用于光纤分布式测量的光电装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于光纤分布式测量的光电装置，所述装置包括：连续光源(1)，以第一频率ν

Photoelectric device for distributed optical fiber measurement

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光纤分布式测量的光电装置
本专利技术涉及一种用于光纤分布式测量的光电装置。更具体地，本专利技术涉及一种能够测量布里渊(Brillouin)和瑞利(Rayleigh)反向散射谱的参数的光电装置，并且该光电装置可以包括能够分离温度的分布式测量和变形的分布式测量的器件。这种装置可用于永久监控土木工程或石油工业中系统和结构的完整性和安全性。
技术介绍
用于光纤分布式测量的光电装置通常用于实时测量大型基础设施的温度和变形，以监控其结构健康状况并确保其维护。每次测量时，它们提供连接到它们的光纤的任何点的温度和变形信息。测量通常在几米到几十公里的范围内进行，并且具有米制或甚至厘米的分辨率。因此，例如，可以在长度为20公里的工程上每米进行一次测量。利用布里渊反向散射现象的用于光纤分布式测量的光电装置是已知的，并已用于土木工程中的温度和变形测量应用。这些系统对于监视诸如桥梁、水坝、液压土坝或流体输送网络(水，碳氢化合物，天然气)的线性工程特别有利，以控制地面运动(滑动，沉降)或埋管是否变形。为了能够以米制空间分辨率分析几十公里内强度的变化，测量系统通常使用光学时间反射仪OTDR(“OpticalTimeDomainReflectometry”的缩写)。OTDR在于在光纤中传播光脉冲，以分析和测量随时间变化的返回强度。检测反向散射光所花费的时间使得可以定位要测量的事件(沿光纤的点z的坐标)。空间分辨率则是光脉冲宽度的函数：宽度为10ns的脉冲，导致例如分辨率约为1m。借助于布里渊反向散射现象与OTDR技术的结合，实现了沿着光纤在数十公里上分布的温度和变形的测量，达到了米制甚至厘米的分辨率。沿光纤的测量是使用如图1所示的装置进行的。来自诸如激光器的光源1的光被分布在两个臂中。臂中的一个被称为“泵”，允许借助于声光调制器6以脉冲形式将光信号发送到待测光纤15中。根据布里渊现象，信号被光纤15反向散射。根据布里渊现象，构成光纤的材料(通常是二氧化硅)对光进行反向散射的谱分量的频率vBz与入射光波的频率v0偏移。对于波长为λ0＝1550nm的入射波，布里渊频率偏差通常约为11GHz。这样的频率非常高。为了能够对反向散射的信号进行处理，可以将频率转置为较低的频率，以减小要使用的检测器的带宽，从而消除大部分噪声。为此，进行外差检测，包括将要分析的反向散射信号与来自另一臂的称为“本地振荡器”50的波重新组合。该本地振荡器50可以例如是呈布里渊环的激光器的形式。在这种情况下，频率为v0的连续光信号被引导到环行器51，该环行器又将其引导到参考光纤。该参考光纤通过放大的自发散射沿与环行器发送到耦合器52的频率v0-vBref相反的方向发出辐射。耦合器52将一部分能量发送到输出信号，而将另一部分能量重新引导到参考光纤，在参考光纤处，在将所述辐射朝向环形器51重新引导之前，所述辐射通过受激布里渊散射(放大的自发的)以增益系数G被放大，环形器51将放大的辐射送回到耦合器52并将其输出。本地振荡器50则通过受激布里渊散射形成放大环。光电检测器10使得可以补偿两个信号的差拍(battement)。然后，将补偿的差拍放大，然后发送到电频谱分析仪12。在文献US7283216中更具体地描述了这样的用于通过布里渊散射在光纤中进行分布式测量的光电装置，其使用单个激光器频率来产生光脉冲。文献JP2010217029描述了另一种用于通过布里渊散射进行分布式测量的光电装置，其使用单个激光器频率来产生光脉冲。该装置旨在经由外差检测来减小布里渊反向散射光的光接收带宽，从而降低成本并促进反向散射光的处理。为此，该装置包括与测试光纤相似的参考光纤，以便测量参考线的和待测线的反向散射光之间的频率差。但是，这些装置的缺点之一是它们的测量时间长。实际上，通常，对于10km的光纤，测量持续时间大于1分钟。另外，在布里渊反向散射测量期间，温度参数和变形参数在光纤中都产生相同的物理现象(布里渊反向散射频率vB的变化)。因此，布里渊频率vB线性地取决于材料的变形和温度。因此，入射波与反向散射波之间的频率偏移ΔvB随温度ΔT的和变形ε的变化而根据以下等式变化：ΔνB＝CTΔT+Cεε，其中CT和Cε分别是特定于所使用光纤的变形和温度灵敏度系数。因此，目前无法在同一布里渊反向散射测量中区分温度参数和变形参数。用这种类型的设备克服此问题的唯一方法是固定两个约束之一，或者通过机械固定光纤使其仅能够测量温度，或者通过热绝缘或近似估计光纤周围的温度稳定以便仅测量变形。这些方法永远不会100％有效，并且在测量过程中始终存在残留不确定性，因为无法保证保护光纤免受所有应力(例如，管的摩擦或挤压)，特别是当包含它的电缆不再可接近时。已经提出了其他解决方案，例如通过拉曼散射进行分布式温度测量(Alahbabi，M.N.等人，OpticsLetters30，第11期(2005年6月1日)：1276–78)，并使用此测量值减去温度对布里渊频率的影响，以确定变形。但这通常会带来很大的实现困难，因为两次测量不是在同一个光纤中进行的，并且使用了两个单独的仪器。因此，必须对两个仪器的测量进行完美的空间对准。还存在高度的复杂性，特别是与两个设备的累积漂移有关的准确性的下降，并且还有与购买两个设备以及与使用两次测量以将结果转换为温度和变形的同时测量(例如，测量网格的对准，不确定性的估计，漂移的校正)的工程设计有关的额外的成本。最后，一般来说，基于两个独立测量的系统产生的质量结果很差，因为通常与这两个测量相关的误差会累积，并且每个测量的转换函数都有漂移，因此在长期测量的不确定性中必须考虑这些漂移。因此，还需要一种装置，该装置能够以单次测量并由单个待测光纤来区分温度参数和变形参数。技术问题因此，本专利技术的目的是弥补现有技术的缺陷。本专利技术特别地旨在提出一种具有光纤分布式测量的光电装置，其简单且节省空间并且能够产生对低频不具有或几乎不具有干扰的更精确和快速的测量。为此，光电器件具有新的架构，该架构允许生成不会引起或几乎不引起寄生信号的本地振荡器。“泵”臂中包含参考光纤，以生成放大的自发扩散信号，其允许免去所有必要的事先检查。本专利技术的目的还在于提出一种具有光纤分布式测量的光电装置，该光电装置能够以单次测量并且从待测试的单个光纤来区分温度参数和变形参数。为此，该光电装置提出了一种新架构，该架构允许同时测量布里渊反向散射的和瑞利反向散射的反斯托克斯线(laraieanti-Stokes)。另外，根据本专利技术提出的装置使得比现有技术的装置执行分析快得多，同时与现有技术中描述的现有系统相比包括更少的能量消耗元件，这允许具有适合于步行操作者(unopérateuràpieds)干预或偶尔进行测量的便携式装置。
技术实现思路
为此，根据本专利技术的具有光纤分布式测量的光电装置包括：连续光源，以第一频率v0发射连续光信号；调制器，能够在连续信号上施加至少100MHz的频率偏移，并将其转换为意图注入到待测光纤中的脉冲信号；以及光检测模块，能够检测来自待测光纤15的反向散射信号，所述反向散射信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于光纤分布式测量的光电装置，所述装置包括：连续光源(1)，以第一频率ν

