用于正负号正确地确定物理参数的变化的方法和具有光学纤维的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于正负号正确地确定物理参数的变化的方法，所述方法包括：将第一脉冲序列耦入光学纤维(60)，所述光学纤维至少在一个部段中具有瑞利散射器，所述第一脉冲序列具有多个在所述光学纤维中分别至少基本上相干的、脉冲持续时间相同的光学脉冲，并且第一脉冲序列中的光学频率单调地变化。为了确定第一功率谱，对于第一脉冲序列的每个光学脉冲，测量由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率。将第二脉冲序列耦入所述光学纤维，所述第二脉冲序列至少基本上对应于第一脉冲序列、第一脉冲序列的一个排列方式、第一脉冲序列的一部分或第一脉冲序列的该部分的排列方式和/或在第二脉冲序列中光学频率严格单调地变化。为了确定第二功率谱，对于第二脉冲序列的每个光学脉冲，测量由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率。为了正负号正确地确定所述光学纤维的物理参数的变化，确定第二功率谱与第一功率谱之间的偏差。在各脉冲序列耦入时，使与所述光学纤维(60)耦合的连续波激光器(10)的电源电流和/或温度严格单调地变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于正负号正确地确定物理参数的变化的方法和具有光学纤维的装置
本专利技术涉及一种用于正负号正确地确定物理参数的变化的方法，特别是用于分布式和正负号正确地确定应变变化的纤维光学方法，以及一种具有光学纤维的相应装置。
技术介绍
分布式的纤维光学的传感器已经广泛地应用于不同的领域，用于建筑物监控、用于石油和天然气部门以及用于监控电网，直至土木技术或化学上的应用。玻璃纤维导线中非线性的散射现象、例如拉曼散射和布里渊散射，这些散射线性通常用于静态(远程)温度(拉曼)测量应用和应变/温度(布里渊)测量应用。可以通过干涉测量的瑞利反向散射原理即使对于高扫描率(动态测量)也实现高分辨率的应变测量。这些技术称为分布式振动传感(DVS，英文：DistributedVibrationSensing)，通常也称为分布式声学传感(DAS，英文：DistributedAcousticSensing)，通常基于相干光时域反射计(C-OTDR，应与：coherentopticaltimedomainreflectometry)，使用干涉光激励源，并在近几年来在科研以及在工业应用上实现了一些进步。对具有干涉脉冲的纤维的研究导致散射中心的回散射的瑞利功率受到干涉，所述中心位于向前传播的光学脉冲的宽度之内。所述纤维因此类似于分布式的多路干涉仪。为了实现稳定的纤维条件，C-OTDR回散射信号是恒定的。散射器间距的最小变化、例如通过局部应变或温度波动导致的，可以作为会散射的功率波动的函数来探测到。这种干涉测量式的的DVS技术的优点在于高应变灵敏度、高测量重复率和大距离范围(或：测量长度/传感器长度)。DVS技术目前位置在应用在石油和天然气工业中的高分辨率振动探测、安全性和视野计监控以及在地球物理的应用中得到广泛的使用。在地下建筑和在建筑物监控(结构监控检测，SHM)是一种较新的进展。在结构监控应用场合多数对测量重复率的要求较低，但通常要求测量正确的应变值以及应变变化的代数上的正负号。正负号正确的测量例如是对振动结构，如桥梁，例如钢筋混凝土桥梁进行分布式变形识别和模型分析的前提条件。正确的应变值包括正负号由已知的DVS技术不能或只能非常复杂地确定。多数基于瑞利散射的DVS原理采用单脉冲和单波长直接检测原则，这种原则仅允许进行振动探测。定量的应变测量在微分式的功率变化分析中由于纤维中随机的散射分布以及由此未知的应变传递函数而是不可能的。已经提出了较为复杂的零差相干探测法和外差相干探测法，由所述方法使得可以对应变变化进行一些定量的探测。其他相位解析的DVS技术(phase-OTDR或phi-OTDR)基于例如双脉冲原则。交叉相乘解调技术或相移脉冲也使得可以对应变变化进行定量测量。尽管相位解析技术通常比简单的直接探测原则更为复杂，并且需要具有窄线宽的激光器、附加的调制器、GHz频率源、附加的干涉仪以及需要进行稳定化、偏振管理、对称探测或高带宽探测，但这种技术通常不能确定应变变化希望的正负号。尽管基于布里渊散射的方法可以用于包括正负号信息的绝对应变测量。但这些方法对于很多应用场合不是备选方案，因为应变分辨率通长比在干涉仪DVS技术中低几个数量级。
技术实现思路
基于上面所述内容，本专利技术提出一种根据权利要求1的方法和根据权利要求25的装置。根据一个实施例，用于正负号正确地确定物理参数变化的方法包括：将第一脉冲序列耦入光学纤维，所述光学纤维至少在一个部段中具有瑞利散射器(Rayleighstreuer)，使得所述第一脉冲序列具有多个在所述光学纤维中分别至少基本上相干的、脉冲持续时间相同的光学脉冲，并且第一脉冲序列中的光学频率严格单调地变化。确定第一功率谱。确定第一功率谱包括，测量对于第一脉冲序列的每个光学脉冲由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率。将第二脉冲序列耦入所述光学纤维。所述第二脉冲序列至少基本上对应于第一脉冲序列、第一脉冲序列的一个排列方式、第一脉冲序列的一部分或第一脉冲序列的该部分的一个排列方式，和/或第二脉冲序列中的光学频率严格单调地变化。确定第二功率谱，包括测量对于第二脉冲序列的每个光学脉冲由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率。正负号正确地确定所述光学纤维的物理参数的变化。正负号正确地确定物理参数的变化包括，确定第二功率谱与第一功率谱之间的偏差。各脉冲序列的耦入包括，使与所述光学纤维耦合的连续波激光器的电源电流和/或温度单调地变化，就是说单调降低或单调升高，通常是严格单调的变化，就是说严格单调减小或严格单调的升高。耦入相干的脉冲序列通常包括，产生脉冲序列和将脉冲序列导入光学纤维中。由于连线波激光器的光学频率/波长与电源电流(也称为泵电流和注入电流)以及连续波激光器的温度相关，既可以通过改变电源电流也可以通过改变温度来改变连续波激光器的波长。由于改变电源电流允许连续波激光器的波长快速变化，通常为了产生/耦入第一和第二脉冲序列仅改变电源电流。这里可以设定，使温度稳定。通常，连续波激光器的光学频率通过电源电流(在产生/耦入脉冲序列时)改变至少200MHz、或者甚至500MHz，更为常见地改变至少1GHz，并且甚至更为常见地改变至少2GHz或者甚至至少5GHz。为了简单起见，在下面的说明中，主要参照电源电流的变化来说明以变化的(平均)光学频率/波长产生脉冲序列的脉冲。通常相应的脉冲由连续波激光器的激光束信号中产生，特别是通过与光学纤维耦合的、用于激光束信号的调制器来产生。通常与电源电流相关联地进行调制的调制器例如可以是光电或声光的调制器(或者是作为开关的光学半导体放大器)。如当前使用的表述“至少基本上相干的光学脉冲”应描述具有相干长度的光学脉冲，所述相干长度至少以系数2、通常至少以系数5、甚至更为常见地以系数10大于脉冲宽度(脉冲持续时间×纤维中的光速)，就是说，脉冲的脉冲在光学纤维中沿光学纤维的轴线方向的延伸尺寸。相应地，激光束信号通常是足够窄带的(基本上单色的)。具体而言，激光束信号的相干长度(也称为长度相干性)通常至少为1m，至少为10m或者甚至至少为50m。通常脉冲的脉冲持续时间最高为100ns或者甚至最高为50ns，更为常见地最高为20ns、10ns或甚至最高为5ns。因此，脉冲的相干长度通常仅略小于在电源电流恒定时激光束信号的相干长度。光学脉冲的相干长度通常为至少1m、更为常见地至少为10m或者甚至为至少50m。连续波激光器通常是二极管激光器或激光二极管，例如IR激光二极管(波长在780nm至1mm的范围内)或在光的可见谱范围(从约380nm至780nm)内的激光二极管。激光二极管的突出之处主要在于，小的制造成本、高效率、简单的供电、激光小的带宽以及良好的角度相干性(可聚焦性)，以及良好的长度相干性。由此，可以通过激光二极管能特别简单、经济并且良好地通过电流控制地产生基本上相干的脉冲的脉冲序列。结果是，可以提供一种具有直接电流调制的连续波激光器的特别简单和经济的结构，用于对光学纤维进行波长扫描(和接下来的分析评估)。所述光学纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于正负号正确地确定物理参数(Δε,ΔT)的变化的方法(1000)，所述方法包括：/n将第一脉冲序列耦入光学纤维(60)，所述光学纤维至少在一个部段中具有瑞利散射器，所述第一脉冲序列具有多个(m+1)在所述光学纤维(60)中分别至少基本上相干的、脉冲持续时间(τ

