光谱进行互相关操作参照以下公式所示：
其中，C(j)为互相关后的光谱，其长度为2M-1，截除前后多余数据，保留中间M个数据点，得到降噪后的光谱。
针对每一个具有缺陷的光纤布拉格光栅反射光谱，通过比较阈值、线性拟合或者其他方式找到其光谱上升沿和下降沿对应的波长λr′和λf′；同时，也可以通过最小值点寻找或者拟合的方法，计算得到光谱中缺陷对应的波长λ0′，并计算归一化波长Λn，如以下所示：
通过标定和计算可知归一化波长Λn与第n个FBG的中心波长λn的关系，如图6中的(a)所示，归一化波长Λn与第n个FBG的中心波长λn成线性关系。因此，通过测量归一化波长Λn可以获得FBG的中心波长。这样就同时完成了声波和光栅波长的同时测量。
使用原始反射光谱、光谱平滑降噪后和互相关降噪后，解调得到的归一化波长准确度和不确定度的效果如图6所示。其中，图6的(a)、(b)和(c)分别为原始反射光谱、光谱平滑降噪后和互相关降噪后得到的归一化波长Λn与FBG的中心波长的线性关系。图6的(d)、(e)和(f)分别为原始反射光谱、光谱平滑降噪后和互相关降噪后归一化波长Λn的不确定度。由此可以看到降噪后解调得到的归一化波长准确度优于原始反射光谱直接解调效果。
同样，也可以将光谱上升沿和下降沿对应的波长取平均，估计得到FBG反射光谱的第n个FBG的中心波长λ′n。同时通过最小值点寻找或者拟合的方法，计算得到光谱中缺陷对应的波长λ′0。参照已知的窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的波长λ0，可补偿波长扫描的不准确性和漂移，计算得到更准确的FBG波长，矫正后的第n个FBG的中心波长如以下公式所示：
λn＝λ′n+(λ0-λ′0) (9)
使用原始反射光谱、平滑光谱降噪和互相关降噪后，解调得到的FBG中心波长准确度和不确定度的效果如图7所示。其中，图7的(a)、(b)和(c)分别为原始反射光谱、光谱平滑降噪后和互相关降噪后的波长准确度，图7的(d)、(e)和(f)分别为原始反射光谱、光谱平滑降噪后和互相关降噪后的波长不确定度。由此可以看到降噪后解调波长准确度优于原始反射光谱直接解调效果。
图8揭示了图1所示的使用可调谐光源120和单个调制器130的多参量光纤分布式传感***100的另一结构示意图。如图8所示，本申请的多参量光纤分布式传感***100在探测端也可以采用多端探测的方式，然后用单端探测器来代替平衡探测器BPD，得到多个有固定相等相位差的干涉信号，然后用这些信号可以进行相位解调。在图8所示的实施例中，第二光电探测器150包括三个单端探测器PD2、PD3、PD4，第二光纤耦合器OC2包括3×3光纤耦合器。其中，第一光纤耦合器OC1不连接调制器130的输出端及第二光纤环形器CIR2的第三端口分别连接3×3光纤耦合器的任意两个输入端。三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输入端分别连接第二光纤耦合器OC2的三个输出端，三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输出端分别连接至数据采集和处理模块160。探测信号经采集后可以用于声波信号解调。
第二实施例
相比于第一实施例，第二实施例的多参量光纤分布式传感***200为对可调谐光源120与固定波长光源110分别使用两个独立的调制器来产生光脉冲。
图9揭示了本申请一个实施例的使用可调谐光源120和两个调制器的多参量光纤分布式传感***200的结构示意图。如图9所示，调制模块103包括第一调制器131、第二调制器132和第三光纤耦合器OC3，第一调制器131包括声光调制器或电光调制器，第二调制器132包括声光调制器。在图9所示的实施例中，第一光电探测器140包括单端探测器PD1，第二光电探测器150包括平衡探测器BPD，其中，第二光纤耦合器OC2的两个输出端分别连接平衡探测器BPD的两个输入端，平衡探测器BPD的输出端连接至数据采集和处理模块160。
可调谐光源120输出的光进入到第一调制器131中，第一调制器131用于将可调谐光源120输出的光调制为光脉冲；固定波长光源110输出的光经由第一光纤耦合器OC1进入到第二调制器132中，第二调制器132用于将固定波长光源110输出的光调制为光脉冲。第一调制器131的输出端和第二调制器132的输出端分别连接第三光纤耦合器OC3的两个输入端，第三光纤耦合器OC3的输出端为调制器130的输出端。数据采集和处理模块160用于对第一调制器131和第二调制器132进行控制。
具体地，波长为λ0的固定波长光源110的输出经第一光纤耦合器OC1被分为两路，其中一路作为本地光输入到第二光纤耦合器OC2的一个输入端，另外一路进入第二调制器132的输入端，被调制为重复频率为fr2、移频为Δf、半高全宽为τ2的光脉冲。可调谐光源120的输出进入第一调制器131，被调制为重复频率为fr1、半高全宽为τ1的光脉冲。若第一调制器131为电光调制器，则此脉冲无移频；若第一调制器131为声光调制器，则此脉冲有移频，移频量对应的波长变化量为ΔλT。
