CN206960011U - 基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，采用分布式反馈激光器发出窄线宽的连续光后经光电调制器外调制成脉冲光，之后采用掺铒光纤放大器进行放大，被放大的脉冲光作为入射光进入传感光纤以获得该光纤中的布里渊后向散射信号。本实用新型采用单端输入的方式来获得布里渊散射信号，便于***的安装使用；提出了采用同源外差干涉法来解调信号，避免了一般干涉法对两束光强度相近的要求，简化了测试***；采取一定措施来加强信号，以便于后续处理；同时应用电方法来同时得到布里渊频移和强度的变化，对温度和应变进行解调，实现对二者的同时测量。

Description

基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***。

背景技术

分布式光纤传感***可以定义为：能在连续的光纤长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向变化的仪器或者***。分布式温度、应力传感***通常是将光纤沿温度场、应力场排布，测量光在光纤中传输时产生的携带温度、应力信息的散射光，同时采用光时域反射计OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)技术，就可以对沿光纤传输路径上的温度、应力空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。

基于布里渊散射的分布式传感技术研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他分布式光纤传感技术，因此这种技术在目前得到广泛关注与研究，也被很好地应用于隧道变形监测、大坝结构健康监测和大型民用工程结构健康监测等等。目前尚未有效解决的问题主要有：一是光纤单端测量***安装方便但信号弱检测困难，而双端测量***安装不便；二是由于光纤中光学支声子的寿命短，致使为了精确测量布里渊散射光频移则入射光的脉宽要远大于声子的寿命，这就导致低的空间分辨率；三是没有经济有效的方法来解调温度和应变两大参数。这使得基于布里渊散射的分布式传感***性能指标无法进一步大幅提升，也使得该技术无法大规模商用化。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，实用新型提供了一种基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，旨在解决现有技术中布里渊散射光信号检测困难的问题，检测信号弱或安装复杂、制造成本高的问题，以及温度和应变解调成本高且不适用的问题。

本实用新型的技术方案为：

一种基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，包括：

激光器、第一耦合器、光电调制器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、拉曼滤波器、第二耦合器、第一光电探测器、低通滤波器、放大器、第三耦合器、第二光电探测器、射频放大器、高通滤波器、功率分束器、第一微波探测器、第一低频放大器、频率-强度转换器、第二微波探测器、第二低频放大器和数据处理模块；

激光器产生的入射光经第一耦合器后分为第一支路与第二支路，第一支路的出射光依次通过光电调制器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤后产生后向散射光，后向散射光经过拉曼滤波器后被第二耦合器分成第三支路与第四支路；第三支路的出射光依次经过第一光电探测器、低通滤波器、放大器后由数据处理模块采集与处理，得到第一通道数据；第四支路的出射光与第二支路的出射光在第三耦合器中进行耦合，耦合出射光进入第二光电探测器中进行同源外差干涉，然后再经过射频放大器、高通滤波器后在功率分束器中进行功率分配，经功率分配后的出射光分为两路输出，第一输出的出射光进入第一微波探测器，然后经第一低频放大器后由数据处理模块采集与处理，得到第二通道数据；第二输出的出射光先经过频率-强度转换器，再经过第二微波探测器和第二低频放大器后由数据处理模块采集与处理，得到第三通道数据。

其中，第一支路的出射光通过电光调制器与掺铒光纤放大器连接；掺铒光纤放大器和环形器的第一端口相连；环形器的第二端口一端接入传感光纤，环形器的第三端口与拉曼滤波器相连；拉曼滤波器的输出端与第二耦合器的输入端连接；第二耦合器的第一输出端依次与第一光电探测器、低通滤波器、放大器和数据处理模块；

第三耦合器同时接收第二耦合器的第二输出端出射光和第二支路的出射光，第三耦合器的输出端依次与第二光电探测器、射频放大器、高通滤波器和功率分束器相连，经功率分配后的出射光分为两路输出，第一输出的出射光进入第一微波探测器，然后通过第一低频放大器与数据处理模块相连；第二输出的出射光进入频率-强度转换器，然后依次通过第二微波探测器、第二低频放大器后与数据处理模块相连。

