一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统及测量方法

1.本发明涉及光纤传感系统，属于分布式光纤传感技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统及测量方法。


背景技术：

2.当光在光纤中传输时，外界环境中温度、应变或者电磁场等物理场的变化会改变传输光的光强、波长、相位、频率、偏振态等参数。通过监测传输光的参数变化可以解调出物理场参量的变化，即用光纤实现传感物理量传感。相比于传统的传感技术，光纤传感技术具有灵敏度高、质量轻、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、传输容量大、寿命长等优势，从而可以广泛应用于工程和生活各个领域，如交通隧道、桥梁建筑、石油管道、煤炭矿井等重要基础设施的安全监测。
3.分布式光纤传感温度和应变传感技术在工业监测中应用广泛。然而，依托单一光学参量的传感系统多数难以实现温度和应变共同传感，有的甚至存在交叉敏感问题，在实际监测时会引入误差，导致温度和应变的变化无法区分。随着特种光纤的应用以及基于其他散射机理传感等技术的发展，温度应变交叉敏感问题得到了一定的解决，但难以保证较高的空间分辨率，在诸如航天器内部链路诊断、医疗器械结构形变监测等需要短距离、高空间分辨率的场合存在应用瓶颈，亟需一种高空间分辨率温度应变同时传感方案。


技术实现要素：

4.本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统硬件结构的改进。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统，包括基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统和基于瑞利散射光频域反射的温度应变采集系统，所述基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统包括窄线激光器、第一光纤耦合器、探测光路和泵浦光路、传感光纤、第二波分复用器、矢量网络分析装置，所述窄线激光器将发出的1310nm的窄线激光源信号经过第一光纤耦合器分为两路，一路作为探测光进入探测光路，将探测光经过处理后进入传感光纤，另一路作为泵浦光路，将经过电光调制后的泵浦光输入矢量网络分析装置进行测量解调，随后将经过解调的泵浦光处理后再进入第二波分复用器后出射进入传感光纤进行受激布里渊过程，在光纤中经过受激布里渊过程后，探测光携带sbs信息经过传感光纤后再经过处理进入矢量网络分析装置测量，得到传感光纤的基带传输函数；所述基于瑞利散射光频域反射的温度应变采集系统包括可调谐激光器、第三光纤耦合器、主干涉系统和辅干涉系统，所述可调谐激光器将1550nm的激光信号经过第三光纤耦合器分为两路出射，其中一路进入主干涉系统进行处理后输出后向瑞利散射光，其中基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统的探测光和泵浦光路均进入主干涉系统，另一路进入辅干涉系统。
6.还包括数据采集系统，所述主干涉系统和辅干涉系统出射的光路均进入数据采集系统，所述数据采集系统采集到参考数据和测试数据之后，数据处理软件通过快速傅里叶算法将数据从光频域映射到距离域，在距离域使用滑动窗口选择一小段测试光纤的距离域信息，通过反快速傅里叶算法将距离域的信息映射到光频域，并且在光频域使用互相关算法解调出这一小段光纤温度或者应力变化前后的后向瑞利散射谱波峰偏移量，最后根据波峰的偏移量计算出这一小段光纤的温度或者应变的变化量。
7.所述探测光路包括iq调制器、射频微波信号源、第一掺铒光纤放大器、光隔离器、第一波分复用器、末端光纤环，1310nm的窄线宽激光器的出射端与光纤耦合器的端口a1连接，光纤耦合器的端口a2与iq调制器的端口b1连接；射频微波信号源的射频输出端通过高频同轴电缆与iq调制器的射频入射端口b3连接；iq调制器的端口b2与第一掺铒光纤放大器的入射端连接；第一掺铒光纤放大器的出射端与光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端与第一波分复用器的端口c1连接；第一波分复用器的端口c3与末端光纤环的入射端连接。