第一调制器131和第二调制器132调制出的光脉冲的半高全宽可以相等也可以不同。第一调制器131和第二调制器132调制出的光脉冲的重复频率可以相等也可以不同(控制重复频率使得其中一个是另一个的整数倍)。第一调制器131和第二调制器132调制出的光脉冲可以同步，也可以有一定的延迟。
若传感光纤中FBG之间的最小间距为ΔL，则第一调制器131调制出的光脉冲和第二调制器132调制出的光脉冲的半高全宽需满足条件以下条件：
从而，保证来自相邻FBG的反射脉冲在时域上无交叠。
若第一调制器131调制出的光脉冲和第二调制器132调制出的光脉冲中的其中一个重复频率是另一个重复频率的整数倍，并且，若传感光纤中第一个FBG与最后一个FBG的距离为L，第一调制器131调制出的光脉冲和第二调制器132调制出的光脉冲的重复频率满足以下条件：
2·max[fr1，fr2]·(L+ΔL)≤vg (11)
第二实施例中的声波信号的探测和处理、FBG阵列光谱的探测和后续处理方法与第一实施例相同。
若第一调制器131调制出的光脉冲和第二调制器132调制出的光脉冲的重复频率相同，均为fr，并且，第一调制器131调制出的光脉冲和第二调制器132调制出的光脉冲的重复频率fr满足以下条件：
fr·(L+ΔL)≤vg (12)
特别地，当第一调制器131与第二调制器132输出的脉冲重复频率一致时，可以控制两个脉冲的延时使得来自FBG阵列的固定波长光源110反射光与可调谐光源120反射光在时域上互相不重叠，第一调制器131调制出的光脉冲和第二调制器132调制出的光脉冲之间产生的延时。注入传感光纤的探测脉冲如图10的(a)所示，单端探测器PD1和平衡探测器BPD的探测信号如图10的(b)和(c)所示。
当第一调制器131为电光调制器时，FBG光谱的波长解调方法与第一实施例相同。若第一调制器131为声光调制器，则在采用与第一实施例相同的数据处理之后，在波长计算时需补偿掉移频引入的波长平移ΔλT，如以下公式所示：
λn＝λ′n+(λ0-λ′0)-ΔλT (13)
其中，λ′n、λn、λ′0和λ0与上述公式(9)中的定义相同，分别为光谱直接计算得到的第n个FBG的中心波长、矫正后的第n个FBG的中心波长、光谱直接计算得到的光谱缺陷波长和窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的波长。
图11揭示了图9所示的使用可调谐光源120和两个调制器的多参量光纤分布式传感***200的另一结构示意图。如图11所示，本申请的多参量光纤分布式传感***200在声波探测部分中，第二光纤耦合器OC2可以用对称多端口光纤耦合器替代，在输出端，用三个单端耦合器替代平衡探测器BPD。在图11所示的实施例中，第二光电探测器150包括三个单端探测器PD2、PD3、PD4，第二光纤耦合器OC2包括3×3光纤耦合器。其中，第一光纤耦合器OC1不连接调制器130的输出端及第二光纤环形器CIR2的第三端口分别连接3×3光纤耦合器的任意两个输入端。三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输入端分别连接第二光纤耦合器OC2的三个输出端，三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输出端分别连接至数据采集和处理模块160。探测信号经采集后可以用于声波信号解调。
第三实施例
相比于第一实施例，第二实施例的多参量光纤分布式传感***300使用宽谱光源121和可调谐滤波器122来替代可调谐光源120，从而可以降低***的成本。
图12揭示了本申请一个实施例的使用宽谱光源121和单个调制器130的多参量光纤分布式传感***300的结构示意图。如图12所示，用宽谱光源121及与宽谱光源121串联的可调谐滤波器122来替代可调谐光源120，其中，数据采集和处理模块160还用于对可调谐滤波器122进行控制。
在图12所示的实施例中，调制器130包括第三光纤耦合器OC3和调制器130，调制器130包括声光调制器。
在图12所示的实施例中，第一光电探测器140包括单端探测器PD1，第二光电探测器150包括平衡探测器BPD，其中，第二光纤耦合器OC2的两个输出端分别连接平衡探测器BPD的两个输入端，平衡探测器BPD的输出端连接至数据采集和处理模块160。
具体地，波长为λ0的固定波长光源110的输出经第一光纤耦合器OC1被分为两路，其中一路作为本地光输入到第二光纤耦合器OC2的一个输入端，另外一路进入第三光纤耦合器OC3的一个输入端。宽谱光源121的输出进入可调谐滤波器122，可调谐滤波器122的输出进入第三光纤耦合器OC3的另一个输入端。固定波长光源110的输出光和可调谐光源120的输出光经第三光纤耦合器OC3汇聚后进入调制器130。此调制器130为声光调制器，将输入光调制为重复频率为fr、移频为Δf、半高全宽为τ的光脉冲。光脉冲经过光放大器170放大后进入第一光纤环形器CIR1的第一端口，并通过其第二端口注入含有N1个宽谱光纤布拉格光栅阵列的传感光纤。
数据采集和处理模块160对可调谐滤波器122进行控制，确保其扫频周期与调制器130输出的脉冲周期为整数倍关系，则宽谱光源121与可调谐滤波器122的组合与第一实施例中的可调谐光源120等效。
