基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的设计技术方案

本发明专利技术涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的设计，属于光纤传感技术领域。该系统一方面涉及应变传感，另一方面涉及温度应变同时传感。利用从种子光源中分出的一小束光对后向散射光中的瑞利成分进行加强，从而极大地加强了外差干涉信号；采用电解耦的方法来分辨布里渊信号的频移和强度变化来解耦温度和应变；还涉及到光电调制器的反馈控制系统；利用扰偏器消除布里渊散射光偏振态的不稳定而引起的噪声；采用布里渊强度的归一化法消除光纤传输损耗的影响；利用小波去噪的方法提高信号的信噪比；从而提高了系统的整体性能。本发明专利技术适用于长距离分布式温度应变检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的设计，尤其涉及利用其检测应变和同时检测温度和应变的两种方案。
技术介绍
基于布里渊散射的分布式光纤传感系统（DTSS）由于其独特的优势，如灵敏度高、抗电磁干扰及能够同时分布式测量温度和应变等，深受人们青睐，有着广泛的应用前景。光在光纤中传输，主要有三种后向散射光：瑞利、布里渊和拉曼，其中瑞利散射无能量转换，属于弹性散射，无频移；布里渊和拉曼散射都具有能量转换，属于非弹性散射，而且一般均具有斯托克斯和反斯托克斯两种成分光。据定义，频率下移的成分是斯托克斯光，频率上移的成分是反斯托克斯光。布里渊散射和拉曼散射的区别在于前者是基于光学声子的一种散射光，既受温度变化的影响又受应变的影响，而后者是基于光学光子的一种散射光，只受温度变化的影响。目前广大研究者已经对这些散射现象进行了深入研究并且根据其各自特点进行了应用，比如光时域/频域反射计（OT/FDR），光时域/频域分析仪（OT/FDA），以及分布式光纤传感器等等。分布式光纤传感器特别是基于布里渊散射的光纤传感器，与其他传感器相比，具有其独特优势，但同时由于布里渊后向散射光与瑞利后向散射光的频率差异非常小，约为11GHz（对应于波长差异为88pm），其检测手段存在很大的挑战性，所以目前仍然是研究热点。现有技术中的布里渊散射分布式光纤传感系统包括自发布里渊散射分布式光纤传感系统和受激布里渊散射分布式光纤传感系统。典型的自发布里渊散射分布式光纤传感系统如图1所示，包括光源，其输出光被分成第一束光和第二束光，第一束光经过调制进入传感光纤，第一束光在光纤中的反向自发布里渊散射光与上述第二束光在外差检测装置中混合并干涉，并由该检测装置检测该干涉信号并分析，从而获得传感光纤中的温度和应变的变化。在该传感系统中，需要从光源中分出一束光作参考光，然后与布里渊散射信号进行外差干涉，这就需要性能好、价格高的滤光器将布里渊后向散射光从诸多后向散射光中分离出来或利用声光调制器或微波电光调制器等器件来调制参考光，而且，其中还存在脉冲光脉宽和信号强弱相互矛盾的问题，在传统方法中或者用频域分析方法来提高空间分辨率，但其不能用于长距离测量，或者只使用窄脉宽的脉冲光来提高空间分辨率，但其使得传感信号弱，后续信号处理较困难。另外，在传统系统中，通常使用光方法或使用软件方法来解耦温度和应变，但前者成本较高，后者影响响应时间。国际申请PCT/JP2004/009352公开了一种利用受激布里渊散射现象的分布式光纤传感器，图2示出了其中通过受激布里渊散射进行检测的示意图，其中与自发布里渊散射分布式光纤传感器不同之处在于，其包括脉冲光光源和连续光光源，从而在用于检测的光纤的两端分别输入探测光和激发光。这样的方案可以加强探测光的布里渊散射中的斯托克斯成分，使得反斯托克斯成分较弱，甚至可以被忽略，从而可以解决输入光脉冲宽度和信号强弱的矛盾。但是该系统结构复杂而且安装不方便，使得制造成本加大。
技术实现思路
本专利技术旨在建立了一套完整有效的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。本专利技术的一方面涉及一种分布式光纤应变传感系统，包括：光源单元，其发出适于检测和处理的光；光环行器，其接收来自所述光源单元的光,并将接收的光传输入用于检测的传感光纤；以及检测单元，其从所述光环行器接收由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光，在所述检测单元中获得所述后向散射光中的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过本源外差干涉形成的干涉光，并将所述干涉光转换为电信号，所述检测单元还对所述电信号进行检测，以获得传感光纤中应变的变化。本专利技术的另一方面涉及一种分布式光纤传感温度应变传感系统，其光路部分与前述系统一致，而电路部分较为复杂，将信号分为两大路，在能消除激光光源不稳和线路损耗的前提下，分别测出布里渊散射光的强度和频移变化，进而得到温度变化和应变。相比于现有技术，该系统在技术上有较大突破：该系统利用单端输入引发布里渊散射，这样不仅简化了系统而且安装方便；该系统利用从种子光源中分出的一小束光对后向散射光中的瑞利成分进行加强，使得外差干涉的信号得到极大的加强，便于后续信号的处理；该系统加入了扰偏器，从而降低了由于布里渊后向散射光的偏振态不稳定而引起的噪声；该系统在信号处理方面采用了小波去噪的方法，提高了信号的信噪比；该系统采用电解耦方法来分辨布理渊信号的频移和强度变化，进而可以解耦温度和应变，该方法降低了成本而且不会影响响应时间。