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180314 DE 102018105905.11.用于正负号正确地确定物理参数(Δε,ΔT)的变化的方法(1000)，所述方法包括：
将第一脉冲序列耦入光学纤维(60)，所述光学纤维至少在一个部段中具有瑞利散射器，所述第一脉冲序列具有多个(m+1)在所述光学纤维(60)中分别至少基本上相干的、脉冲持续时间(τd)相同的光学脉冲(Πp)，并且第一脉冲序列中的光学频率(νp＝ν0+Δνp)严格单调地变化；
确定第一功率谱(I(tref,tz,Δνp))，所述确定第一功率谱包括，对于第一脉冲序列的每个光学脉冲(Πp)，测量由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率(I(tref,tz))；
将第二脉冲序列耦入所述光学纤维(60)，所述第二脉冲序列至少基本上对应于第一脉冲序列、第一脉冲序列的一种排列方式、第一脉冲序列的一部分或第一脉冲序列的该部分的一种排列方式，和/或在第二脉冲序列中光学频率(νp)严格单调地变化；
确定第二功率谱(I(ts,tz,Δνp))，所述确定第二功率谱包括，对于第二脉冲序列的每个光学脉冲(Πp)，测量由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率(I(ts,tz))；以及
正负号正确地确定所述光学纤维(60)的物理参数(Δε,ΔT)的变化，包括确定第二功率谱与第一功率谱之间的偏差(Δνm)；
其中，耦入各脉冲序列包括，单调地降低或提高与所述光学纤维(60)耦合的连续波激光器(10)的电源电流(i)和/或温度。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，连续波激光器(10)是激光二极管，所述连续波激光器(10)通过与电源电流(i)关联地进行调制的调制器(50)与所述光学纤维(60)耦合，和/或电源电流(i)在耦入各脉冲序列期间线性地减小或升高。