若使用可调谐光源120，则扫频时需跳过与固定波长光源110频率差2Δf以内的波长。若采用宽谱非相关光源则不需要。在一些实施例中，宽谱光源121的谱宽满足以下条件：
其中，ΔλBSS代表宽谱光源121的谱宽，λn和λBWn分别代表光纤布拉格光栅阵列中第n个光纤布拉格光栅的中心波长和带宽。
传感光纤中返回的光信号可按照第一实施例所描述的方式处理，进而得到声波和FBG波长的信息，实现多参量的分布式传感。
图13揭示了图12所示的使用宽谱光源121和单个调制器的多参量光纤分布式传感***300的另一结构示意图。如图13所示，本申请的多参量光纤分布式传感***300在声波探测部分中，第二光纤耦合器OC2可以用对称多端口光纤耦合器替代，然后用单端探测器来代替平衡探测器BPD。在图13所示的实施例中，第二光电探测器150包括三个单端探测器PD2、PD3、PD4，第二光纤耦合器OC2包括3×3光纤耦合器。其中，第一光纤耦合器OC1不连接调制器130的输出端及第二光纤环形器CIR2的第三端口分别连接3×3光纤耦合器的任意两个输入端。三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输入端分别连接第二光纤耦合器OC2的三个输出端，三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输出端分别连接至数据采集和处理模块160。探测信号经采集后可以用于声波信号解调。
第四实施例
相比于第二实施例，第四实施例的多参量光纤分布式传感***400使用宽谱光源121和可调谐滤波器122来替代可调谐光源120。
图14揭示了本申请一个实施例的使用宽谱光源121和两个调制器的多参量光纤分布式传感***400的结构示意图。如图14所示，用宽谱光源121及与宽谱光源121串联的可调谐滤波器122来替代可调谐光源120，其中，数据采集和处理模块160还用于对可调谐滤波器122进行控制。调制模块103包括第一调制器131、第二调制器132和第三光纤耦合器OC3，第一调制器131包括声光调制器或电光调制器，第二调制器132包括声光调制器。
宽谱光源121的输出进入可调谐滤波器122，可调谐滤波器122的输出进入到第一调制器131中；固定波长光源110输出的光经由第一光纤耦合器OC1进入到第二调制器132中，第二调制器132用于将固定波长光源110输出的光调制为光脉冲。第一调制器131的输出端和第二调制器132的输出端分别连接第三光纤耦合器OC3的两个输入端，第三光纤耦合器OC3的输出端为调制器130的输出端。数据采集和处理模块160用于对第一调制器131和第二调制器132进行控制。
在图14所示的实施例中，第一光电探测器140包括单端探测器PD1，第二光电探测器150包括平衡探测器BPD，其中，第二光纤耦合器OC2的两个输出端分别连接平衡探测器BPD的两个输入端，平衡探测器BPD的输出端连接至数据采集和处理模块160。
具体地，波长为λ0的固定波长光源110的输出经第一光纤耦合器OC1被分为两路，其中一路作为本地光输入到第二光纤耦合器OC2的一个输入端，另外一路进入第二调制器132的输入端，被调制为重复频率为fr2、移频为Δf、半高全宽为τ2的光脉冲。宽谱光源121的输出进入可调谐滤波器122，可调谐滤波器122的输出进入到第一调制器131，被调制为重复频率为fr1、半高全宽为τ1的光脉冲。若第一调制器131为电光调制器，则此脉冲无移频；若第一调制器131为声光调制器，则此脉冲有移频，移频量对应的波长变化量为ΔλT。第一调制器131和第二调制器132输出的光脉冲的半高全宽可以相等也可以不同，脉冲重复频率可以相等，也可以控制重复频率使得其中一个是另一个的整数倍。输出的脉冲可以同步，也可以有一定的延迟。
数据采集和处理模块160对可调谐滤波器122进行控制，确保其扫频周期与调制器输出的脉冲周期为整数倍关系，则宽谱光源121与可调谐滤波器122的组合与第一实施例中的可调谐光源120等效。传感光纤中返回的光信号可按照第二实施例所描述的方式处理，进而得到声波和FBG波长的信息，实现多参量的分布式传感。
图15揭示了图14所示的使用宽谱光源121和两个调制器的多参量光纤分布式传感***400的另一结构示意图。如图15所示，本申请的多参量光纤分布式传感***400在声波探测部分中，第二光纤耦合器OC2可以用对称多端口光纤耦合器替代，在输出端，可以用三个单端耦合器PD2、PD3、PD4替代平衡探测器BPD。在图11所示的实施例中，第二光电探测器150包括三个单端探测器PD2、PD3、PD4，第二光纤耦合器OC2包括3×3光纤耦合器。其中，第一光纤耦合器OC1不连接调制器130的输出端及第二光纤环形器CIR2的第三端口分别连接3×3光纤耦合器的任意两个输入端。三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输入端分别连接第二光纤耦合器OC2的三个输出端，三个单端探测器PD2、PD3、PD4的输出端分别连接至数据采集和处理模块160。探测信号经采集后可以用于声波信号解调。