进一步的，所述激光器为分布式反馈激光器。

进一步的，所述第一耦合器的分光比为98:2；所述第二耦合器和第三耦合器的分光比为75:25。

进一步的，所述光电调制器采用铌酸锂强度调制器，用于激光器输出的连续光以便得到合适的脉冲光。

进一步的，掺铒光纤放大器的工作泵浦光源为980nm波长的双向泵浦光源。

进一步的，第一光电探测器的频率响应为125MHz以上，第二光电探测器为3kHz-12GHz。

本实用新型的工作原理：

根据第一通道数据和第二通道数据得到布里渊散射光强度；根据第二通道数据和第三通道数据的得到布里渊频移，即得到由传感光纤感受到的温度变化或应变引起的布里渊后向散射光的强度变化和频移变化，通过布里渊散射光强度得到温度的变化值，再根据所述频移变化和温度的变化值得到传感光纤所感受的应变，实现对温度和应变的同时测量。

根据第一通道数据和第二通道数据得到布里渊散射光强度包括：

根据第一通道数据和第二通道数据首先获得包括瑞利散射光强度和布里渊散射光强度在内的光电流，基于瑞利散射光、布里渊散射光的电磁场表达式，分离得出布里渊散射光强度。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型采用同源外差干涉方法来解调信号，并且该种方法为同源外差干涉，采用同源外差干涉避免了一般干涉对两束光强度相近的要求，简化了测试***；使用从光源中分离出一小束与瑞利散射光同频率的光来加强后向散射光解决输入光脉冲宽度和空间分辨率的矛盾，避免使用高精度的滤光器；采用电方法来分辨布里渊散射信号的频移和强度变化，进而解调出温度和应变，相比于传统方法，可在消除光源不稳或光路扰动等外界因素影响的前提下降低成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***的结构图。

图2是本实用新型实施例提供的解调温度应变的电方法的电路部分结构图。

图3是本实用新型实施例提供的***测试结果图。

其中，分布式反馈激光器1、第一耦合器2、光电调制器3、掺铒光纤放大器4、环形器5、传感光纤6、拉曼滤波器7、第二耦合器8、第一光电探测器9、低通滤波器10、放大器11、第三耦合器12、第二光电探测器13、射频放大器14、高通滤波器15、功率分束器16、第一微波探测器17、第一低频放大器18、频率-强度转换器19、第二微波探测器20、第二低频放大器21和数据处理模块22。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

同源外差干涉是指：使用从光源中分离出的一小束光与瑞利散射光作为同源的相干光，进行干涉，加强后向散射光，解决了输入光脉冲宽度和空间分辨率的矛盾，可以避免使用高精度的滤光器。

正如前文所述的，基于布里渊散射的分布式光纤传感***目前还存在尚未有效解决的问题主要有：一是光纤单端测量***安装方便但信号弱检测困难，而双端测量***安装不便；二是由于光纤中光学支声子的寿命短，致使为了精确测量布里渊散射光频移则入射光的脉宽要远大于声子的寿命，这就导致低的空间分辨率；三是没有经济有效的方法来解调温度和应变两大参数。

为了解决上述问题，本实用新型的一种典型实施例是：

传感***包括：分布式反馈激光器1、第一耦合器2、光电调制器3、掺铒光纤放大器4、环形器5、传感光纤6、拉曼滤波器7、第二耦合器8、第一光电探测器9、低通滤波器10、放大器11、第三耦合器12、第二光电探测器13、射频放大器14、高通滤波器15、功率分束器16、第一微波探测器17、第一低频放大器18、频率-强度转换器19、第二微波探测器20、第二低频放大器21和数据处理模块22；第一耦合器2的输入端连接激光器1，光电调制器3的输入端连接至第一耦合器2的第一输出端，掺铒光纤放大器4的输入端连接至光电调制器3的输出端，环形器5的第一端口连接至掺铒光纤放大器4的输出端，传感光纤6连接至环形器5的第二端口，拉曼滤波器7的输入端连接至环形器5的第三端口，第二耦合器8的输入端连接至拉曼滤波器7的输出端，第一光电探测器9的输入端连接至第二耦合器8的第一输出端，低通滤波器10的输入端连接至第一光电探测器9的输出端，放大器11的输入端连接至低通滤波器10的输出端，放大器11的输出端连接数据处理模块22；

第三耦合器12的第一输入端连接至第二耦合器8的第二输出端，第三耦合器12的第二输入端连接至第一耦合器2的第二输出端，第二光电探测器13的输入端连接至第三耦合器12的输出端，射频放大器14的输入端连接至第二光电探测器13的输出端，高通滤波器15的输入端连接至射频放大器14的输出端，功率分束器16的输入端连接至高通滤波器15的输出端，第一微波探测器17的输入端连接至功率分束器16的第一输出端，第一低频放大器18的输入端连接至第一微波探测器17的输出端，第一低频放大器18的输出端连接数据处理模块22；

频率-强度转换器19的输入端连接至功率分束器16的第二输出端，第二微波探测器20的输入端连接至频率-强度转换器19的输出端，第二低频放大器21的输入端连接至第二微波探测器20的输出端，第二低频放大器21的输出端连接数据处理模块22。

激光器为分布式反馈激光器；第一耦合器的分光比为98:2；所述第二耦合器和第三耦合器的分光比为75:25；光电调制器选用铌酸锂强度调制器来调制激光器输出的连续光以便得到合适的脉冲光；掺铒光纤放大器结构上应选择980nm波长的双向泵浦；第一光电探测器为125MHz，第二光电探测器为3kHz-12GHz。

激光器1输出的光经第一耦合器2分成第一路光和第二路光；第一路光依次通过光电调制器3、掺铒光纤放大器4、环形器5、传感光纤6后产生后向散射光，散射光经过拉曼滤波器7后被第二耦合器8分成第三路光和第四路光；第三路光依次经过第一光电探测器9、低通滤波器10、放大器11后由数据处理模块22进行数据采集与处理，为通道①数据；第四路光与第二路光在第三耦合器12中进行混合，混合光进入第二光电探测器13中进行同源外差干涉，再经过射频放大器14、高通滤波器15后在率分束器16中进行功率分配，一路直接进入第一微波探测器17，然后经第一低频放大器18后由数据处理模块22进行数据采集与处理，为通道②数据；另一路先经过频率-强度转换器19，进而经过第二微波探测器20和第二低频放大器21后由数据处理模块22进行数据采集与处理，为通道③数据。

在光纤中的散射光主要包括瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光。由于拉曼和瑞利散射光的中心波长差异很大，约为100nm，因此一般的光滤波器便可用于滤除拉曼散射光，这样后向散射光中只有瑞利和布里渊散射光。布里渊散射光包括斯托克斯成分和反斯托克斯成分，然而，若是自发布里渊散射光，仅仅检测布里渊频移时，利用本实用新型中的检测方法，无需考虑反斯托克斯成分，因为在布里渊散射光中，温度和应变变化引起的斯托克斯成分和反斯托克斯成分的移动方向是一致的；若是受激布里渊散射，在布里渊散射光中，相较于斯托克斯成分而言，反斯托克斯成分相当微弱，所以反斯托克斯成分可以被忽略。总之，12GHz的高频率探测器的交流输出端口只输出布里渊斯托克斯和瑞利散射光的干涉交流信号。

假设瑞利散射光的电磁场和布里渊散射(斯托克斯成份)光的电磁场如下：E_R(t)＝E_R cos(ω_Rt+φ_R)，E_B(t)＝E_B cos(ω_Rt+φ_B)……(1)其中R表示瑞利散射光，B表示布里渊散射光。鉴于频带为10KHz-12GHz的高频光探测器的光谱相应特性和频率响应特性，可以得到输出光电流为：

这样就可以从高频探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号了。

在本实用新型所采用的同源外差干涉的方法中，无论瑞利散射光还是布里渊散射光得到加强都能使得外差干涉信号加强，鉴于传感光纤中的后向散射光很弱，采用从光源中分离一小部分光来加强信号光，即用98/2的第一光耦合器1从激光器中分离出2％的光与传感光纤的后向散射光合并后进入高频光电探测器中，从而达到加强干涉信号的目的。该方法的依据是，后向瑞利散射是弹性散射，频率不变，与原光源的频率一致。

图2是本实用新型实施例提供的解调温度应变的电方法的电路部分结构图。在图2中通道①数据是直流部分(α是转换系数)，通道②和③数据是交流部分。通道②数据的信号随着后向散射光强度的变化而变化，与布里渊频移的变化无关。通道③数据的信号不仅与后向散射光强度的变化有关而且与布里渊频移有关。那么，就可以在计算机中根据通道①和通道②的数据通过计算得到瑞利散射光强度E_R和布里渊散射光强度E_B；另一方面，可以根据通道②和通道③的数据得到不受强度变化的布里渊频移。因此，可以得到由传感光纤感受到的温度变化或应变引起的布里渊后向散射光的强度变化和频移变化，并且不受光源不稳和光路弯曲等因素的影响。而应变所引起的布里渊散射光强度的变化十分微弱，比温度引起的布里渊散射光强度的变化小3个数量级，所以可忽略应变引起的布里渊散射光强度的变化。因此可以通过布里渊散射光强度的变化得到温度的变化值，然后再根据布里渊频移的变化和温度的变化得到传感光纤所感受的应变的大小。

图3是基于以上步骤，对本实用新型的***进行实验验证得到的温度和应变随布里渊频移变化而变化的关系，验证了该***所用方法的可行性，也充分说明该***可以实现温度和应变的检测，而且所得系数与前任报道的系数一致性很好。

本实用新型考虑了布里渊散射光频移的大小决定于声波速度，因此传感光纤感受的温度和应变会影响光纤内部的声波速度，借此我们可以通过测量布里渊频移来得到传感光纤感受的温度或应变。另一方面，布里渊散射光的强度也受温度和应变的影响，所以通过测量布里渊散射光的频移和强度变化，并且解调就可以同时测量传感光纤感受的温度和应变。

本实用新型提出了采用同源外差干涉方法来解调信号，避免了一般干涉对两束光强度相近的要求，简化了测试***；使用从光源中分离出一小束与瑞利散射光同频率的光来加强后向散射光解决输入光脉冲宽度和空间分辨率的矛盾，避免使用高精度的滤光器；采用电方法来分辨布里渊散射信号的频移和强度变化，进而解调出温度和应变，相比于传统方法，可在消除光源不稳或光路扰动等外界因素影响的前提下降低成本。

本实用新型采用的是基于布里渊散射的分布式光纤传感***，所用技术包括但不仅限于光时域布里渊分析(BOTDA)法和光时域布里渊反射计(BOTDR)法等。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，包括：

激光器、第一耦合器、光电调制器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、拉曼滤波器、第二耦合器、第一光电探测器、低通滤波器、放大器、第三耦合器、第二光电探测器、射频放大器、高通滤波器、功率分束器、第一微波探测器、第一低频放大器、频率-强度转换器、第二微波探测器、第二低频放大器和数据处理模块；

激光器产生的入射光经第一耦合器后分为第一支路与第二支路，第一支路的出射光依次通过光电调制器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤后产生后向散射光，后向散射光经过拉曼滤波器后被第二耦合器分成第三支路与第四支路；第三支路的出射光依次经过第一光电探测器、低通滤波器、放大器后由数据处理模块采集与处理，得到第一通道数据；第四支路的出射光与第二支路的出射光在第三耦合器中进行耦合，耦合出射光进入第二光电探测器中进行同源外差干涉，然后再经过射频放大器、高通滤波器后在功率分束器中进行功率分配，经功率分配后的出射光分为两路输出，第一输出的出射光进入第一微波探测器，然后经第一低频放大器后由数据处理模块采集与处理，得到第二通道数据；第二输出的出射光先经过频率-强度转换器，再经过第二微波探测器和第二低频放大器后由数据处理模块采集与处理，得到第三通道数据。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，

第一支路的出射光通过电光调制器与掺铒光纤放大器连接；掺铒光纤放大器和环形器的第一端口相连；环形器的第二端口一端接入传感光纤，环形器的第三端口与拉曼滤波器相连；拉曼滤波器的输出端与第二耦合器的输入端连接；第二耦合器的第一输出端依次与第一光电探测器、低通滤波器、放大器和数据处理模块；

第三耦合器同时接收第二耦合器的第二输出端出射光和第二支路的出射光，第三耦合器的输出端依次与第二光电探测器、射频放大器、高通滤波器和功率分束器相连，经功率分配后的出射光分为两路输出，第一输出的出射光进入第一微波探测器，然后通过第一低频放大器与数据处理模块相连；第二输出的出射光进入频率-强度转换器，然后依次通过第二微波探测器、第二低频放大器后与数据处理模块相连。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，所述激光器为分布式反馈激光器。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，所述第一耦合器的分光比为98:2；所述第二耦合器和第三耦合器的分光比为75:25。

5.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，所述光电调制器采用铌酸锂强度调制器，用于激光器输出的连续光以便得到合适的脉冲光。

6.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，掺铒光纤放大器的工作泵浦光源为980nm波长的双向泵浦光源。

7.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***，其特征在于，第一光电探测器的频率响应为125MHz以上，第二光电探测器为3kHz-12GHz。