8.所述泵浦光路包括电光调制器、第二光纤耦合器、第二掺铒光纤放大器、扰偏器、第一环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、信号源，光纤耦合器的端口a3与电光调制器的端口d1连接；电光调制器的端口d2与第二光纤耦合器的端口e1连接；第二光纤耦合器的端口e3与第一光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的出射端与矢量网络分析装置的端口h2连接；第二光纤耦合器的端口e2与第二掺铒光纤放大器的入射端连接；第二掺铒光纤放大器的出射端与扰偏器的入射端连接；扰偏器的出射端与第一环形器的端口f1连接；第一环形器的端口f3与第二光电探测器的入射端连接；第二光电探测器的出射端与矢量网络分析装置的端口h3连接；第一环形器的端口f2与第二波分复用器的端口g1连接；第二波分复用器的端口g2与传感光纤的入射端连接；传感光纤的出射端与第一波分复用器的端口c2连接；矢量网络分析装置的端口h1与信号源的入射端连接；信号源的出射端与电光调制器的端口d3连接。
9.所述主干涉系统包括第四光纤耦合器、第二环形器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第五光纤耦合器、偏振分束器，1550nm的可调谐激光器的出射端与第三光纤耦合器的端口i1连接；第三光纤耦合器的端口i2与第四光纤耦合器的端口j1连接；第四光纤耦合器的出射端口j2与第二环形器的端口k1连接；第二环形器的端口k2与第一偏振控制器的入射端连接；第一偏振控制器的出射端与第二波分复用器的端口g3连接；第四光纤耦合器的端口j3与第二偏振控制器的入射端连接；第二偏振控制器的出射端与第五光纤耦合器的l2连接；第二环形器的端口k3与第五光纤耦合器的端口l1连接；第五光纤耦合器的端口l3与偏振分束器的端口m1连接；偏振分束器的端口m2与数据采集系统的端口o1连接；偏振分束器的端口m3与数据采集系统的端口o2连接。
10.所述辅干涉系统包括触发干涉仪，第三光纤耦合器的端口i3与触发干涉仪的入射端连接；触发干涉仪的出射端与数据采集系统的端口o3连接。
11.一种高空间分辨率温度和应变光纤传感测量方法，包括如下步骤：
s1：通过基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统获取传感光纤的基带传输函数，解算后得到传感光纤的布里渊频移；s2：通过基于瑞利散射光频域反射的温度应变采集系统获取传感光纤的后向瑞利散射波长漂移；s3：数据采集系统采集到参考数据和测试数据之后，数据处理软件通过快速傅里叶算法将数据从光频域映射到距离域，在距离域使用滑动窗口选择一小段测试光纤的距离域信息，通过反快速傅里叶算法将距离域的信息映射到光频域，并且在光频域使用互相关算法解调出这一小段光纤温度或者应力变化前后的后向瑞利散射谱波峰偏移量，最后根据波峰的偏移量计算出这一小段光纤的温度或者应变的变化量。
12.所述s1具体步骤如下：在1310nm处工作的窄线宽激光器发出的窄线宽激光源信号首先经过第一光纤耦合器分为两路，一路作为探测光从端口b1进入iq调制器，探测光被iq调制器通过射频微波信号源由端口b3入射的信号在布里渊频移周围进行抑制载波单边带信号调制；探测光经过单边带调制后进入第一掺铒光纤放大器进行光功率放大，经过第一掺铒光纤放大器放大的探测光进入光隔离器，光隔离器出射后的探测光从端口c1进入第一波分复用器，从第一波分复用器的端口c2出射后进入传感光纤，在传感光纤中与脉冲光发生受激布里渊效应后的探测光进入第二波分复用器的端口g2；第一光纤耦合器的另一路作为泵浦光路从端口d1进入电光调制器，矢量网络分析装置的端口h1输出传递函数频率范围内的信号来驱动射频信号源；电光调制器中被每一个角频率wm调制后的泵浦光通过端口e1进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的输出端口e3分一部分的光进入第一光电探测器转化为电信号通过入射端口h2进入矢量网络分析装置测量解调；第二光纤耦合器输出另一部分的泵浦光通过出射端口e2进入第二掺铒光纤放大器进行放大，经过第二掺铒光纤放大器出射的泵浦光进入扰偏器，从扰偏器出射的泵浦光从第一环形器的入射端口f1进入从端口f2出射，随后进入第二波分复用器后出射进入传感光纤进行受激布里渊过程；在光纤中经过受激布里渊过程后，探测光携带sbs信息经过传感光纤后经过第二波分复用器的端口g2入射从g1端口出射后进入第一环形器，从第一环形器端口f3出射进入第二光电探测器转化为电信号后从端口h3进入矢量网络分析装置测量，得到传感光纤的基带传输函数。
13.所述s2具体步骤如下：工作在1550nm的可调谐激光器经过分光比为90：10的第三光纤耦合器分为两端出射，90%的出射光由端口i2进入主干涉系统，首先由端口j1进入90：10的第四光纤耦合器，第四光纤耦合器的90%出射端口j2发出的探测光进入第二环形器后，随后由第二环形器端口k2出射，第二环形器端口k2出射的探测光经过第一偏振控制器进入第二波分复用器的端口g3，从第二波分复用器的端口g2出射的探测光进入传感光纤，从传感光纤出射的1550nm的探测光从端口c2进入第一波分复用器；1550nm的探测光在探测光纤中的后向瑞利散射光经过第二波分复用器后从端口g2入射，第二波分复用器端口g3出射的后向瑞利散射光经过第一偏振控制器进入第二环形
器的端口k2并由端口k3出射，并通过端口l1进入第五光纤耦合器和参考光进行混频；第四光纤耦合器的10%出射端口j3作为参考光从入射端口进入第二偏振控制器，第二偏振控制器出射后从端口l2进入第五光纤耦合器和探测光进行混频；可调谐激光器经过分光比为90：10第三光纤耦合器分为两端出射后，10%的光从出射端口进入辅干涉系统，经触发干涉仪进入数据采集系统形成触发信号。
14.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：一、不同于光时域反射技术技术，本发明由于采用光频域测量的方法，可大幅提高测量空间分辨率。
15.二、本发明避免了传统方法中使用铺设伴随参考光纤方法和昂贵特种光纤带来的精度降低和实施成本较高问题，基于布里渊频移和后向瑞利散射波长漂移原理，仅使用单根单模光纤测量即可实现温度和应变的同时测量。
附图说明
16.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明的结构示意图；图中：1、窄线宽激光器；2、第一光纤耦合器；3、iq调制器；4、射频微波信号源；5、第一掺铒光纤放大器；6、光隔离器；7、第一波分复用器；8、末端光纤环；9、传感光纤；10、电光调制器；11、第二光纤耦合器；12、第二掺铒光纤放大器；13、扰偏器；14、第一环形器；15、第二波分复用器；16、第一光电探测器；17、第二光电探测器；18、信号源；19、矢量网络分析装置；20、可调谐激光器；21、第三光纤耦合器；22、第四光纤耦合器；23、第二环形器；24、第一偏振控制器；25、第二偏振控制器；26、第五光纤耦合器；27、偏振分束器；28、数据采集系统；29、触发干涉仪。
具体实施方式
17.如图1所示，本发明提供的高空间分辨率温度和应变光纤传感系统包括：1310nm的窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、iq调制器3、射频微波信号源4、第一掺铒光纤放大器5、光隔离器6、第一波分复用器7、末端光纤环8、传感光纤9、电光调制器10、第二光纤耦合器11、第二掺铒光纤放大器12、扰偏器13、第一环形器14、第二波分复用器15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、信号源18、矢量网络分析装置19、1550nm的可调谐激光器20、第三光纤耦合器21、第四光纤耦合器22、第二环形器23、第一偏振控制器24、第二偏振控制器25、第五光纤耦合器26、偏振分束器27、数据采集系统28和触发干涉仪29。
18.本发明特征在于布里渊光频域分析原理和瑞利光频域反射原理结合，实现布里渊频移和后向瑞利散射波长漂移同时测量，进而实现温度和应变无交叉敏感检测。其中，基于布里渊散射光频域分析原理的温度和应变测量实施方式如下所述：在1310nm处工作的窄线宽激光器1发出的窄线宽激光源信号首先经过第一光纤耦合器2分为两路，一路作为探测光从端口b1进入iq调制器3,探测光被iq调制器3通过射频微波信号源4由端口b3入射的信号在布里渊频移周围进行抑制载波单边带信号调制。探测光经过单边带调制后进入第一掺铒光纤放大器5进行光功率放大，经过第一掺铒光纤放大器5放大的探测光进入光隔离器6，光隔离器6保证单向传输，光隔离器出射后的探测光从端口
c1进入第一波分复用器7，从第一波分复用器7的端口c2出射后进入传感光纤9，在传感光纤中与脉冲光发生受激布里渊效应后的探测光进入第二波分复用器15的端口g2；第一光纤耦合器2另一路作为泵浦光路从端口d1进入电光调制器10; 矢量网络分析装置19端口h1输出传递函数频率范围内的信号来驱动射频信号源18。电光调制器10中被每一个角频率wm调制后的泵浦光通过端口e1进入第二光纤耦合器11，第二光纤耦合器11输出端口e3分10%的光进入第一光电探测器16转化为电信号通过入射端口h2进入矢量网络分析装置19测量解调。第二光纤耦合器11输出90%的泵浦光通过出射端口e2进入第二掺铒光纤放大器12进行放大，经过第二掺铒光纤放大器12出射的泵浦光进入扰偏器13，采用扰偏器13来最小化由于泵浦沿传感光纤极化状态的变化而产生的增益波动。从扰偏器13出射的泵浦光从第一环形器14的入射端口f1进入从端口f2出射，随后进入波分复用器15后出射进入传感光纤9进行受激布里渊过程。
19.在光纤中经过受激布里渊过程后，探测光携带sbs信息经过传感光纤9后经过波分复用器15的端口g2入射从g1端口出射后进入环形器14，从环形器14端口f3出射进入第二光电探测器17转化为电信号后从端口h3进入矢量网络分析装置19测量，得到传感光纤的基带传输函数，网络分析仪输出的模拟信号经过模数转换成数字信号，然后进行反快速傅立叶变换，结果可近似为传感光纤脉冲响应h(t)，它包含了光纤的布里渊频移。
20.基于瑞利散射光频域反射原理的温度和应变测量实施方式如下所述：工作在1550nm的可调谐激光器20经过分光比为90：10的第三光纤耦合器21分为两端出射，90%的出射光由端口i2进入主干涉系统，首先由端口j1进入90：10的第四光纤耦合器22，第四光纤耦合器22的90%出射端口j2发出的探测光进入第二环形器23后，随后由第二环形器23端口k2出射，第二环形器23端口k2出射的探测光经过第一偏振控制器24进入第二波分复用器15的端口g3，从第二波分复用器15的端口g2出射的探测光进入传感光纤9，从传感光纤9出射的1550nm的探测光从端口c2进入第一波分复用器7，第一波分复用器7用于将可调谐激光器20发出的1550nm左右的探测光从端口c3出射进入末端光纤从而脱离光纤环路，末端光纤环8同时用来减少菲涅尔反射，1550nm的探测光在探测光纤9中的后向瑞利散射光经过波分复用器15后从端口g2入射，波分复用器15端口g3出射的后向瑞利散射光经过第一偏振控制器24进入第二环形器23的端口k2并由端口k3出射，并通过端口l1进入第五光纤耦合器26和参考光进行混频。
21.第四光纤耦合器22的10%出射端口j3作为参考光从入射端口进入第二偏振控制器25，第二偏振控制器25出射后从端口l2进入第五光纤耦合器26和探测光进行混频。
22.可调谐激光器20经过分光比为90：10第三光纤耦合器21分为两端出射后，10%的光从出射端口i3进入辅干涉系统，经触发干涉仪29进入数据采集系统28形成触发信号。采集系统28根据触发信号所形成的时钟对测试信号做等光频间隔采样，消除光源的扫频非线性。
23.参考光和探测光在第五光纤耦合器26混频后进入偏振分束器27。在主干涉接收部分采用混频式偏振分集接收方式来消除偏振衰落现象。数据采集系统28每次扫描后的数据采集过程完全相同，均是数据采集卡根据辅助干涉的拍频信号触发采集主干涉仪的测试信号。采集到参考数据和测试数据之后，数据处理软件通过快速傅里叶算法将数据从光频域映射到距离域，在距离域使用滑动窗口选择一小段测试光纤的距离域信息，通过反快速傅
里叶算法将距离域的信息映射到光频域，并且在光频域使用互相关算法解调出这一小段光纤温度或者应力变化前后的后向瑞利散射谱波峰偏移量，最后根据波峰的偏移量计算出这一小段光纤的温度或者应变的变化量。重复上述过程便可以测出光纤上每一段的温度或者应力变化。
24.得到布里渊频移和后向瑞利散射波长漂移后，依据布里渊频移和后向瑞利散射光谱位移与温度应变的线性关系，便可联立两个方程式来实现完全的温度和应变判别。
25.；其中：
∆
t是温度的改变量，
∆
ε是应变的改变量，和是瑞利散射波长漂移的应变系数和温度系数，和是布里渊频移的应变和温度系数，是布里渊频移改变量，
∆
λ是后向瑞利散射波长漂移，。对于某一传感光纤，根据事先标定好的布里渊频移温度和应变系数，后向瑞利散射波长漂移的温度和应变系数，利用上式便可以得到传感光纤的温度应变分布信息。
26.本发明是一种高空间分辨率温度和应变传感系统，用于有效解决分布式光纤传感过程中的温度和应变交叉敏感问题，同时又保证较高的空间分辨率。本发明就是在普通单模光纤中，将布里渊光频域分析原理和瑞利光频域反射原理结合，实现布里渊频移和后向瑞利散射波长漂移同时测量，最终基于两个物理量对于温度和应变灵敏系数的不同，实现温度应变的同时传感。
27.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
28.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。