本申请实施例的多参量光纤分布式传感***100、200、300、400结合了DAS***与FBG波长探测***，并利用窄带FBG在分离出DAS***的窄线宽光的同时在宽谱探测FBG反射光谱上引入光谱缺陷作为波长探测参考，实现宽谱FBG波长探测灵敏度和准确度的提升，最终实现单个FBG阵列完成多参量测量的目的。
本申请实施例还提供了一种多参量光纤分布式传感方法。图16揭示了本申请一个实施例的多参量光纤分布式传感方法的流程图。如图16所示，本申请一个实施例的多参量光纤分布式传感方法可以包括步骤S1至步骤S9。
在步骤S1中，将固定波长光源110输出的光分为两路。
在步骤S2中，将固定波长光源110输出的其中一路光与可调谐光源120输出的光分别调制为光脉冲。
在步骤S3中，将光脉冲入射到宽谱光纤布拉格光栅阵列FBG1～FBGN的传感光纤中。
在步骤S4中，光脉冲在传感光纤中传播并依次被宽谱光纤布拉格光栅阵列FBG1～FBGN中的各个光纤布拉格光栅反射，形成反射光脉冲序列，其中，反射光脉冲序列包括来自固定波长光源110的反射光脉冲序列和来自可调谐光源120的反射光脉冲序列。
在步骤S5中，反射光脉冲序列到达窄线宽光纤布拉格光栅FBG0，其中，窄线宽光纤布拉格光栅FBG0的中心波长等于固定波长光源110输出的光的波长。
在步骤S6中，来自可调谐光源120的反射光脉冲序列未被窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射的部分进入到第一光电探测器140中。
在步骤S7中，来自固定波长光源110的反射光脉冲序列被窄线宽光纤布拉格光栅FBG0反射后与固定波长光源110输出的另一路光发生干涉后进入到第二光电探测器中150。
在步骤S8中，对第一光电探测器140的输出进行数据采集和处理后以实现温度或应变的测量。
在步骤S9中，对第二光电探测器150的输出进行数据采集和处理后以实现分布式声波的测量。
在一些实施例中，步骤S9的对第二光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现分布式声波的测量包括步骤S91至步骤S93。在步骤S91中，对收集到的每个脉冲内载波的相位进行解调。在步骤S92中，通过计算相邻脉冲的相位差，得到脉冲对应的相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的相位变化。在步骤S93中，通过相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的相位变化来得到相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的声波信号随时间变化的规律。
在一些实施例中，步骤S8的对第一光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现温度或应变的测量可以包括步骤S81和步骤S82。在步骤S81中，基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量。步骤S81可以包括：利用收集到的传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，解调获得传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。在步骤S82中，通过传感光纤中各个光纤布拉格光栅的波长变化来获得光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化。
在一些实施例中，可调谐光源的波长范围覆盖传感光纤中所有光纤布拉格光栅的反射光谱，本申请的多参量光纤分布式传感方法还包括：每调制出一个光脉冲时，可调谐光源的波长都相较前一次发生改变；及经过一次覆盖整个扫频范围的测量后获得来自传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱。
在一些实施例中，通过传感光纤中各个光纤布拉格光栅的波长变化来获得光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化包括：通过传感光纤中各个光纤布拉格光栅的反射光谱中波长缺陷对应的波长变化来获得各个光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化。
在一些实施例中，步骤S81的基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量可以包括：针对每一个光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，通过最小值点寻找或者拟合的方法计算得到反射光谱中各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长；以及基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长。
