高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统的制作方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度应变测量技术领域，具体涉及在保持长距离（>50公里）、高测量精度（±1℃, ±20με）的性能参数同时，基于脉冲对二次布里渊频谱差分技术实现空间分辨率达到厘米量级的分布式光纤温度应变传感系统。

背景技术：

在基于自发布里渊散射的分布式光纤传感（BOTDR）系统中，入射脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生后向布里渊散射光，此散射光相对于入射光的频移受到温度和应变的影响，针对通信波段的单模光纤，布里渊自发散射光相对于入射光频移约为11GHz，其中温度引起布里渊频移的线性系数为1.09±0.08MHz/℃，应变引起布里渊频移的线性系数为0.052±0.004MHz/με，利用高速探测器实时记录背向布里渊散射光的时域强度谱图，通过分析布里渊散射光的频移量就可以得到光纤沿线的温度和应变分布信息。BODTR系统定位是基于光时域反射的原理，理论上光脉冲越窄，空间定位精度越高，光脉冲窄至10ns对应空间定位精度为1m，但光纤中布里渊效应参与作用的声学声子寿命为10ns左右，当光脉冲窄至低于10ns时，布里渊非线性效应的作用不够充分，使得布里渊增益急剧下降，而最终使得传感信噪比劣化严重，温度和应变的测量准确度也急剧下降。因此，传统BOTDR系统空间定位精度极限为1m，而且由于布里渊非线性效应的作用不充分，在1m极限空间分辨率情况下，系统的传感距离和测量准确度均很大程度上有所劣化。而在很多实际的工程应用领域，如大坝、桥梁、输油管道、油库等场合，高空间分辨率有助于及时捕捉细小裂缝、微弱形变以及温度梯度等危险情况进而及时进行定位处理。因此，发展新一代BOTDR系统，充分利用高测量精度（±1℃, ±20με）的性能优势，进一步解决实现空间分辨率达到厘米量级，同时传感距离可以达到几十公里，是一个非常值得研究且具有很好应用价值的科学和技术问题。

在目前已有的长距离分布式光纤传感系统技术中，实现高空间分辨率的应用，有如下几种方式，一是通过光纤螺旋缠绕的方式，使得几米长度的光纤对应被测结构空间距离上小于一米的范围，从而提高被测结构体的传感空间分辨率，但此技术本质上极大缩短了系统的实际传感范围，且无法适用被测结构体的应变和变形监测领域（中国专利200910032861）；二是基于预脉冲泵浦或者脉冲对差分的布里渊光时域分析仪（BOTDA）技术（Opt. Lett. 30, 370-372 (2005)；Opt. Express 16, 21616-21625 (2008)），此技术是基于受激布里渊放大效应原理，通过预脉冲泵浦激发声学声子能量场或脉冲对差分的方式，实现空间分辨率的提高，但BOTDA技术需要双端注入激光，且需要对泵浦激光进行高精度高重复性的调谐，因此系统结构复杂且在实际工程应用中存在光纤回路，缩短了测量距离；三是布里渊光相关域分析技术（BOCDA），此系统主要是为了改善传感空间分辨率和采样率而提出的一种分析技术，目前它已经能实现小尺寸物体上1cm空间分辨率的测量，采样率已经达到57Hz，可以实现应变的动态测量，有望取代基于FBG的点传感器（IEEE Photon. Technol. Lett. 14, 179-181(2002)）。但此技术的传感范围非常有限，只能达到几米空间范围，不适合大型结构建筑的安全监测。这几种技术采取了不同的技术方案，实现高空间分辨率的传感，但都引入了一些新的问题，如缩短的传感距离，存在传感回路等，也不适合用于实际大型工程健康监测场合。

