本发明专利技术提供的是一种基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置及方法。温度补偿装置包含信号光输入模块、光纤干涉仪、DTS信号处理模块、信号光输出模块，其特征是：通过使用波分复用器，将信号光与分布式温度传感的探测光复合成一束光进行传输，并利用波分复用器将从干涉仪干涉臂传回的背向拉曼散射光分离出来，实现对光纤干涉仪干涉臂温度的分布式测量，依此结合干涉臂光纤的热膨胀系数，计算出温度对光纤轴向长度变化的影响，通过在处理输出信号时去除此部分变化带来的影响进而实现温度补偿。该装置对比传统干涉仪温度补偿结构具有系统结构优化、应用成本降低、测量效率提高、测量精度高等优点，可以广泛应用于各种光纤干涉仪的温度补偿。
Temperature compensation device and method of optical fiber interferometer based on distributed temperature sensor
【技术实现步骤摘要】
基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置及方法
本专利技术涉及的是一种温度补偿装置，特别是一种基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置。本专利技术也涉及一种温度补偿方法。
技术介绍
光纤干涉仪是一种利用光纤来实现光的干涉的重要结构，其被大量应用于传感领域。自上世纪七十年代开始，伴随着光通信和光电技术的发展，光纤干涉仪传感技术在过去几十年间取得了巨大的进步。光纤传感器已在土木结构检测、电力系统、化学传感、医药、生物、石油天然气和航空航天等众多领域取得重要应用。相对于传统的传感技术来说，光纤干涉仪传感技术具有许多固有的优势，包含可在极端环境下工作、重量轻、体积小、灵敏度高、多参量等。光纤干涉仪与其他干涉仪一样，其干涉的实现主要包含分光和合束两个过程。在光纤中可以通过灵活设计使光在一处分开，然后以不同的方式在光纤中传播，最后在另一处合并，满足干涉条件则发生干涉现象。其主要可分为四大种类，即马赫-增德尔(Mach-Zehnder)干涉仪、迈克尔逊干(Michelson)涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Pérot)干涉仪和萨格纳克(Sagnac)干涉仪。光纤干涉仪在进行物理量测量时，通常会受到环境因素的影响，“温度”是最常见的一种。光纤干涉仪一条干涉臂上不均匀的温度分布、干涉臂之间的温度差异、环境温度的瞬时变化等等，都会对干涉结果造成很大的影响，如何消除这一问题是应用光纤干涉仪这一结构所不可避免的难题。2002年，美国的FrancoisGonthier等人专利技术了一种全光纤马赫-曾德尔干涉仪的无源热补偿方法(US10258913)，其主要内容是改变干涉仪光纤的构成组分，掺杂GeO2、P2O5、B2O5和F等物质。通过这种方法可以获得干涉仪在给定温度范围内所需的热依赖性，变向对干涉仪进行温度补偿。这种方法在没有增加额外的设备的情况下完成，但其制作起来较为复杂，在长距离应用时十分不便，同时也可能会因为干涉臂温度波动超出给定的范围而致使温度补偿失效。2003年，天津大学的陈才和专利技术了一种光电集成加速度地震检波器(CN03100433.4)，其中通过构造马赫-增德尔波导干涉仪来测量加速度及检测地震波，设计中针对干涉仪的温度补偿问题则使用了电子温度补偿电路来解决；2009年，昂纳信息技术(深圳)有限公司的陈彬等人专利技术了一种环境温度补偿的干涉仪和补偿方法(CN200910107132.3)，此专利技术通过在干涉仪干涉臂上附加温度补偿器(主要为加热器)，来补偿环境温度产生的漂移，从而使干涉仪的工作更加稳定。上述在处理光纤干涉仪干涉臂时，虽然解决了温度补偿的问题，但却都使用了电子电路来解决，这会导致系统结构趋向复杂化，使成本提高，同时也只能够进行小范围的局部补偿。2018年，东北大学的赵勇、雷铭等人专利技术了一种基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置(CN201810039338.6)，此专利技术通过利用级联Sagnac环的方式降低温度对干涉仪的影响，直至达到设计要求，实现温度补偿，但这种方式会增加额外的光纤光路，同时当进行大范围、高精度测试时将不再适用。传统的光纤干涉仪温度补偿，通常使用电子电路、紧凑光纤干涉仪结构、改变光纤材料等方案，其弊端在于只能被应用在有限空间范围内进行温度测量并实施补偿，无法监测长距离空间的光路的温度变化和分布；而若是进行多点的定位检测，则会导致装置结构复杂化，成本提高。本专利技术为解决上述难题提出了使用分布式温度传感技术进行温度补偿的方案，此方案不仅能够实现沿着光纤光路对每一部分进行温度监测，还能够在不添加其他仪器的情况下，仅仅使用一根光纤就完成测量，极大的简化了系统结构，降低了应用成本，提高了测量效率，保证了测量精度。自1982年第一个基于瑞利散射光的分布式温度传感系统出现以来，分布式温度传感技术便得到了迅速发展，其原理为利用在光纤中传播的某种特定光受温度调制的特性，在光纤的一端将此携温信号光解调，从而实现分布式测温的技术。在实现分布式光纤温感传感技术的方案中，受温度调制的信号可以分为散射光和传输光，而前者最为常用。分布式温度传感器技术利用的散射光主要分为三类：瑞利散射光、拉曼散射光和布里渊散射光。其中拉曼散射光具有只与温度有关、且灵敏度较高的特性，可以很容易的从中得到温度变化和分布的信息。据调查，分布式温度传感技术目前仍以直接测量温度信息为目的，未曾间接应用到光纤干涉仪的温度补偿方面上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种成本低、测量效率和测量精度高的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置。