在一些实施例中，步骤S81的基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还可以包括：针对每一个光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，通过比较阈值或线性拟合的方法找到反射光谱的上升沿和下降沿所对应的波长；及基于反射光谱的上升沿和下降沿所对应的波长及各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来计算归一化波长。其中，基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长可以包括：基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的归一化波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的归一化波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长。
在一些实施例中，步骤S81的基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还可以包括：对传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱进行平滑处理。其中，可以基于平滑之后的光谱来解调获得传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。
在另一些实施例中，步骤S81的基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还可以包括：对传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱与窄线宽光纤布拉格光栅的反射光谱进行互相关。其中，可以基于互相关之后的光谱来解调获得传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。
本申请实施例的多参量光纤分布式传感方法具有与上面所述的多参量光纤分布式传感***大体相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。
以上对本申请实施例所提供的多参量光纤分布式传感***及其方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的多参量光纤分布式传感***及其方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (28)

1.一种多参量光纤分布式传感***，其特征在于：包括固定波长光源、可调谐光源、调制模块，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、光纤布拉格光栅阵列、窄线宽光纤布拉格光栅、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集和处理模块，其中，
所述固定波长光源输出的光经由所述第一光纤耦合器分别输入到所述调制模块和所述第二光纤耦合器的一个输入端；
所述可调谐光源输出的光进入到所述调制模块；
所述调制模块用于对所述固定波长光源输出的光和所述可调谐光源输出的光分别进行调制，所述调制模块的输出端连接至所述第一光纤环形器的第一端口；
所述第一光纤环形器的第二端口连接所述光纤布拉格光栅阵列，所述第一光纤环形器的第三端口连接所述第二光纤环形器的第一端口；
所述第二光纤环形器的第二端口连接所述窄线宽光纤布拉格光栅，所述第二光纤环形器的第三端口连接所述第二光纤耦合器的另一个输入端；
所述第一光电探测器的输入端连接所述窄线宽光纤布拉格光栅，所述第一光电探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块；
所述第二光电探测器的输入端连接所述第二光纤耦合器的输出端，所述第二光电探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块；及
所述数据采集和处理模块还用于对所述可调谐光源和所述调制模块进行控制。
2.如权利要求1所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：还包括光放大器，
其中，所述调制模块的输出端经由所述光放大器连接至所述第一光纤环形器的第一端口。
3.如权利要求2所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述调制模块包括第三光纤耦合器和调制器，所述调制器包括声光调制器，其中，
所述固定波长光源输出的光经由所述第一光纤耦合器进入所述第三光纤耦合器的一个输入端，所述可调谐光源输出的光进入所述第三光纤耦合器的另一个输入端；
所述第三光纤耦合器的输出端连接所述调制器的输入端，所述调制器用于将所述固定波长光源输出的光和所述可调谐光源输出的光调制为光脉冲，所述调制器的输出端为所述调制模块的输出端；及
所述数据采集和处理模块用于对所述调制器进行控制。
4.如权利要求2所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述调制模块包括第一调制器、第二调制器和第三光纤耦合器，所述第一调制器包括声光调制器或电光调制器，所述第二调制器包括声光调制器，其中，
所述可调谐光源输出的光进入到所述第一调制器中，所述第一调制器用于将所述可调谐光源输出的光调制为光脉冲；
所述固定波长光源输出的光经由所述第一光纤耦合器进入到所述第二调制器中，所述第二调制器用于将所述固定波长光源输出的光调制为光脉冲；
所述第一调制器的输出端和所述第二调制器的输出端分别连接所述第三光纤耦合器的两个输入端，所述第三光纤耦合器的输出端为所述调制模块的输出端；及
所述数据采集和处理模块用于对所述第一调制器和所述第二调制器进行控制。
5.如权利要求3或4所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一光电探测器包括单端探测器，所述第二光电探测器包括平衡探测器，其中，
所述第二光纤耦合器的两个输出端分别连接所述平衡探测器的两个输入端，所述平衡探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块。
6.如权利要求3或4所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一光电探测器包括单端探测器，所述第二光电探测器包括三个单端探测器，所述第二光纤耦合器包括3×3光纤耦合器，其中
所述第一光纤耦合器不连接所述调制模块的输出端及所述第二光纤环形器的第三端口分别连接所述3×3光纤耦合器的任意两个输入端；及
所述三个单端探测器的输入端分别连接所述第二光纤耦合器的三个输出端，所述三个单端探测器的输出端分别连接至所述数据采集和处理模块。
7.如权利要求3或4所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述可调谐光源包括宽谱光源及与所述宽谱光源串联的可调谐滤波器，其中
所述数据采集和处理模块还用于对所述可调谐滤波器进行控制。
8.如权利要求7所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一光电探测器包括单端探测器，所述第二光电探测器包括平衡探测器，其中
所述第二光纤耦合器的两个输出端分别连接所述平衡探测器的两个输入端，所述平衡探测器的输出端连接至所述数据采集和处理模块。
9.如权利要求7所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一光电探测器包括单端探测器，所述第二光电探测器包括三个单端探测器，所述第二光纤耦合器包括3×3光纤耦合器，其中
所述第一光纤耦合器不连接所述调制模块的输出端及所述第二光纤环形器的第三端口分别连接所述3×3光纤耦合器的任意两个输入端；及
所述三个单端探测器的输入端分别连接所述第二光纤耦合器的三个输出端，所述三个单端探测器的输出端分别连接至所述数据采集和处理模块。
10.如权利要求7所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述宽谱光源的谱宽满足以下条件：
其中，ΔλBSS代表所述宽谱光源的谱宽，λn和ΔλBWn分别代表所述光纤布拉格光栅阵列中第n个光纤布拉格光栅的中心波长和带宽。
11.如权利要求1所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述窄线宽光纤布拉格光栅的中心波长等于所述固定波长光源输出的光的波长。
12.如权利要求11所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述固定波长光源的线宽满足以下条件：
其中，Δv代表所述固定波长光源的线宽，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一个光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度，c为光在真空中的速度。
13.如权利要求11所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述光纤布拉格光栅阵列中所有光纤布拉格光栅的带宽和中心波长满足以下条件：
ΔλBWn＞2(κ·ΔK+ζ·Δ∈)
其中，ΔλBWn和λn分别代表所述光纤布拉格光栅阵列中第n个光纤布拉格光栅的带宽和中心波长，λ0代表所述窄线宽光纤布拉格光栅的中心波长，κ和ζ分别代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的温度系数和应变系数，ΔK和Δ∈分别代表所述传感***在使用环境下的温度变化范围和应变变化范围。
