高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置及方法

本发明光学测量领域，具体涉及一种高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置及方法。

背景技术：

1、随着半导体激光器的诞生与发展，其易于调谐与调制、体积小、质量轻、波长覆盖范围广等优点，已被广泛应用于高分辨率光谱学、光通信、激光雷达、频率标准、精密测量等领域，在航空国防、医疗保健等方面，其作用也越来越重要。然而，自由运转的半导体激光器在工作状态下的噪声和频率漂移会明显超过以上部分应用对于高频率稳定性和低噪声的要求。因此，对该类激光器进行主动稳频以提高其频率稳定性已成为当今的热门研究方向。

2、相比于布里渊和拉曼传感技术，基于瑞利散射效应的相位光时域反射仪系统可以实现更高的温度和应变分辨率。瑞利后向散射信号干涉强度的变化主要受制于回波信号相位差的改变，因此，目前提出的可实现温度和应变定量测量的方案主要分为相位解调型相位光时域反射仪方案和频率补偿型相位光时域反射仪方案两类。

3、对于相位解调型相位光时域反射仪系统而言，其存在的问题在于相干衰落现象以及相干外差探测所引入的相位噪声问题。二者限制了相位解调型相位光时域反射仪系统的传感性能。

4、相比相位解调型相位光时域反射仪系统，频率补偿型相位光时域反射仪系统则不存在上述缺陷。频率补偿型相位光时域反射仪系统是通过解调后向瑞利散射光测量谱与参考谱之间的频移量来确定温度和应变的变化量，进而实现定量测量。然而，当作为光源的激光器频率发生漂移时相关频谱中会产生额外的频移量，从而导致频移估计值出现较大误差，降低了系统的可靠性和测量精度。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明提出一种高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置及方法，用以解决现有技术存在的上述问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种基于激光器频率锁定的高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置，所述装置包括：第一激光器、耦合器、脉冲光调制光路、激光器频率锁定光路、待测光纤和探测器组；所述第一激光器输出的光束经过所述耦合器分为第一光束和第二光束；所述第一光束经过所述脉冲光调制光路形成不同频率的扫频脉冲光；所述脉冲光从所述待测光纤的一端注入，产生后向瑞利散射信号；所述探测器组对后向瑞利散射信号进行采集，得到后向瑞利散射谱，通过后向瑞利散射谱的频移值确定待测温度和应变值；所述第二光束经过所述激光器频率锁定光路产生用于锁定第一激光器频率的误差信号。

3、进一步地，所述脉冲光调制光路包括第一电光调制器、第一光纤环形器、第二激光器、第二电光调制器、任意波形发生器、掺铒光纤放大器和第二光纤环形器；所述第一光束和所述任意波形发生器输出的微波捷变频信号经过第一电光调制器调制，产生双边带光学捷变频信号；所述双边带捷变频光信号作为种子光，经过第一光纤环形器注入所述第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与上边带的光学捷变频信号的中心频率重合，对所述上边带的光学捷变频信号进行注入锁定；锁定后的所述上边带的光学捷变频信号和任意波形发生器产生的脉冲信号经过所述第二电光调制器调制产生脉冲光信号；所述脉冲光信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过所述第二光纤环形器从所述待测光纤一端输入，产生的后向瑞利散射信号由所述第一探测器接收。

4、进一步地，所述激光器频率锁定光路包括相位调制器、氯化氢气池、第二探测器、射频信号发生器、移相器、混频器、低通滤波器以及比例-积分-微分控制器；所述第二光束和所述射频信号发生器发出的射频信号经过所述相位调制器进行调制产生两个大小相等相位相反边带的调制信号；所述调制信号经过所述氯化氢气池后产生透射谱信号，由所述第二探测器进行接收探测；所述第二探测器接受到的信号与所述移相器相移后的射频信号经过所述混频器混频后，通过所述低通滤波器得到用于频率锁定的误差信号；所述误差信号经过所述比例-积分-微分控制器返回给所述第一激光器进行频率锁定。

5、根据本发明的另一方面，还提供了一种基于激光器频率锁定的高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量方法，所述方法利用如上所述的装置实现；所述方法包括：第一光束经过脉冲光调制光路形成脉冲光，所述脉冲光为携带有待测频率的捷变频微波信号的脉冲光；第二光束经过激光器频率锁定光路形成反馈回激光器的补偿电压，作为用于锁定第一激光器频率的误差信号以使激光器的输出频率锁定；所述脉冲光从待测光纤的一端注入，在待测光纤中发生瑞利散射作用，产生后向瑞利散射信号；对后向瑞利散射信号进行采集，得到后向瑞利散射谱，通过后向瑞利散射谱的频移值确定所述待测温度和应变值。

6、进一步地，所述第一光束与所述第二光束通过同一个激光器输出的激光分束而获得。

7、进一步地，所述第一光束经过脉冲光调制光路形成脉冲光的步骤包括：所述第一光束和任意波形发生器输出的微波捷变频信号经过第一电光调制器调制产生双边带的光学捷变频信号；所述双边带捷变频光信号作为种子光经过第一光纤环形器注入所述第二激光器中,调节所述第二激光器的中心频率与上边带的光学捷变频信号的中心频率重合，对所述上边带的光学捷变频信号进行注入锁定；锁定后的所述上边带的光学捷变频信号和任意波形发生器产生的脉冲信号经过所述第二电光调制器调制产生脉冲光信号；所述脉冲光信号经过掺铒光纤放大器放大后通过所述第一光纤环形器从所述待测光纤一端输入。

8、进一步地，所述第二光束经过激光器频率锁定光路形成反馈回激光器的补偿电压的步骤包括：所述第二光束和所述射频信号发生器发出的射频信号经过所述相位调制器进行调制产生两个大小相等相位相反边带的调制信号；所述调制信号经过所述氯化氢气池后产生透射谱信号；所述透射谱信号与移相器相移后的射频信号经过所述混频器混频后通过所述低通滤波器得到用于频率锁定的误差信号；所述误差信号经过所述比例-积分-微分控制器返回给第一激光器进行频率锁定。

9、本发明的高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置及方法，通过对光源激光器进行频率锁定来抑制其频率漂移，从而实现高灵敏度的瑞利分布式温度和应变的绝对测量。

10、本发明的高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置及方法，实现高精度的瑞利散射分布式温度和应变的绝对测量。将激光器稳频技术与扫频相位光时域反射仪技术相结合，将捷变频微波信号加载在经频率锁定后的激光器发出的探测光上同时对其进行脉冲序列调制，实现光脉冲扫频。将脉冲光输入待测光纤获得后向瑞利散射谱，根据后向瑞利散射谱的频移量获得温度和应变变化值。相比相位解调型相位光时域反射仪系统而言没有相干衰落现象以及相干外差探测所引入的相位噪声问题，相比传统的频率补偿型相位光时域反射仪系统，通过抑制作作为光源的激光器频率漂移从而提升了测量精度。

技术特征：

1.基于激光器频率锁定的高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲光调制光路包括第一电光调制器、第一光纤环形器、第二激光器、第二电光调制器、任意波形发生器、掺铒光纤放大器和第二光纤环形器；

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激光器频率锁定光路包括相位调制器、氯化氢气池、第二探测器、射频信号发生器、移相器、混频器、低通滤波器以及比例-积分-微分控制器；

4.基于激光器频率锁定的高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1-3中任一项所述的装置实现；所述方法包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一光束与所述第二光束通过同一个激光器输出的激光分束而获得。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述第一光束经过脉冲光调制光路形成脉冲光的步骤包括：

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述第二光束经过激光器频率锁定光路形成反馈回激光器的补偿电压的步骤包括：

技术总结
本发明提供了一种高灵敏度瑞利分布式温度和应变测量装置及方法，该装置包括：第一激光器、耦合器、脉冲光调制光路、激光器频率锁定光路、待测光纤和探测器；第一激光器输出的光束经过耦合器分为第一光束和第二光束；第一光束经过脉冲光调制光路形成不同频率的扫频脉冲光；第二光束经过激光器频率锁定光路光路形成反馈回激光器的补偿电压，使激光器的输出频率锁定；脉冲光从待测光纤的一端注入，在待测光纤中发生瑞利散射产生后向瑞利散射信号；探测器对后向瑞利散射信号进行采集，得到后向瑞利散射谱，通过后向瑞利散射谱的频移值确定待测温度和应变值。本发明的上述技术能够实现高灵敏度的瑞利分布式温度和应变的绝对测量。

技术研发人员：董永康,程彦博,张祎,夏猛,孙建平,关鹏,文慧智
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14