温度和应力同时探测的高光谱瑞利-布里渊光时域反射计制造技术

本发明专利技术公开了一种温度和应力同时探测的瑞利‑布里渊光时域反射计，其利用光纤F‑P干涉仪的周期结构，通过扫描光纤F‑P干涉仪的腔长，同时获得光纤瑞利后向散射谱和光纤布里渊散射谱。该反射计包括依次连接的光学发射单元、探测目标单元、滤波单元、光谱扫描单元、探测器单元、数据采集和处理单元，其中，数据采集和处理单元完成对温度和应力的反演，具体为先采用LPR(Landau‑Placzek Ratio)方法反演光纤温度，再采用布里渊频移反演光纤应力，从而在实现温度和应力的同时传感。该发明专利技术具有成本低、探测距离长、探测精度高、空间分辨率高、反演方法简单、数据运算量小等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种温度和应力同时探测的高光谱瑞利-布里渊光时域反射计。
技术介绍
光纤传感技术是上世纪70年代末随光纤通信技术的发展而兴起的，以光波为载体，光纤为媒介。光纤传感广泛应用于温度、应力、电场、磁场、位移等探测，具有灵敏度高、电绝缘性好、抗电磁干扰、易于实现和测量精度高等优点，已经进入航空航天、生物医疗、国防军事、工业、交通运输等各个领域。其中分布式光纤传感技术除具有一般光纤传感器优点外，还可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化信息，特别适用于土木工程、石油化工、电力工业等大尺度、长距离、高危险领域。在分布式光纤传感中，基于布里渊散射的传感技术被广泛研究。该项技术中一个必须解决的问题是如果同时探测光纤中的温度和应力信息。这是由于布里渊频移正比于温度和应力的变化，理论上无法从频移中同时提取温度和应力信息。在过去的二十年间，为了解决这个问题研究人员提出了以下几种方法。1、最普遍采用的方法是通过同时测量布里渊频移和布里渊功率以同时反演光纤中的温度和应力信息。然而，由于偏振态的扰动和光纤的弯曲损耗等原因，布里渊功率很难精确测量，从而导致该方法的探测精度低。2、为了避免布里渊功率测量，一种基于特殊光纤进行温度和应力同时探测的方法被提出。已采用的特殊光纤包括大有效面积光纤(Large-effective-area fiber)、光子晶体光纤(photonic crystal fiber)和少模光纤(few-mode fiber)。这些光纤的布里渊谱具有多峰结构，且每个峰的中心频率具有不同的温度和应力响应。然而，该方法存在如下缺点，1)采用大有效面积光纤的方法中，由于各波长间的干涉，造成了其空间分辨率低、测量精度低、测量距离短等缺陷；2)基于光子晶体光纤的方法克服了波长之间的干涉，然而，其复杂的拉制过程使其价格昂贵，增加了成本。3、通过结合分布式拉曼传感器完成温度和应力的同时探测，其中分布式拉曼传感器用于温度的探测，分布式布里渊传感器用于应力探测。该方法的缺陷在于两类传感器的结合使系统变得更为复杂。4、通过同时布置两根光纤，其中一根光纤同时受到温度和应力的作用，另外一根光纤通过隔离使其不受应力的影响，从而达到同时反演温度和应变信息。但问题在于，当光纤应用于液体等环境时，系统无法隔离压力对光纤的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种温度和应力同时探测的高光谱瑞利-布里渊光时域反射计，其具有高光谱分辨、高空间分辨率、高测量精度、结构紧凑、数据处理简单等优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种温度和应力同时探测的瑞利-布里渊光时域反射计，包括：光学发射单元10、探测目标单元20、滤波单元30、光谱扫描单元40、探测器单元50、数据采集和处理单元60；其中：所述光学发射单元10用于发射经脉冲调制和放大后的激光脉冲；所述探测单元20用于将激光脉冲引导至参考光纤和探测用光纤中，并将相应的回波信号传输给滤波单元30；所述滤波单元30用于降低回波信号中的瑞利后向散射信号和滤出布里渊散射信号，从而使瑞利后向散射与布里渊散射信号相当；所述光谱扫描单元40用于扫描滤波单元30的输出结果，获得瑞利散射谱和布里渊散射谱；所述探测器单元50用于对光谱扫描单元40的输出信号进行光电转换；所述数据采集和处理单元60用于采集电信号，并反演光纤所受温度和应力信息。