14.如权利要求11所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述可调谐光源的波长范围覆盖所述光纤布拉格光栅阵列中所有光纤布拉格光栅的反射光谱。
15.如权利要求3所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述调制器调制出的所述光脉冲的半高全宽和重复频率满足以下条件：
τ·vg≤ΔL
2·fr·(L+ΔL)≤vg
其中，τ代表所述光脉冲的半高全宽，fr代表所述光脉冲的重复频率，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度。
16.如权利要求4所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲的半高全宽相同或不同，所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率相同或不同，所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲同步或具有预定的延迟。
17.如权利要求16所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的半高全宽满足以下条件：
其中，τ1代表所述第一调制器调制出的光脉冲的半高全宽，τ2代表所述第二调制器调制出的光脉冲的半高全宽，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度。
18.如权利要求16所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲中的其中一个重复频率是另一个重复频率的整数倍，并且，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率满足以下条件：
2·max[fr1，fr2]·(L+ΔL)≤vg
其中，fr1代表所述第一调制器调制出的光脉冲的重复频率，fr2代表所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度。
19.如权利要求16所述的多参量光纤分布式传感***，其特征在于：所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率相同，并且，所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率满足以下条件：
fr·(L+ΔL)≤vg
其中，fr代表所述第一调制器和所述第二调制器调制出的光脉冲的重复频率，L代表所述光纤布拉格光栅阵列中第一光纤布拉格光栅与最后一个光纤布拉格光栅的距离，ΔL代表所述光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的最小间距，vg代表光纤在固定波长光源发出的固定波长的光中传播的群速度；及
所述第一调制器调制出的光脉冲和所述第二调制器调制出的光脉冲之间产生的延时。
20.一种多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：包括：
将固定波长光源输出的光分为两路；
将所述固定波长光源输出的其中一路光与可调谐光源输出的光分别调制为光脉冲；
将所述光脉冲入射到宽谱光纤布拉格光栅阵列的传感光纤中；
所述光脉冲在所述传感光纤中传播并依次被所述宽谱光纤布拉格光栅阵列中的各个光纤布拉格光栅反射，形成反射光脉冲序列，其中，所述反射光脉冲序列包括来自所述固定波长光源的反射光脉冲序列和来自所述可调谐光源的反射光脉冲序列；
所述反射光脉冲序列到达窄线宽光纤布拉格光栅，其中，所述窄线宽光纤布拉格光栅的中心波长等于所述固定波长光源输出的光的波长；
来自所述可调谐光源的反射光脉冲序列未被所述窄线宽光纤布拉格光栅反射的部分进入到第一光电探测器中；
来自所述固定波长光源的反射光脉冲序列被所述窄线宽光纤布拉格光栅反射后与所述固定波长光源输出的另一路光发生干涉后进入到第二光电探测器中；
对所述第一光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现温度或应变的测量；以及
对所述第二光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现分布式声波的测量。
21.如权利要求20所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述对所述第二光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现分布式声波的测量包括：
对收集到的每个脉冲内载波的相位进行解调；
通过计算相邻脉冲的相位差，得到脉冲对应的相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的相位变化；及
通过相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的所述相位变化来得到相邻光纤布拉格光栅之间的光纤上的声波信号随时间变化的规律。