最后本专利技术还涉及到光电调制器的反馈控制系统。在其反馈控制电路中，用99/1的耦合器将光电调制器的输出光分出1%，进入光电二极管中转化成电信号，然后通过开关门、放大器、微控制器单元以及其驱动，来调整供给光电调制器的偏置电压使得光电二极管输出电流最小，这时光电调制器的泄漏光功率最小，将会获得最佳的光脉冲。开关门的作用在于在脉冲发生期间关闭，这样得到真正意义上的泄漏光功率最小值，提高了控制精度。用于检测应变的分布式光纤传感系统如图3。激光光源发出的偏振光被偏振耦合器分成两部分，其中大部分的偏振光进入光电调制器的子系统中进行调制得到符合要求的脉冲光，该脉冲光的各种参数，如脉宽、发生频率等均由光电调制器的电脉冲参数决定。然后该脉冲光进入掺铒光纤放大器中进行放大，该掺铒光纤放大器的结构采用双向泵浦结构，既具有较高增益，又具有较低的噪声。放大后的光脉冲经滤波器滤除掺铒光纤放大器的噪声后经光环行器进入传感光纤中引发布里渊后向散射信号，该散射信号包括瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光与瑞利散射光的距离较远，约相差100nm，则普通的滤波器即可将拉曼散射光滤除，那么瑞利散射光和布里渊散射光与从激光光源中分离出的一小部分光在光耦合器中进行混合，使得瑞利散射光成分加强；混合光进入光电探测器中进行本源外差干涉，可以得到约为11GHz的外差干涉信号。该电信号经过放大器和滤波器后，在功率分束器中进行功率分配，一路直接进入微波探测器中，将高频信号转化成低频信号，然后经过低频放大器后进入采集卡中进行数据采集处理；另一路先经过一个频率-强度转换器，将频率的不同转化为强度的不同，进而进入微波探测器中，将高频信号转化为低频信号，然后经过低频放大器后进入采集卡中进行数据采集处理。两路信号经过一定的处理便既可以得到布里渊频移还可以消除由于激光光源不稳或线路损耗等的影响。用于同时检测温度和应变的分布式光纤传感系统如图4。激光光源发出的偏振光被偏振耦合器分成两部分，其中大部分的偏振光进入光电调制器的子系统中进行调制得到符合要求的脉冲光，该脉冲光的各种参数，如脉宽、发生频率等均由光电调制器的电脉冲控制决定。然后该脉冲光进入掺铒光纤放大器中进行放大，该掺铒光纤放大器的结构采用双向泵浦结构，既具有较高增益，又具有较低的噪声。放大后的光脉冲经滤波器滤出掺铒光纤放大器的噪声和光环行器后进入传感光纤中引发布里渊后向散射信号，该散射信号包括瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光与瑞利散射光的距离较远，约相差100nm，则普通的滤波器即可将拉曼散射光滤除，然后瑞利散射光和布里渊散射光先经过光耦合器分成两束光，其中在①路中，小部分的光进入低频的光电探测器中，再经过低通滤波器和放大器进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种完整有效的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，其特征包括：利用全新的种子光源分束法增强外差干涉信号的技术实现光纤单端输入非受激布里渊温度应变在线实时同步传感，其特征在于：窄带光源输出光分成两路，一路经过调制放大进入传感光纤，从传感光纤返回的布里渊光与另一路信号在外差检测装置中混合并干涉，干涉信号经过放大滤波最后经过采集卡采集数据在上位机进行数据处理，解耦出温度和应变；光电调制器采用反馈控制系统；利用扰偏器消除布里渊散射光偏振态的不稳定而引起的噪声；采用布里渊强度的归一化法消除光纤传输损耗的影响；利用小波去噪的方法提高信号的信噪比；从而提高了系统的整体性能。

【技术特征摘要】
1.一种完整有效的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，其特征包括：利用全新的种子光源分束法增强外差干涉信号的技术实现光纤单端输入非受激布里渊温度应变在线实时同步传感，其特征在于：窄带光源输出光分成两路，一路经过调制放大进入传感光纤，从传感光纤返回的布里渊光与另一路信号在外差检测装置中混合并干涉，干涉信号经过放大滤波最后经过采集卡采集数据在上位机进行数据处理，解耦出温度和应变；光电调制器采用反馈控制系统；利用扰偏器消除布里渊散射光偏振态的不稳定而引起的噪声；采用布里渊强度的归一化法消除光纤传输损耗的影响；利用小波去噪的方法提高信号的信噪比；从而提高了系统的整体性能。2.依据权利要求1所述的完整有效的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，其特征在于：通过对布里渊后向散射光的干涉信号进行电信号检测，可以获得传感光纤中应变的变化，通过电路测得布里渊散射光强度和频移的变化可以同时获得传感光纤温度和应变的变化。3.依据权利要求1所述的完整有效的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，其特征在于：种子光源为窄线宽光源。4.依据权利要求1所述的完整有效的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统,其特征在于：系统利用从光源中分出的一小...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪亮，常天英，李亚，杨瑞娟，
申请(专利权)人：珠海任驰光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44