用于空间分辨地测量温度和/或应变的设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于借助于布里渊散射空间分辨地测量温度和/或应变的设备，该设备包括至少一个激光光源，其能够产生激光束；用于测量的光导纤维，所述激光束能够耦入到该光导纤维中并且基于布里渊散射所产生的布里渊信号能够从所述光导纤维中耦出；传感器件，其能够检测所耦出的布里渊信号；分析处理器件，其能够由所检测的布里渊信号空间分辨地确定至少所述光导纤维的区段的温度和/或应变；至少一个光学偏振分束器，其能够将所耦出的布里渊信号分成具有彼此不同的偏振的两个分量；至少一个光学耦合器，其能够将激光束混入到布里渊信号。本发明专利技术还涉及一种用于借助于布里渊散射空间分辨地测量温度和/或应变的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于借助于布里渊散射空间分辨地()测量温度和/或延展(Dehnung)的一种设备和一种方法。
技术介绍
光导纤维中的布里渊散射可以用于沿着光导纤维分散地或空间分辨地测量温度和延展，因为布里渊散射的频率和振幅是温度和延展的测量参数的函数(参见：Galindez-Jamioy&López-Higuera,2012,BrillouinDistributedFiberSensors:AnOverviewandApplications.2012,17)。经常仅测量布里渊频率，该布里渊频率可以非常灵敏地(例如在石英玻璃中大约1MHz/℃或者0.05MHz/με)与测量参数相关并且可以非常精确地确定。然而，此时存在将两个测量参数的影响分开的问题。两个测量参数的分开在一些情况下可以通过在不同地安装的光导纤维、例如具有不受束缚的纤维的缆束或者具有固定纤维的固定缆线中的比较测量进行(为此参见：Inaudi&Glisic,2006,Reliabilityandfieldtestingofdistributedstrainandtemperaturesensors,6167,61671D-61671D-8)。备选地，布里渊频率的测量也可以在具有多个布里渊峰值的纤维中(为此参见Liu&Bao,2012,BrillouinSpectruminLEAFandSimultaneousTemperatureandStrainMeasurement.J.LightwaveTechnol.,30(8),1053-1059)或者在具有少数不同的空间样式的低模纤维(Oligomodefaser)中(为此参见Weng,Ip,Pan,&Wang,2015,Single-endsimultaneoustemperatureandstrainsensingtechniquesbasedonBrillouinopticaltimedomainreflectometryinfew-modefibers,Opt.Express,23(7),9024-9039)利用频率与温度和延展的不同的相关性用于分开测量参数。但是，全部所述方法不能普遍使用，因为不是总能使用合适的光导纤维。此外，多个光导纤维或特定纤维的敷设和测量与增大的耗费相关联。用于分开两个测量参数的另一种方法是测量一个或多个布里渊峰值的频率和振幅(为此参见：Parker,Farhadiroushan,Handerek,&Rogers,1997,TemperatureandstraindependenceofthepowerlevelandfrequencyofspontaneousBrillouinscatteringinopticalfibers,Opt.Lett.,22(11),787-789sowieMaughan,Kee,&Newson,2001,SimultaneousdistributedfibretemperatureandstrainsensorusingmicrowavecoherentdetectionofspontaneousBrillouinbackscatter,MeasurementScienceandTechnology,12(7),834)。由此，获得两个独立的测量参数，原则上可以由这两个测量参数确定两个需要的物理参数。然而，振幅与温度和延展的相关性是微小的并且例如处于大约0.3％/℃。因此，必须非常精确地测量振幅，以便实现大约0.1℃的实际上重要的温度分辨率与温度精度。用于改善精度的已知方法是对来自相同纤维的布里渊振幅与瑞利散射的振幅的比较(为此参见：Wait&Newson,1996,LandauPlaczekratioappliedtodistributedfibresensing,OpticsCommunications,122,141-146)。通过计算布里渊振幅与瑞利振幅的比例(称为朗道比(Landau-Placzek-))，可以计算出纤维阻尼的影响。通常不进行利用光学滤波器和光电二极管对布里渊信号的简单测量，因为为此必需的非常窄带的光学滤波器很难制造并且在热学上不是特别稳定的。此外，布里渊散射的备选测量可以利用光学的超外差式接收机测量较低的信号强度(为此参见：Maughan,Kee,&Newson,2001)。在此，布里渊散射信号与具有与激励布里渊散射的激光器相同的频率或者具有延迟几千兆赫的频率(局部振荡器LO)的激光叠加。然后，光接收器在相应于在布里渊频率和激光器频率或者说LO频率之间的差值的频率时探测叠加信号。如果利用所激励的激光器混合，则用于石英玻璃的差频处于大约10GHz。