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于光纤分布式测量的光电装置，所述装置包括：连续光源(1)，以第一频率ν0发射连续光信号；调制器(6)，能够将至少100MHz的频率偏移νA施加至连续信号，并能够将连续信号转换为用于注入到待测光纤(15)中的脉冲信号；以及光检测模块(10)，能够检测来自所述待测光纤(15)的反向散射信号，所述反向散射信号源于来自所述待测光纤(15)的瑞利反向散射和/或自发布里渊反向散射，
所述装置的特征在于，所述装置还包括第一耦合器(3)和第二耦合器(9)，所述第一耦合器(3)能够将所述连续光信号分成分布在以下两个臂中的具有相同频率的两个信号，
第一臂(31)，其将所述第一耦合器(3)连接到包括参考光纤(42)的参考光纤块(4)，所述参考光纤块(4)能够发射频率为ν0-νbref的另一光信号，其中νbref是所述参考光纤(42)在参考温度时且不具有变形的布里渊频率，
第二臂(32)，其将所述第一耦合器(3)连接到位于所述光检测模块(10)上游的第二耦合器(9)，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至所述第二耦合器(9)，从而构成本地振荡器，
所述第二耦合器(9)能够将所述本地振荡器的信号耦合至来自所述待测光纤(15)的反向散射信号，然后再将反向散射信号传输至所述光检测模块(10)，
所述反向散射信号以等于ν0-νbref+νA+νbAS的频率νrB进行调制，其中νbAS是能够在所述光纤(15)的任意点z处测量的反斯托克斯布里渊反向散射频率，其中νA是所述调制器(6)自身的频率，并且
所述光检测模块(10)能够将接收到的反向散射信号传输至处理模块(12)，所述处理模块能够将反向散射信号的调制与所述待测光纤(15)的任意点z处的变形值和温度值相关联。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括第三耦合器(2)和第四耦合器(5)，所述第三耦合器(2)能够将来自光源(1)的所述连续光信号分成分布在以下两个臂中的具有相同频率的两个信号，
第一臂(21)，其将所述第三耦合器(2)连接至所述第一耦合器(3)，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至所述第一耦合器(3)，
第二臂(22)，其将所述第三耦合器(2)连接到位于所述调制器(6)上游的第四耦合器(5)，并且能够将频率为ν0的初始信号传输到所述第四耦合器(5)，
所述第四耦合器(5)能够将初始信号ν0耦合到来自参考块(4)的频率为ν0-νbref的光信号。


3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述参考光纤(42)相对于所述待测光纤(15)的布里渊响应具有至少200MHz的偏移布里渊频率。


4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述反向散射信号包含频率为νrR等于ν0+νA的瑞利反向散射谱和频率为νrB等于ν0-νbref+νA+νbAS的布里渊反向散射谱。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括模数转换器模块(11)，所述模数转换器模块具有的带宽至少为800MHz，采样频率至少为1.6Gech/s。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述光电装置能够通过访问所述待测光纤(15)的单端进行操作。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述光电装置能够通过单次测量分别测量所述待测光纤(15)中的温度和变形。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述处理模块(12)能够通过应用矩形窗口类型的或汉明、汉恩或布莱克曼-哈里斯类型的滑动时间窗口，将数字化信号切割成多个部段(T1.....

【专利技术属性】
技术研发人员：V兰蒂克，P克莱门特，E阿尔莫里克，
申请(专利权)人：费布斯光学公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR