基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及基于高光谱分辨技术的光纤温度和应 力传感装置及方法。
【背景技术】
[0002] 基于布里渊散射的光纤传感技术具有连续分布式、长距离、高精度的测量特点，特 别适用于如大型土木工程、光纤通信、石油化工、电力工业等大范围、长距离、高危险领域的 结构健康监测。
[0003] 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有三大类：光时域方法、光频域方法 和光相干域方法。光时域方法是利用窄脉冲的发射和接收时间差与光速乘积来定位散射信 号的位置和距离，其可分为两大类：布里渊光时域分析仪（BOTDA)和布里渊光时域反射计 (BOTDR)。BOTDA是在光纤两端分别输入脉冲光和连续探测光，通过调节两者的频率差使连 续探测光经受激布里渊放大后的功率达到最大，寻找最大功率位置所对应的频率差便可得 到布里渊频移。在BOTDR技术中，传感光纤在单端输入的脉冲光作用下产生自发后向布里 渊散射光，通过对布里渊散射谱信号进行探测以反演光纤中的温度和应变信息。
[0004] BOTDR于1986年由Tkach等人提出。1992年Kurashima等人报道了第一个BOTDR 实验系统，为了相干接收检测微弱的自发布里渊散射信号，采用了两个1320nm波长的 NchYAG激光器分别提供脉冲泵浦光和本振光。该系统对于Ilkm长的光纤获得了 IOOm空间 分辨率和3. 6MHz的布里渊频移精度，对应温度和应变精度分别为3K和。1993年Shimizu 等人提出了采用一个1. 5 μπι波长激光源同时提供脉冲泵浦光和本振光光源的B0TDR。因 BOTDR对应力、应变很敏感，且具有较好的线型关系，国际上一些机构，如日本ΝΤΤ、加拿大 ISIS、瑞士 SMARTTECH等开展了大量BOTDR应变测量的应用研宄，取得了良好效果。如日本 的KiharaM.等人采用BOTDR系统监测河堤的塌陷位移。BOTDR技术可用于监测海底通信 光纤光缆的应变，地震破坏的检测，确定冰冻通信光缆应变。BOTDR系统已开始应用于混凝 土横梁，铁路桥基中混凝土墩的加载试验、大型混凝土管、游艇艇体损伤探测、河流防洪堤 混凝土结构的应变分布实验测量。
[0005] 上述BOTDR采用相干检测及微弱信号处理技术。这不仅增加了信号检测和处理的 难度和复杂性，影响测量精度，也使整个系统费用增加。
【发明内容】
[0006] 光散射是一种常见的光与粒子作用而产生的现象。光纤中散射光包含瑞利散射、 拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射是最主要的散射现象，它主要由光纤制造过程中材料缺 陷或密度波动导致的。拉曼散射是入射光和分子振动（光学声子）相互作用下产生的，拉 曼散射光频率存在多普勒频移，当入射光波长在1550nm附近时，频移量约13ΤΗΖ。其能量大 概比瑞利散射小约30dB。布里渊散射是入射光和介质声波（声学声子）相互作用下产生 的，因此，散射光频率量与光纤中的声波速度有光。当入射光波长在1550nm附近时，频移量 为IlGHz左右。
[0007] 参见图1，光纤中后向瑞利散射和后向布里渊散射关于入射光呈对称分布。其中， 散射光中频率变大的部分称为反斯托克斯，频率变小的部分为斯托克斯。光纤中的后向布 里渊散射强度较后向瑞利散射低20dB到30dB，布里渊散射与瑞利散射距约11. 2GHz，布里 渊散射谱的半高全宽在30MHz至60MHz之间。因此，为了从后向散射光中直接提取小频移 量、线宽几十MHz的微弱布里渊散射信号，对滤波器滤波性能、鉴频器的鉴频精度和探测器 性能要求严格。
[0008] 相干检测中，必须通过频率扫描，同时检测布里渊散射的功率、谱宽、频移三个物 理量中的任意两个，然后可以分别反演温度和应力信息。因为布里渊后向散射功率受多种 因素干扰，研宄认为使用熊猫型保偏光纤，同时检测布里渊散射谱的频移和谱宽变化可以 达到布里渊光时域反射计技术的最高精度。
[0009] 布里渊散射谱的频移是传感光纤所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为 υΒ(Τ，ε )，且
【主权项】
1. 基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在于，包括光学发射系统 (100)、光纤传感系统（200)、高光谱分辨扫描系统（300)、光学滤波系统（400)、数据采集系 统（500)和控制系统（600)，其中， 所述光学发射系统（100)用于输出激光脉冲；所述光纤传感系统（200)用于将光学发 射系统（100)输出的激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将光纤的后向散射信号耦 合到所述高光谱分辨扫描系统（300)中；所述高光谱分辨扫描系统（300)用于对光纤后向 散射谱进行扫描，所述高光谱分辨扫描系统（300)包括法布里-帕罗干涉仪；所述光学滤波 系统（400)用于滤除光纤端面反射信号、光纤瑞利后向散射信号及背景噪声，从而提取参 考光纤和待测光纤中的布里渊后向散射信号；所述数据采集系统（500)用于对参考光纤和 待测光纤后向布里渊散射信号进行探测和采集，根据参考光纤中的已知温度和应变下的后 向布里渊散射谱，及待测光纤的后向布里渊散射谱的谱宽和相对频移信息得到待测光纤中 的温度和应变信息；所述光学发射系统（100)、高光谱分辨扫描系统（300)和数据采集系统 (500)的工作和数据交互均在所述控制系统（600)的控制下完成。