技术实现要素：

为了克服在先技术的缺点，更好地满足在保持长距离（50公里）、高测量精度（±1℃, ±20με）的性能参数同时，实现空间分辨率达到厘米量级的分布式光纤温度应变传感系统，本发明提供一种基于二次频谱差分技术实现高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感的方案。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，该系统基于脉冲对二次频谱差分技术，所述脉冲对二次频谱差分技术执行过程包括：两个脉冲宽度不同且分别为τ₁和τ₂的脉冲注入传感光纤作为探测脉冲，对每个探测脉冲在传感光纤中产生的时域布里渊散射信号，利用FFT频谱分析方法来获取布里渊谱；当注入探测脉冲宽度为τ₁时，分别提取FFT数据时间窗口宽度为T₁和T₂的数据，进行频谱分析，得到两个布里渊谱，分别为G₁(v)和G₂(v)；当注入探测脉冲宽度为τ₂时，通过同样的处理过程分别得到另外两个布里渊谱G₃(v)和G₄(v)；通过二次差分运算得到等效高空间位置所对应布里渊频谱值为G_dd(v)=[(G₁(v)-G₂(v))-(G₃(v)- G₄(v))]，此二次频谱差分技术中光脉冲对脉宽τ₁和τ₂在20ns~100ns内，布里渊非线性效应作用充分，使得系统在保持较高信噪比情况下获取几十公里传感范围的信息，实现高空间分辨率、长距离、高测量精度的分布式光纤温度应变传感系统；所述高空间分辨率为cm量级，所述长距离指大于50公里，所述高测量精度为±1℃, ±20με。

进一步地，FFT数据时间窗口宽度为T₁和T₂比脉冲宽度τ₁和τ₂大。

进一步地，所述系统包括窄线宽单频激光器、第一光纤耦合器、光放大器、光脉冲调制器、驱动模块、光放大器、光纤环行器、宽带移频器、第二光纤耦合器、传感光纤、光电探测器、信号采集和处理单元，其中窄线宽单频激光器的尾纤输出和第一光纤耦合器的第一端口相连，第一光纤耦合器的第二端口与光放大器的输入端口相连，光放大器的输出端口与光脉冲调制器的输入端口相连，光脉冲调制器的驱动端口与驱动模块相连，光脉冲调制器的输出端口与光放大器的输入端口相连，光放大器的输出端口与光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口与传感光纤相连，光纤环行器的第三端口-与第二光纤耦合器的输入端口相连；第一光纤耦合器的第三端口与宽带移频器的输入端口相连，宽带移频器的输出端口与第二光纤耦合器的输入端口相连，宽带移频器输出的本地光与后向布里渊散射光在第二光纤耦合器处实现光学相干拍频，第二光纤耦合器的输出端接到光电探测器的光学输入端口，光电探测器的电学输出端口连接到信号采集和处理单元，在信号采集和处理单元中实现整个系统的传感信号采集和处理。

进一步地，所述光脉冲调制器为高速电光强度调制器，响应带宽≥10GHz。

进一步地，所述驱动模块，用于产生超快上升/下降沿的电学脉冲驱动光脉冲调制器，驱动模块响应带宽≥10GHz，电脉冲上升下降沿≤0.1ns，可以选用高速任意波形发生器。

进一步地，宽带移频器包括光纤环行器、光放大器、延迟光纤和光纤耦合器，宽带移频器的输入端口和光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口和光放大器的输入端口相连，光放大器的输出端口和延迟光纤相连，延迟光纤的另一端与光纤耦合器的第一端口相连，光纤耦合器的第三端口与光纤环行器的第三端口相连，闭合形成一个大的逆时针单向光纤环路，光纤耦合器的第二端口作为布里渊激光移频器的输出端口也即宽带移频器的输出端口。

进一步地，宽带移频器包括电光强度调制器、微波信号发生器、光纤环形器和光纤光栅，宽带移频器的输入端口和电光强度调制器的第一端口相连，微波信号发生器连接到电光强度调制器的电学控制端口，电光强度调制器的第二端口和光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口和光纤光栅相连，光纤环行器的第三端口作为微波移频器的输出端口也即宽带移频器的输出端口。

进一步地，所述的窄线宽单频激光器为连续输出的激光光源，其工作波长在系统各个光学子器件和传感光纤工作的带宽范围内，可采用1550nm通信波段，激光器为单纵模运转的高相干光源，线宽≤1MHz，输出功率≥1mW。可以选用kHz线宽的磷酸盐高增益玻璃光纤激光器，或者采用MHz线宽的半导体激光器。