3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括，确定校准曲线，包括：改变连续波激光器(10)的电源电流(i)和作为电源电流(i)的函数确定连续波激光器(10)的光学频率(v)和/或光学频率变化(Δν)。


4.根据权利要求3所述的方法，还包括：使用所述校准曲线，以用于确定在耦入时电源电流(i)的时间曲线，使得耦入的相应脉冲序列的光学频率(νp)线性地随着脉冲序列的序号(p＝0,1,2...m)变化，和/或使得耦入的各脉冲序列的前后相继的脉冲(Πp)之间的光学频率变化(Δνp)恒定。


5.根据权利要求3所述的方法，还包括：使用所述校准曲线，以用于修正第一功率谱(I(tref,tz,Δνp))和第二功率谱(I(ts,tz,Δνp))。


6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，多次重复以下步骤：
向所述光学纤维(60)中耦入第二脉冲序列；
确定第二功率普(I(ts,tz,Δνp))，所述确定第二功率普包括，对于第二脉冲序列的每个光学脉冲(Πp)，测量由瑞利散射器反向散射的信号部分的相应功率(I(ts,tz))；以及
正负号正确地确定所述光学纤维(60)的物理参数(Δε,ΔT)的变化。


7.根据上述权利要求之一所述的方法，还包括，至少部分地将所述光学纤维(60)埋入要检查的物体中、特别是建筑物中，和/或将所述光学纤维(60)固定在要检查的物体上。


8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述第二脉冲序列至少基本上对应于相反的第一脉冲序列，各脉冲序列具有多于两个脉冲(Πp)、至少10个脉冲(Πp)、通常甚至至少50个脉冲(Πp)，脉冲持续时间(τd)最高为100ns或者甚至最高为50ns，相应脉冲序列的时长最高为250ms、通常最高为50ms、最高为1ms、或者甚至最高为0.1ms，所述确定第二功率谱(I(ts,tz,Δνp))达到每毫秒进行至少一次，和/或所述正负号正确地确定物理参数(Δε,ΔT)的变化达到每毫秒进行至少一次。


9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，第一脉冲序列是双脉冲的序列，相应双脉冲的各脉冲之间的脉冲间隔小于先后相继的双脉冲之间的脉冲间隔，双脉冲的各脉冲之间的脉冲间隔选择成，使得双脉冲的各脉冲能够相互干涉，和/或第一脉冲序列中的脉冲间隔(τp)选择成，使得在任意时刻都最高有两个脉冲传播穿过光学纤维(60)。


10.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，第一脉冲序列中的脉冲间隔(τp)选择成，使得在任意时刻最多有一个所述脉冲(Πp)传播穿过所述光学纤维(60)，和/或只有当在先脉冲(Πp)的由瑞利散射器反向散射的信号部分衰减或耦出时，新的脉冲才耦入光学纤维(60)。


11.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述正负号正确的确定包括，计算所述物理参数(Δε,ΔT)的幅值的变化。


12.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述物理参数是应变或温度。


13.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述物理参数是与应变和/或与温度相关的量。


14.根据权利要求13所述的方法，所述物理参数是湿度或曲率。


15.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述正负号正确地确定物理参数的变化包括：沿频率轴(Δνp)对第一功率谱(I(tref,tz,Δνp))和第二功率谱(I(ts,tz,Δνp))进行相关分析，和/或沿时间轴(t)对第一功率谱(I(tref,tz,Δνp))和第二功率谱(I(ts,tz,Δνp))进行相关分析。


16.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述确定偏差(Δνm)包括，计算移为了一个频移(Δνq)的第一功率谱(I(tref,tz,Δνp+q))与第二功率谱(I...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·里尔，
申请(专利权)人：由联邦材料研究和检测机构主席所代表的经济与能源部长所代表的德意志联邦共和国，
类型：发明
国别省市：德国;DE