本专利技术的目的还在于提供一种利用本专利技术的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置的温度补偿方法。本专利技术的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置包括信号光输入模块1、干涉上光路2、干涉下光路3、DTS信号处理模块4、信号光输出模块5；其特征是：信号光输入模块1经由连接光纤分别连接到干涉上光路2和干涉下光路3；干涉上光路2经由连接光纤与DTS信号处理模块4相连；干涉下光路3经由连接光纤与DTS信号处理模块4相连；干涉上光路2和干涉下光路3分别经由连接光纤连接到信号光输出模块5，全光路采用保偏光纤和保偏器件。本专利技术的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置还可以包括：1.所述的干涉上光路2由第一波分复用器21、上连接光纤22、第二波分复用器23、上路干涉光纤臂24、第三波分复用器25依次连接组成；所述的干涉下光路3由第四波分复用器31、下连接光纤32、第五波分复用器33、下路干涉光纤臂34、第六波分复用器35依次连接组成；干涉上光路2和干涉下光路3的光路结构相同，除干涉光纤臂24、34长度外，其余组成元件及其器件参数均相同。2.所述的信号光输入模块1具体包括：激光光源11通过连接光纤a12与隔离器13相连、再通过连接光纤与第一1×2光纤耦合器15相连，第一1×2光纤耦合器15的两个输出端15a、15b通过连接光纤分别与干涉上光路32中的第一波分复用器5第一输入端21a和干涉下光路33中的第四波分复用器31第一输入端31a相连。3.所述的DTS信号处理模块4具体包括：DTS解调系统43通过连接光纤接收来自干涉上光路2中的第二波分复用器23从上路干涉光纤臂24中分离出来的背向拉曼散射光；通过连接光纤接收来自干涉下光路3中的第五波分复用器33从下路干涉光纤臂34中分离出来的背向拉曼散射光；DTS解调系统43通过线路42与脉冲光源41相连并控制脉冲光源41输出；脉冲光源41通过连接光纤分别与干涉上光路2中的第一波分复用器21第二输入端21b和干涉下光路3中的第四波分复用器31第二输入端31b相连。4.所述的信号光输出模块5具体包括：第二2×2光纤耦合器51的两个输入端51a、51b通过连接光纤分别与干涉上光路2中的第三波分复用器的第一输出端25a和干涉下光路3中的第六波分复用器35的第一输出端35a相连；第二2×2光纤耦合器51的两个输出端51c、51d通过连接光纤分别与第一光电探测器53和第二光电探测器54相连，第一、第二光电探测器53、5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置，包括信号光输入模块(1)、干涉上光路(2)、干涉下光路(3)、DTS信号处理模块(4)、信号光输出模块(5)；其特征是：信号光输入模块(1)经由连接光纤分别连接到干涉上光路(2)和干涉下光路(3)；干涉上光路(2)经由连接光纤与DTS信号处理模块(4)相连；干涉下光路(3)经由连接光纤与DTS信号处理模块(4)相连；干涉上光路(2)和干涉下光路(3)分别经由连接光纤连接到信号光输出模块(5)，全光路采用保偏光纤和保偏器件。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置，包括信号光输入模块(1)、干涉上光路(2)、干涉下光路(3)、DTS信号处理模块(4)、信号光输出模块(5)；其特征是：信号光输入模块(1)经由连接光纤分别连接到干涉上光路(2)和干涉下光路(3)；干涉上光路(2)经由连接光纤与DTS信号处理模块(4)相连；干涉下光路(3)经由连接光纤与DTS信号处理模块(4)相连；干涉上光路(2)和干涉下光路(3)分别经由连接光纤连接到信号光输出模块(5)，全光路采用保偏光纤和保偏器件。
2.根据权利要求1所述的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置，其特征是：所述的干涉上光路(2)由第一波分复用器(21)、上连接光纤(22)、第二波分复用器(23)、上路干涉光纤臂(24)、第三波分复用器(25)依次连接组成；所述的干涉下光路(3)由第四波分复用器(31)、下连接光纤(32)、第五波分复用器(33)、下路干涉光纤臂(34)、第六波分复用器(35)依次连接组成；干涉上光路(2)和干涉下光路(3)的光路结构相同，除干涉光纤臂(24、34)长度外，其余组成元件及其器件参数均相同。
3.根据权利要求1所述的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置，其特征是所述的信号光输入模块(1)具体包括：激光光源(11)通过连接光纤a(12)与隔离器(13)相连、再通过连接光纤与第一1×2光纤耦合器(15)相连，第一1×2光纤耦合器(15)的两个输出端(15a、15b)通过连接光纤分别与干涉上光路(32)中的第一波分复用器(5)第一输入端(21a)和干涉下光路(33)中的第四波分复用器(31)第一输入端(31a)相连。
4.根据权利要求1所述的基于分布式温度传感的光纤干涉仪温度补偿装置，其特征是所述的DTS信号处理模块(4)具体包括：DTS解调系统(43)通过连接光纤接收来自干涉上光路(2)中的第二波分复用器(23)从上路干涉光纤臂(24)中分离出来的背向拉曼散射光；通过连接光纤接收来自干涉下光路(3)中的第五波分复用器(33)从下路干涉光纤臂(34)中分离出来的背向拉曼散射光；DTS解调系统(43)通过线路(42)与脉冲光源(41)...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，安然，田帅飞，张毅博，杨木森，李晋，邹晨，苑勇贵，党凡阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23
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