进一步地，所述的分光光纤耦合器为1×2的光纤耦合器，中心波长为1550nm，分束比根据上下两路的光学子器件的性能和损耗确定。

进一步地，所述的两个光放大器，可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的1550nm波段的半导体光放大器（SOA）。

进一步地，所述的光脉冲调制器，可以选用高速电光强度调制器，为了实现厘米量级空间分辨率对应的窄光脉冲差，要求此光脉冲调制器的响应带宽≥10GHz。

所述的光纤环行器是一个三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用；所述的传感光纤是用于温度和应变分布式测量的敏感单元，一般选用损耗较小的普通单模光纤；

所述的宽带移频器为实现将种子激光器的光频下移约11GHz，使得光学拍频后的频差处于几百MHz的中频波段，便于系统的探测器和采集处理设备带宽以及成本的降低，可以选用光纤布里渊激光器的实现方案，或者选用微波调制移频的实现方案。

所述第二光纤耦合器为拍频光纤耦合器，用于实现自发布里渊散射光与宽带移频后的本地相干光进行光学相干拍频，光纤耦合器为2×2的光纤耦合器，中心波长为1550nm，分束比为50:50。

所述的光电探测器，要求响应波段覆盖种子激光光源的波长范围，响应带宽≥10GHz；所述的信号采集和处理单元，要求数据采集设备的带宽大于500MHz，采集速率≥1GS/s，信号处理采取高速并行处理架构。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

（1）本发明的高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，结构简单、紧凑、操作简便，仅通过注入脉宽略有差别的传感光脉冲对，基于二次频谱差分解调技术，即可有效实现空间分辨率的极大提高；

（2）本发明的高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，采用的光脉冲脉宽为几十ns量级，布里渊非线性效应作用充分，可保证系统温度和应变的高测量精度和以及系统超长的测量范围。

附图说明

图1 是本发明基于脉冲对二次频谱差分技术实现高空间分辨率的原理图；

图2 是高空间分辨率分布式光纤传感系统的结构示意图；

图3 本发明的宽带移频器的结构示意图一；

图4 本发明的宽带移频器的结构示意图二。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本发明的基本原理如下：脉宽τ的光脉冲注入到BOTDR系统传感光纤中，其空间定位精度为：ΔL=cτ/2n，其中c为光在真空中的传播速度3×10⁸m/s，n为光纤折射率约为1.5，解调得到的布里渊频谱包括了空间定位精度ΔL范围内的综合传感信息，根据解调得到的布里渊频谱无法实现空间定位信息的进一步细分。在BOTDR系统传感光纤中交替注入脉宽不同的光脉冲τ₁和τ₂，将脉宽τ₁和τ₂设置在20ns~100ns范围内，由于光纤中布里渊效应的声学声子寿命为10ns左右，此脉宽设置可以保证布里渊非线性作用充分，从而保证布里渊频移的测量精度和较长的测量范围。

如图1所示，将两个宽度不同的脉冲（τ₁和τ₂）注入传感光纤作为探测脉冲，对每个脉冲在传感光纤中产生的时域布里渊散射信号，利用FFT频谱分析方法来获取布里渊谱。当注入探测脉冲宽度为τ₁时，分别提取FFT数据时间窗口宽度为T₁和T₂的数据（T₁和T₂比脉冲宽度τ₁和τ₂大5ns左右），进行频谱分析，可以得到两个布里渊谱，分别为G₁(v)和G₂(v)。当注入探测脉冲宽度为τ₂时，通过同样的处理过程可以分别得到另外两个布里渊谱G₃(v)和G₄(v)。通过二次差分运算得到的差分布里渊谱结果值可表示为G_dd(v)=[(G₁(v)- G₂(v))-(G₃(v)- G₄(v))]。