所述光学发射单元10包括1.5μm激光光源11、脉冲发生器12和掺铒光纤放大器13；其中，所述1.5μm激光光源11出射的1.5μm连续激光通过脉冲发生器12斩成脉冲光，脉冲光再通过掺铒光纤放大器13放大，从而产生满足光纤传感要求的激光脉冲；所述脉冲发生器12为电光调制器或声光调制器。所述探测目标单元20包括：光纤环形器21、参考光纤22和传感光纤23；其中，激光脉冲从光纤环形器21的a端口入射，从b端口分别进入参考光纤22和传感光纤23，回波信号经光纤环形器21的b端口返回，并通过c端口传输给滤波单元30；所述参考光纤22和传感光纤23为单模光纤或保偏光纤。所述滤波单元30为光纤布拉格光栅、分子滤波器、马赫泽德干涉仪或sagnac环。所述光谱扫描单元40包括：光纤分束器41、光纤F-P干涉仪42、光纤F-P干涉仪控制器43和恒温恒压装置44；其中，滤波单元30处理过的回波信号经光纤分束器41一分为二，其中一份光从光纤分束器41的a端口经光纤F-P干涉仪42后进入探测单元50，另外一份从光纤分束器41的b端口直接进入探测单元50；光纤F-P干涉仪控制器43用于扫描光纤F-P干涉仪42的腔长，恒温恒压装置44用于确保光纤F-P干涉仪42在恒温恒压下工作。所述获得瑞利散射谱和布里渊散射谱包括：基于游标卡尺原理，利用光纤F-P干涉仪42的周期干涉结构，通过设定光纤F-P干涉仪42的参数，再由光纤F-P干涉仪控制器43扫描光纤F-P干涉仪42的腔长，从而获得光纤的瑞利散射谱和布里渊散射谱；假设N·FSR≠R_B(N＝0,1,2,3......)时，其中，FSR为光纤F-P干涉仪42的自由谱间距，R_B为瑞利散射谱与布里渊散射谱的间距≈11.2GHz；当光纤F-P干涉仪控制器43扫描光纤F-P干涉仪42的腔长时，可先后获得光纤的瑞利散射谱和布里渊散射谱，且这两个谱间距在扫描频率上为N·FSR-11.2GHz。所述探测单元50为铟镓砷单光子探测器、上转换单光子探测器或超导单光子探测器。所述数据采集和处理单元60包括：采集卡61、计算机62和任意函数发生器63；其中，所述任意函数发射器63用于触发同步光学发射单元10中的脉冲发生器12和采集卡61，所述计算机62用于通过预设算法反演光纤所受温度和应力信息。所述的光纤所受温度和应力信息的反演过程包括：通过扫描F-P干涉仪的腔长获得布里渊散射谱和瑞利散射谱，对单位距离Bin的瑞利散射谱和布里渊散射谱进行重建，并对重建后的瑞利散射谱和布里渊散射谱进行拟合，求得瑞利散射功率和布里渊散射功率的比值LPR；再计算瑞利散射谱峰值与布里渊散射谱峰值位置的间距；通过LPR计算光纤温度信息，再通过布里渊频移反演光纤应力信息。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，1)基于游标卡尺原理，利用光纤F-P干涉仪的周期干涉结构，通过合理设计光纤F-P干涉仪的参数，通过扫描光纤F-P干涉仪的腔长，同时获得高光谱分辨的瑞利散射谱和布里渊散射谱。2)通过Landau-Placzek ratio(LPR)方法计算光纤温度分布，通过布里渊频移反演应力分布。通过结合两种传感方法
和两个散射谱，有效避免了温度传感和应力传感之间的串扰问题。3)相比于采用特种光纤以同时传感温度和应力的方法，该专利技术所提出的方法具有成本低、探测距离长、探测精度高、空间分辨率高等优点。4)同时具备瑞利光时域反射计(OTDR)和布里渊光时域反射计(BOTDR)的优点，不仅可传感光纤的温度和应力信息还可检测光纤缺陷，特别值得一提的是，该专利技术可同时获得布里渊谱和瑞利谱，因此计算的布里渊频移是以瑞利为参考的，在无参考光纤的情况下任能准确得提取温度和应力信息。5)采用直接探测技术，相比于采用相干探测的方法，其数据采集量小，运算压力小，反演方法简单直接。本专利技术巧妙的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度和应力同时探测的瑞利‑布里渊光时域反射计，其特征在于，包括：光学发射单元(10)、探测目标单元(20)、滤波单元(30)、光谱扫描单元(40)、探测器单元(50)、数据采集和处理单元(60)；其中：所述光学发射单元(10)用于发射经脉冲调制和放大后的激光脉冲；所述探测单元(20)用于将激光脉冲引导至参考光纤和探测用光纤中，并将相应的回波信号传输给滤波单元(30)；所述滤波单元(30)用于降低回波信号中的瑞利后向散射信号和滤出布里渊散射信号，从而使瑞利后向散射与布里渊散射信号相当；所述光谱扫描单元(40)用于扫描滤波单元(30)的输出结果，获得瑞利散射谱和布里渊散射谱；所述探测器单元(50)用于对光谱扫描单元(40)的输出信号进行光电转换；所述数据采集和处理单元(60)用于采集电信号，并反演光纤所受温度和应力信息。

【技术特征摘要】
1.一种温度和应力同时探测的瑞利-布里渊光时域反射计，其特征在于，包括：光学发射单元(10)、探测目标单元(20)、滤波单元(30)、光谱扫描单元(40)、探测器单元(50)、数据采集和处理单元(60)；其中：所述光学发射单元(10)用于发射经脉冲调制和放大后的激光脉冲；所述探测单元(20)用于将激光脉冲引导至参考光纤和探测用光纤中，并将相应的回波信号传输给滤波单元(30)；所述滤波单元(30)用于降低回波信号中的瑞利后向散射信号和滤出布里渊散射信号，从而使瑞利后向散射与布里渊散射信号相当；所述光谱扫描单元(40)用于扫描滤波单元(30)的输出结果，获得瑞利散射谱和布里渊散射谱；所述探测器单元(50)用于对光谱扫描单元(40)的输出信号进行光电转换；所述数据采集和处理单元(60)用于采集电信号，并反演光纤所受温度和应力信息。2.根据权利要求1所述的一种温度和应力同时探测的瑞利-布里渊光时域反射计，其特征在于，所述光学发射单元(10)包括1.5μm激光光源(11)、脉冲发生器(12)和掺铒光纤放大器(13)；其中，所述1.5μm激光光源(11)出射的1.5μm连续激光通过脉冲发生器(12)斩成脉冲光，脉冲光再通过掺铒光纤放大器(13)放大，从而产生满足光纤传感要求的激光脉冲；所述脉冲发生器(12)为电光调制器或声光调制器。3.根据权利要求1所述的一种温度和应力同时探测的瑞利-布里渊光时域反射计，其特征在于，所述探测目标单元(20)包括：光纤环形器(21)、参考光纤(22)和传感光纤(23)；其中，激光脉冲从光纤环形器(21)的a端口入射，从b端口分别进入参考光纤(22)和传感光纤(23)，回波信号经光纤环形器(21)的b端口返回，并通过c端口传输给滤波单元(30)；所述参考光纤(22)和传感光纤(23)为单模光纤或保偏光纤。4.根据权利要求1所述的一种温度和应力同时探测的瑞利-布里渊光时域反射计，其特征在于，所述滤波单元(30)为光纤布拉格光栅、分子滤波器、马赫泽德干涉仪或sagnac环。5.根据权利要求1所述的一种温度和应力同时探测的瑞利-布里渊光时域反射计，其特征在于，所述光谱扫描单元(40)包括：光纤分束器(41)、光纤F-P干涉仪(42)、光纤F-P干涉仪控制器(43)和恒温恒压装置(44)；其中，滤波单元(30)处理过的回...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，上官明佳，窦贤康，薛向辉，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34