高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统技术方案

本发明专利技术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，在传感光纤中注入脉宽略有差别的光脉冲对，探测采集每个脉冲产生的时域布里渊散射信号，采用两组不同时间窗口宽度分别提取数据进行频谱分析，基于得到的四组布里渊频谱数据进行二次频谱差分运算，得到的二次差分布里渊谱对应光脉冲对脉宽差值所覆盖的空间位置传感信息，实现空间分辨率的提高。通过合理设计系统中光脉冲对的脉宽大小及脉宽差值，使得布里渊非线性效应作用充分，在保持较高系统信噪比情况下采集可实现高空间分辨率（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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分布式光纤温度应变测量
，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。
技术介绍
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.Express16,21616-21625(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（IEEEPhoton.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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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Gdd(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，其特征在于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Gdd(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。

【技术特征摘要】
1.高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，其特征在于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Gdd(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。2.根据权利要求1所述的高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，其特征在于FFT数据时间窗口宽度为T1和T2比脉冲宽度τ1和τ2大。3.根据权利要求1所述的高空间分辨率长距离分布式光纤温度应变传感系统，其特征在于包括窄线宽单频激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、光放大器（3）、光脉冲调制器（4）、驱动模块（5）、光放大器（6）、光纤环行器（7）、宽带移频器（8）、第二光纤耦合器（9）、传感光纤（10）、光电探测器（11）、信号采集和处理单元（12），其中窄线宽单频激光器（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（...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘久林，杨中民，李晴宇，李炯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44