脉宽τ₁光脉冲注入到传感光纤中，其空间分辨率为ΔL₁；脉宽τ₂=τ₁-Δτ光脉冲注入到传感光纤中，其空间分辨率为ΔL₂=ΔL₁-εL。空间ΔL₂范围包括ΔL₁和εL两部分，其空间覆盖差值部分εL的传感信息可以由上式中的差分布里渊频谱信息G_dd(v)得到，在差分频谱G_dd(v)中，共同频谱成份已经被减去抵消，空间范围εL对应的传感信息可以明显体现出来。由于εL=cΔτ /2n，因此合理设计Δτ远远小于脉宽τ₁和τ₂，可以使得空间分辨率得到极大提高。当Δτ设置在0.1~1ns范围内时，系统对应的空间分辨率可高达1~10cm。另外，相比较传统技术采用窄光脉冲（<10ns）实现小于1m空间分辨率的传感系统，此系统中光脉冲脉宽τ₁和τ₂设计在20ns~100ns范围内，光脉冲携带的探测光能量很大，脉宽大于光纤中布里渊效应的声学声子寿命10ns，布里渊非线性效应作用充分，使得可以在保持较高系统信噪比情况下采集获取几十公里传感范围的信息，最终实现高空间分辨率（cm量级）、长距离（>50公里）、高测量精度（±1℃, ±20με）的分布式光纤温度应变传感系统。

根据以上基本原理，本发明的基于脉冲对二次频谱差分技术的高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统的结构如图2所示，窄线宽单频激光器1的尾纤输出和第一光纤耦合器2的第一端口2-1相连，第一光纤耦合器2的第二端口2-2与光放大器3的输入端口相连，光放大器3的输出端口与光脉冲调制器4的输入端口相连，光脉冲调制器4的驱动端口与驱动模块5相连，光脉冲调制器4的输出端口与光放大器6的输入端口相连，光放大器6的输出端口与光纤环行器7的第一端口7-1相连，光纤环行器7的第二端口7-2与传感光纤10相连，光纤环行器7的第三端口7-3与第二光纤耦合器9的输入端口9-1相连；光纤耦合器2的第三端口2-3与宽带移频器8的输入端口8-1相连，宽带移频器8的输出端口8-2与第二光纤耦合器9的输入端口9-2相连，本地光与后向布里渊散射光在光纤耦合器9处实现光学相干拍频，光纤耦合器9的输出端接到光电探测器11的光学输入端口，光电探测器11的电学输出端口连接到信号采集和处理单元12，在信号采集和处理单元12中实现整个系统的传感信号采集和处理。

各器件模块的具体实施说明如下。

窄线宽单频激光器，是BOTDR系统连续输出种子激光光源，其工作波长在系统各个光学子器件和传感光纤工作的带宽范围内，一般采用1550nm通信波段。窄线宽单频激光器为单纵模运转的高相干光源，线宽≤1MHz，输出功率≥1mW。可以选用kHz线宽的磷酸盐高增益玻璃光纤激光器，或者采用MHz线宽的半导体激光器。

光纤耦合器，此光纤耦合器为1×2的光纤耦合器，中心波长为1550nm，主要用于分光，分束比需要根据上下两路的光学子器件的性能和损耗确定。

光放大器，用于前端放大连续激光，使得连续激光的输出达到100mW以上，可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的1550nm波段的半导体光放大器（SOA）。

光脉冲调制器，选用高速电光强度调制器，为了实现厘米量级空间分辨率对应的光脉冲差，此光脉冲调制器的响应带宽≥10GHz。

驱动模块，产生超快上升/下降沿的电学脉冲，用于驱动光脉冲调制器，要求驱动模块的响应带宽≥10GHz，电脉冲上升下降沿≤0.1ns，可以选用高速任意波形发生器。

光放大器，用于后端放大脉冲激光，使得脉冲激光的峰值功率达到1W以上，可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的1550nm波段的半导体光放大器（SOA）。

光纤环行器，是一个三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。

宽带移频器，实现将种子激光器的光频下移11GHz，使得光学拍频后的频差处于几百MHz的中频波段，便于系统的探测器和采集处理设备带宽以及成本的降低，可以选用光纤布里渊激光器的实现方案，或者选用微波调制移频的实现方案。

光纤耦合器，用于实现自发布里渊散射光与宽带移频后的本地相干光进行光学相干拍频，光纤耦合器为2×2的光纤耦合器，中心波长为1550nm，分束比为50:50。

传感光纤，传感光纤是用于温度和应变分布式测量的敏感单元，一般选用损耗较小的普通单模光纤，如满足国际电信联盟标准的ITU-T.G.652、ITU-T.G.653、ITU-T.G.655等单模光纤，同时为了应用于实际工程环境，可以对光纤加固特种外套进行保护加强封装，使其具备抗强压抗拉伸等功能。

光电探测器，响应携带有传感信息的布里渊散射光拍频信号，要求响应波段覆盖种子激光光源的波长范围，响应带宽≥10GHz。

信息采集与处理单元，用于整个系统的数据采集和处理，要求数据采集设备的带宽大于500MHz，采集速率≥1GS/s，信号处理可采取高速并行处理架构。

图3是本发明厘米量级高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统中所涉及的关键器件宽带移频器8的具体结构示意图之一，包括：光纤环行器13、光放大器14、延迟光纤15、光纤耦合器16。

宽带移频器8的输入端口8-1和光纤环行器13的第一端口13-1相连，光纤环行器13的第二端口13-2和光放大器14的输入端口14-1相连，光放大器14的输出端口14-2和延迟光纤15相连，延迟光纤15的另一端与光纤耦合器16的第一端口16-1相连，光纤耦合器16的第三端口16-3与光纤环行器13的第三端口13-3相连，闭合形成一个大的逆时针单向光纤环路，光纤耦合器16的第二端口16-2作为布里渊激光移频器的输出端口，也即宽带移频器8的输出端口8-2。

各器件模块的实施说明如下。

光纤环行器，是一个三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。

光放大器，主要用于放大环路中的泵浦光信号和微弱的布里渊散射信号，为了不影响布里渊激光输出的性能，需要采取光学作用长度短一些的光学放大器，如可选用2cm长的高增益系数的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤作为增益介质来搭建光纤放大器，或者选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的1550nm波段的半导体光放大器（SOA）。

延迟光纤，此处的延迟光纤起到提供自发布里渊散射光和布里渊非线性放大增益的功能，可以采用商用G652型号的通信单模光纤，延迟光纤长度小于50m，注意此延迟光纤15与传感光纤10的选择略有区别，由于不同批次或者不同预制棒拉制出来的单模光纤，其布里渊频移均会略有区别，最终通过选择使得两种光纤的布里渊频移差控制在100MHz~1GHz之间。

光纤耦合器，为1×2的光纤耦合器，中心波长为1550nm，分束比为10:90，其中10%的端口作为布里渊激光器的输出端。

图4是本发明厘米量级高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统中所涉及的关键器件宽带移频器8的具体结构示意图之二，包括电光强度调制器17、微波信号发生器18、光纤环形器19、光纤光栅20。

宽带移频器8的输入端口8-1和电光强度调制器17的第一端口17-1相连，微波信号发生器18连接到电光强度调制器17的电学控制端口，电光强度调制器17的第二端口17-2和光纤环行器19的第一端口19-1相连，光纤环行器19的第二端口19-2和光纤光栅20相连，光纤环行器19的第三端口19-3作为微波移频器的输出端口，也即宽带移频器8的输出端口8-2。

各器件模块的具体实施说明如下。

电光强度调制器，高速电光强度调制器，其响应带宽≥10GHz，可选用商用10GHz LiNbO₃电光强度调制器，

微波信号发生器，用于驱动电光强度调制器17，并实现高频微波移频，因此，此微波信号发生器的工作频率范围在9~14GHz，且频率可以精细调谐，使得微波移频后的本地光与自发布里渊散射光的光学相干拍频频率控制在100MHz~1GHz之间；

光纤环行器，是一个三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。

光纤光栅，可采用均匀布拉格光纤光栅，根据系统激光波长的参数来定制，使其中心反射波长对准微波下移频频率成份的光频，细微的失谐可以通过对光纤光栅的温度和应变调谐来矫正，要求光纤光栅反射率>50%，反射率尽可能高可降低滤波损耗，光纤光栅反射带宽<0.17nm，反射带宽尽可能窄可更好实现抑制基频光的效果。