22.如权利要求20所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述对所述第一光电探测器的输出进行数据采集和处理后以实现温度或应变的测量包括：
基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量，包括：
利用收集到的所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，解调获得所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长；及
通过所述传感光纤中各个光纤布拉格光栅的波长变化来获得所述光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化。
23.如权利要求22所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述可调谐光源的波长范围覆盖所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的反射光谱，所述方法还包括：
每调制出一个光脉冲时，所述可调谐光源的波长都相较前一次发生改变；及
经过一次覆盖整个扫频范围的测量后获得来自所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱。
24.如权利要求23所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述通过所述传感光纤中各个光纤布拉格光栅的波长变化来获得所述光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化包括：
通过所述传感光纤中各个光纤布拉格光栅的反射光谱中波长缺陷对应的波长变化来获得各个光纤布拉格光栅所感受的温度或应变的变化。
25.如权利要求24所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量包括：
针对每一个光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，通过最小值点寻找或者拟合的方法计算得到所述反射光谱中各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长；以及
基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长。
26.如权利要求25所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还包括：
针对每一个光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱，通过比较阈值或线性拟合的方法找到所述反射光谱的上升沿和下降沿所对应的波长；
基于所述反射光谱的上升沿和下降沿所对应的波长及各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来计算归一化波长，
其中，所述基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的波长缺陷对应的波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长包括：
基于预先标定出的各个光纤布拉格光栅的所述归一化波长及其中心波长的关系，并根据计算得到的各个光纤布拉格光栅的所述归一化波长来获得各个光纤布拉格光栅的中心波长。
27.如权利要求22所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还包括：
对所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱进行平滑处理，
其中，基于平滑之后的光谱来解调获得所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。
28.如权利要求22所述的多参量光纤分布式传感方法，其特征在于：所述基于光谱缺陷的光纤布拉格光栅波长测量还包括：
对所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的带有波长缺陷的反射光谱与所述窄线宽光纤布拉格光栅的反射光谱进行互相关，
其中，基于互相关之后的光谱来解调获得所述传感光纤中所有光纤布拉格光栅的波长。
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CN116956226A (zh) * 2023-09-19 2023-10-27 之江实验室 一种基于自监督式信号融合的das动态范围提升方法和设备
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