通常该千兆赫信号利用电子的局部振荡器混合，以便获得低于1GHz的能更好地测量的差频(Shimizu,Horiguchi,Koyamada,&Kurashima,1994,Coherentself-heterodyneBrillouinOTDRformeasurementofBrillouinfrequencyshiftdistributioninopticalfibers,LightwaveTechnology,Journalof,12(5),730-736)。然而，除了纤维阻尼之外还存在所测量的信号的偏振相关性的问题。该问题妨碍两个参数、频率和振幅的测量的精度。在布里渊信号利用光学的局部振荡器叠加时，仅将与局部振荡器的偏振一致的信号份额混合到差频。由此，具有用于测量的其他偏振的信号丢失。此外，布里渊信号的偏振在传播时通过光导纤维由于在光导纤维中的应力感应的双折射而变化。这意味着，布里渊信号的所测量的偏振分量的振幅根据距离强烈地变化。因此，通过该偏振相关性使精确的振幅确定明显变得困难并且也妨碍频率确定的精度。迄今为止已经尝试由通过利用激励的激光器或局部振荡器的不同偏振的测量取平均值来补偿所述效果(为此参见：Fan,Huang,&Li,2009,Brillouin-baseddistributedtemperatureandstrainsensorusingtheLandau-PlaczekRatio,7381,738105-738105-9sowieSong,Zhao,&Zhang,2005,OpticalcoherentdetectionBrillouindistributedopticalfibersensorbasedonorthogonalpolarizationdiversityreception,Chin.Opt.Lett.,3(5),271-274)。然而，非常大量的取平均值对于一些精确的测量来说是必需的并且信号损耗的问题不能由此解决。
技术实现思路
基于本专利技术的问题是，提供一种文首提及类型的设备并且给出一种文首提及类型的方法，利用所述设备和所述方法可以更简单地和/或更精确地确定温度和延展。按照本专利技术，这通过具有权利要求1所述特征的设备以及通过具有权利要求11所述特征的方法得以实现。从属权利要求涉及本专利技术的优选实施方案。按照权利要求1规定：所述设备包本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于借助于布里渊散射空间分辨地测量温度和/或延展的设备，该设备包括：‑至少一个激光光源(1)，所述激光光源能够产生激光束；‑用于测量的光导纤维(5)，所述激光束能够耦入到该光导纤维中并且能够由基于布里渊散射所产生的布里渊信号耦出；‑传感器件，所述传感器件能够检测所耦出的布里渊信号；‑分析处理器件，所述分析处理器件能够由所检测的布里渊信号空间分辨地确定至少所述光导纤维(5)的区段的温度和/或延展；‑至少一个光学偏振分束器(10、11)，所述偏振分束器能够将所耦出的布里渊信号分成具有彼此不同的偏振的两个分量(12、13)；‑至少一个光学耦合器(16、17)，所述耦合器能够将激光束混入到布里渊信号。

【技术特征摘要】
2015.09.02 DE 102015114670.31.用于借助于布里渊散射空间分辨地测量温度和/或延展的设备，该设备包括：-至少一个激光光源(1)，所述激光光源能够产生激光束；-用于测量的光导纤维(5)，所述激光束能够耦入到该光导纤维中并且能够由基于布里渊散射所产生的布里渊信号耦出；-传感器件，所述传感器件能够检测所耦出的布里渊信号；-分析处理器件，所述分析处理器件能够由所检测的布里渊信号空间分辨地确定至少所述光导纤维(5)的区段的温度和/或延展；-至少一个光学偏振分束器(10、11)，所述偏振分束器能够将所耦出的布里渊信号分成具有彼此不同的偏振的两个分量(12、13)；-至少一个光学耦合器(16、17)，所述耦合器能够将激光束混入到布里渊信号。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器件能够彼此分开地检测所述两个分量(12、13)。3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括两个光学耦合器(16、17)，这两个光学耦合器能够将激光束混入到布里渊信号的由所述至少一个光学偏振分束器(10、11)分开的所述两个分量(12、13)中的每个分量。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备具有分束器(2)，该分束器能够由用于激励布里渊散射的激光光源(1)的激光束在耦入到用于测量的光导纤维中之前分出一部分(4)，其中，激光束的该部分(4)能够混入到布里渊信号。5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括第二激光光源(27)，该第二激光光源能够产生激光束，该激光束能够混入到布里渊信号。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第二激光光源(27)具有与所述第一激光光源(1)不同的频率、特别是相差大约10GHz的频率。7.根据权利要求6所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·希尔，A·拉特，B·马克斯，
申请(专利权)人：LIOS技术有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE