基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法技术

一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，它采用一个测量系统进行，所述测量系统包括窄线宽激光器、保偏耦合器、光耦合器、光调制器、光放大器、环行器、光电检测器、布里渊频移和强度检测单元，所述保偏耦合器的第一光口接激光器，第三光口依次经光调制器、光放大器接环行器的第一光口，环行器的第二光口接传感光纤，第三光口接光耦合器的第一光口，保偏耦合器的第四光口接光耦合器的第二光口，光耦合器的第三光口经光电检测器接布里渊频移和强度检测单元。本发明专利技术可在不降低系统测量精度的前提下，提高测量空间分辨率，同时也可提高系统信噪比，增加传感距离，减少测量时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用布里渊光时域反射系统同时测量温度和应变的方法，属于测量

技术介绍
布里渊分布式光纤温度和应变同时测量技术具有只需一次测量即可获取沿整个光纤被测场分布信息、测量精度高、定位准确、距离可达数十公里等独特优点，在电力、石油、建筑和水利等行业大型工程结构健康状况在线监测和故障点定位中应 用前景广阔。布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, B0TDR)是一种基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统，该系统利用传感光纤中后向布里渊散射光的频移和强度与温度和应变的线性变化关系，结合光时域反射技术，可实现温度和应变的同时测量。BOTDR凭借单端测量、装置简单、实际工程应用方便等优点，已经在很多大型基础工程设施的温度与应变在线监测和健康诊断中得到广泛的应用。在BOTDR传感系统中，自发布里渊散射信号的频移和强度受光纤所处环境的温度和应变影响，为了获得传感光纤上各处的温度和应变信息，须先将探测脉冲光注入传感光纤，然后在同一端测量光纤各处布里渊散射信号的频移和强度。接收端光电检测器在不同时刻获得的散射光谱与光纤上不同位置处的布里渊散射光对应。由于布里渊散射光的频率高达IO14 Hz数量级，一般采用光学外差方法将布里渊散射光谱信号的频率降至光电检测器可响应的射频或中频频率范围内进行检测。外差检测所得布里渊信号频移约为11GHz，需用微波下变频器将其变换至较低频段，并通过扫描微波本振频率的方式对整个布里渊散射谱进行扫描，实现布里渊频移和强度的测量。调节本振频率来改变差频信号的中心频率，得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到每一点的布里渊谱；布里渊谱强度最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移，对谱积分可得该点的布里渊强度。利用布里渊散射光的频移和强度与温度和应变的线性变化关系，即可获得沿传感光纤任一位置处的温度和应变信息。BOTDR系统中自发布里渊散射光信号非常微弱，故检测难度较大；另外，由于受声子寿命的限制，系统空间分辨率和测量精度相互制约，无法同时提高。根据文献调研，YaheiKoyamada等人于2007年提出双脉冲(Double Pulse,DP) BOTDR技术，通过单个声波产生的后向布里渊散射光的相干特性同时提高布里渊频移测量精度和系统空间分辨率，实现了空间分辨率20 cm、测量精度土 I °C和土 20 μ ε的温度或应变的分别测量。所述方法虽克服了系统空间分辨率和测量精度之间的矛盾，但不能实现温度和应变的同时测量，且未能有效地提高系统信噪比，限制了整个系统的传感距离
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之弊端，提供一种可同时提高传感距离和测量速度，克服系统空间分辨率和测量精度之间的矛盾，应用于长距离温度和应变传感的。本专利技术所述方法是以下述技术方案实现的一种，所述方法采用一个测量系统进行，所述测量系统包括窄线宽激光器、保偏耦合器、光耦合器、由阶梯脉冲发生器驱动的光调制器、光放大器、两个光栅滤波器、环行器、光电检测器、布里渊频移和强度检测单元及传感光纤；所述保偏耦合器的第一光口接激光器，第三光口依次经光调制器、光放大器、第一光栅滤波器接环行器的第一光口，环行器的第二光口接传感光纤，第三光口经第二光栅滤波器接光稱合器的第一光口，保偏稱合器的第四光口接光稱合器的第二光口，光稱合器的第三光口经光电检测器接布里渊频移和强度检测单元。所述测量系统按如下方式进行测量 窄线宽激光器发出的连续光经保偏耦合器后分成两路，一路作为本振光，经光耦合器进入光电检测器；另一路作为探测光，经光调制器调制为阶梯脉冲光宽度为、传感脉冲光宽度为^的阶梯光脉冲后，再经光放大器、第一光栅滤波器和环行器注入传感光纤，得到的布里渊散射光进入第二光栅滤波器进行滤波，本振光和滤波后的布里渊散射光信号经光电检测器外差后产生布里渊散射谱电信号，布里渊频移和强度检测单元对该信号进行处理，即可获得传感光纤上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。上述，所述布里渊频移和强度检测单元由下变频器、带通滤波器、低通滤波器、两个检波器、高速数据采集卡和计算机组成，所述下变频器的输入端接光电检测器的输出端，其输出信号分成两路，一路依次经带通滤波器和第一检波器进入高速数据采集卡的第一通道，另一路依次经低通滤波器和第二检波器进入高速数据采集卡的第二通道，所述高速数据采集卡的输出端接计算机。所述布里渊频移和强度检测单元按如下方式进行测量调节下变频器中频率综合器的频率来改变差频信号的中心频率，使布里渊谱不同频率成份的信号依次通过带通滤波器，再通过第一检波器将布里渊谱不失真地搬移至低频，进而得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到预泵浦脉冲产生的布里渊散射谱，布里渊谱强度最大点对应的频率便为该散射点的布里渊频移；调整下变频器中频率综合器的输出频率，以改变本振与散射信号的差频信号的中心频率，使布里渊谱完整地通过低通滤波器，再由第二检波器将布里渊谱不失真地搬移至低频，可得整个光纤上的布里渊散射谱，即预泵浦脉冲和传感脉冲产生的布里渊散射谱的合成谱，从而可得到光纤上每个散射点的布里渊强度，利用布里渊频移和强度与温度和应变的线性变化关系，经过系统标定，即可获得传感光纤上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。上述，为了降低布里渊散射光偏振态变化对外差检测的影响，在保偏耦合器和光耦合器之间加入扰偏器。上述，所述的阶梯脉冲发生器包括T型连接器、信号合成器及两个脉冲信号发生器，第一脉冲信号发生器的输出端接T型连接器的输入端，T型连接器的第一输出端接第二脉冲信号发生器的输入端，第二脉冲信号发生器的输出端接信号合成器的第一输入端，T型连接器的第二输出端经时间延迟器接信号合成器的第二输入端，信号合成器的输出端接光调制器的射频端。所述阶梯脉冲发生器按如下方式生成脉冲首先由第一脉冲信号发生器产生一个宽度小于声子寿命的电脉冲，该电脉冲经T型连接器后分为两路，其中一路作为第二脉冲信号发生器的触发信号，当该触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽度大于声子寿命且幅值低于传感脉冲的脉冲信号，并将该脉冲信号送到信号合成器的第一输入端，T型连接器第二输出端的脉冲信号经时间延迟器延时后进入信号合成器的第二输入端，由信号合成器将其两输入信号合成为一个阶梯电脉冲并送入光调制器的射频端。上述，所述光调制器也可以由两个首尾相接的铌酸锂光强度调制器来代替，首先利用第一铌酸锂光强度调制器的工作点(直流偏置电压)来确定预泵浦脉冲光的幅值；随后通过控制电脉冲宽度来决定传感脉冲光的宽 度；最终通过控制第二铌酸锂光强度调制器的脉冲宽度确定阶梯脉冲光的宽度。本专利技术采用脉冲预泵浦的调制方式，通过预泵浦脉冲和传感脉冲之间的受激布里渊散射作用实现布里渊散射谱的整形和传感信号的放大，可在不降低系统测量精度的前提下，提高测量空间分辨率，同时也可提高系统信噪比，增加传感距离，减少测量时间。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术所提供的测量系统原理图2为入射阶梯光脉冲及BSS整形原理的示意图3为传感脉冲和自发布里渊散射信号SBS作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，其特征是，所述方法采用一个测量系统进行，所述测量系统包括窄线宽激光器(LD)、保偏耦合器(C1)、光耦合器(C2)、由阶梯脉冲发生器(SPG)驱动的光调制器(EOM)、光放大器(EDFA)、两个光栅滤波器、环行器(OC)、光电检测器(PD)、布里渊频移和强度检测单元(TDU)及传感光纤(FUT)；所述保偏耦合器(C1)的第一光口接激光器(LD)，第三光口依次经光调制器(EOM)、光放大器(EDFA)、第一光栅滤波器(GF1)接环行器(OC)的第一光口，环行器(OC)的第二光口接传感光纤(FUT)，第三光口经第二光栅滤波器(GF2)接光耦合器(C2)的第一光口，保偏耦合器(C1)的第四光口接光耦合器(C2)的第二光口，光耦合器(C2)的第三光口经光电检测器(PD)接布里渊频移和强度检测单元(TDU)；所述测量系统按如下方式进行测量：窄线宽激光器(LD)发出的连续光经保偏耦合器(C1)后分成两路，一路作为本振光，经光耦合器(C2)进入光电检测器(PD)；另一路作为探测光，经光调制器(EOM)调制为阶梯脉冲光宽度为Dpre、传感脉冲光宽度为D的阶梯光脉冲后，再经光放大器(EDFA)、第一光栅滤波器(GF1)和环行器(OC)注入传感光纤(FUT)，得到的布里渊散射光进入第二光栅滤波器(GF2)进行滤波，本振光和滤波后的布里渊散射光信号经光电检测器(PD)外差后产生布里渊散射谱电信号，布里渊频移和强度检测单元(TDU)对该信号进行处理，即可获得传感光纤(FUT)上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永倩，李晓娟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：