2. 根据权利要求1所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在 于， 还包括恒温箱； 所述光学发射系统（100)包括激光器和声光调制器； 所述光纤传感系统（200)包括第一环形器（1)和参考光纤（3); 所述高光谱分辨扫描系统（300)还包括起偏器和法布里一帕罗干涉仪控制器； 所述光学滤波系统（400)包括第二环形器（2)和布拉格光栅； 所述数据采集系统（500)包括单光子探测器和采集卡； 所述控制系统（600)包括任意函数发生器和计算机； 所述激光器输出的光辐射经过所述声光调制器后进入所述第一环形器（1)的输入端， 所述第一环形器（1)的收发复用端与所述参考光纤（3)连接，由所述第一环形器（1)的输 出端输出的光辐射依次经过所述起偏器、所述法布里一帕罗干涉仪后进入所述第二环形器 (2) 的输入端，所述布拉格光栅设置在所述第二环形器（2)的收发复用端的出射光路中，所 述第二环形器（2)的输出端与所述单光子探测器和所述采集卡依次连接； 所述法布里一帕罗干涉仪控制器与所述法布里一帕罗干涉仪连接，用于控制所述法布 里一帕罗干涉仪； 所述任意函数发生器分别与所述声光调制器、采集卡和单光子探测器连接，用于向所 述声光调制器、采集卡和单光子探测器发送控制信号； 所述计算机分别与所述法布里一帕罗干涉仪控制器和采集卡连接，用于向所述法布 里一帕罗干涉仪控制器发送控制信号、实现与所述采集卡的信号交互，以及对接收到的信 号进行数据处理； 所述参考光纤（3)与所述法布里一帕罗干涉仪放置于所述恒温箱中，所述参考光纤 (3) 的尾纤用于连接待测光纤。
3. 根据权利要求1或2所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特 征在于，所述光学发射系统（100)还包括放大器和隔离器，所述放大器设置于所述声光调 制器和所述第一环形器（1)组成的光路之间，所述隔离器设置于所述放大器和所述第一环 形器（1)组成的光路之间。
4. 根据权利要求3所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在 于，所述激光器为光纤激光器，所述第一环形器（1)和第二环形器（2)均为光纤环形器，所 述声光调制器为光纤声光调制器，所述起偏器为光纤起偏器，所述法布里一帕罗干涉仪为 光纤法布里一帕罗干涉仪，所述放大器为光纤放大器，所述隔离器为光纤隔离器。
5. 根据权利要求1或2或4所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置， 其特征在于，所述法布里一帕罗干涉仪控制器的电压调节精度为1 UV，调节步长为lmV ;所 述法布里一帕罗干涉仪的自由谱间距为4. 02GHz，精细度为43,所述单光子探测器为上转 换单光子探测器。
6. 根据权利要求5所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在 于，所述布拉格光栅为反射式布拉格光栅，其带宽为8pm，中心波长为1548. 18nm，反射率为 99%〇
7. 根据权利要求1、2、4或6所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置， 其特征在于，所述激光器的中心波长为光通信波段。
8. 根据权利要求7所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，其特征在 于，所述参考光纤（3)为熊猫型保偏光纤，所述恒温箱的控温精度为0.01K。
9. 基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤S1、输出激光脉冲； 步骤S2、将激光脉冲传输到参考光纤和待测光纤中并将参考光纤和待测光纤的后向散 射信号耦合到高光谱分辨扫描系统中； 步骤S3、参考光纤和待测光纤的后向散射信号经过法布里-帕罗干涉仪，并保持法布 里-帕罗干涉仪的腔长不变； 步骤S4、滤除参考光纤和待测光纤的端面反射信号、瑞利后向散射信号及背景噪声，从 而提取待测光纤的布里渊后向散射信号； 步骤S5、对参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射信号进行探测和采集； 步骤S6、重复步骤S1至S5累积信号，直至脉冲累计数达到预设值； 步骤S7、调节一次法布里-帕罗干涉仪的腔长，重复步骤S1至S6 ; 步骤S8、重复步骤S1至S7直至扫描获得参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱； 步骤S9、对单位距离内参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱进行拟合； 步骤S10、根据已知温度和应变下的参考光纤的后向布里渊散射谱信息，及待测光纤中 后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，得到待测光纤内的温度和应变信息。
10. 根据权利要求9所述的基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法，其特征 在于， 步骤S9包括：对单位距离内参考光纤和待测光纤的后向布里渊散射谱进行最小二乘 法拟合； 所述步骤S10包括：根据已知温度和应变下的参考光纤的后向布里渊散射谱信息，及 待测光纤中后向布里渊散射谱的谱宽和频移信息，利用光纤中谱宽和频移与温度和应变的 关系式，得到待测光纤内的温度和应变信息。
【专利摘要】本发明公开了本发明提供了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置，包括光学发射系统、光纤传感系统、高光谱分辨扫描系统、光学滤波系统、数据采集系统和控制系统。本发明还公开了一种基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感方法。本发明基于光纤布里渊散射作为温度和应变的载波，分布式传感温度和应变；利用窄带反射式可调谐布拉格光栅滤出光纤布里渊后向散射，利用腔长可调谐的法布里－帕罗干涉仪对光纤布里渊散射谱进行全光谱扫描，利用单光子技术探测光纤中后向布里渊散射信号；其结构简单、稳定性好，相比于相干探测，降低了信号检测和处理的难度和复杂性，提高了探测的距离分辨率和精度。
【IPC分类】G01D21-02
【公开号】CN104677421
【申请号】CN201510070444
【发明人】夏海云, 张强, 上官明佳, 申屠国樑, 王冲, 夏秀秀, 窦贤康, 潘建伟
【申请人】中国科学技术大学先进技术研究院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月10日