分布式光纤传感系统及利用其的检测方法技术方案

一种分布式光纤传感系统及利用其的检测方法。所述光纤传感系统包括：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，以获得传感光纤中温度和应变的变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分布式光纤传感系统，尤其涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感系统及利用其检测温度和应变的方法。
技术介绍
分布式光纤温度应变传感系统(DTSS)是一种较新颖的分布式传感技术，有广泛的应用前景。相比于其他的传统的传感系统，DTSS属于分布式检测系统，其具有灵敏度高、抗电磁干扰及能够同时测量温度和应变等优点。 光在光纤中传输，主要有三种散射光瑞利、布里渊和拉曼，其中布里渊和拉曼都有斯托克斯和反斯托克斯两种成分光。根据定义，频率下移的成分是斯托克斯光，频率上升的成分是反斯托克斯光。瑞利散射是一种没有传播密度波动的散射光，属于弹性散射，所以没有频移。布里渊散射是基于光学声子的一种散射光而拉曼散射是基于光学光子的一种散射光，二者均是非弹性散射。目前这些散射现象已经被深入研究并且被广泛应用，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，所以目前仍然是研究热点。该传感器具有较高的分辨率，可同时测量温度和应变两大物理量。 现有技术中的布里渊散射分布式光纤传感器包括自发布里渊散射分布式光纤传感器和受激布里渊散射分布式光纤传感器。 典型的自发布里渊散射分布式光纤传感器如图1所示，包括光源101，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103，第一束光在光纤103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104中混合并干涉，并由该检测装置104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。 在该传感器中，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，还需考虑干涉光偏振状态一致性的问题，而且，其中还存在脉冲光脉宽和空间分辨率相互矛盾的问题，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。 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空间分辨率的矛盾。但是该系统结构复杂而且安装不方便，使得制造成本加大。 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。
技术实现思路
针对现有技术中的上述问题专利技术了本专利技术，本专利技术旨在解决现有技术中空间分辨率低的问题、安装复杂制造成本高的问题、以及温度和应变解耦成本高且不适用的问题。 本专利技术的一方面涉及一种分布式光纤传感系统，包括光源单元，其发出适于检测和处理的光，所述光中包括探测光；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，获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过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，以获得传感光纤中温度和应变的变化。 本专利技术的另一方面涉及一种利用上述分布式光纤传感系统检测温度和应变的方法，包括以下步骤将所述光纤传感系统放入待检测的环境中；使所述光源单元发出适于检测和处理的光，其中包括探测光，所述光经所述光行器进入传感光纤，同时，由进入所述传感光纤的光引起的后向散射光进入所述检测单元；在所述检测单元中获得探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过外差干涉形成的干涉光，然后将所述干涉光转换为电信号并对其进行检测；以及根据对所述电信号的检测，计算所述布里渊一个成分的散射光的强度变化和频移，从而计算出传感光纤中温度和应变的变化。 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激发布里渊散射，这样不仅简化了系统而且安装方便；该系统创造性地提出一种不需要额外参考光的外差干涉方法来检测布里渊频移，不需要考虑干涉光偏振状态一致性的问题，而且使得系统简单化；该系统使用一端入射的两种光，或脉冲光与脉冲光，或脉冲光与连续光，来激发布里渊散射，这样加强了反斯托克斯成分，若其足够强，则相对而言斯托克斯成分较弱，可以被忽略，既可以解决输入光脉冲宽度和空间分辨率的矛盾，还可以避免使用高精度的滤光器，而且也加强了信号；该系统采用电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。 附图说明 本专利技术的上述以及其他特征和优点将通过下面的参考附图的描述而更加显而易见，在所述附图中 图1示出了现有技术中自发布里渊散射分布式光纤传感器的结构示意图； 图2示出了现有技术中受激布里渊散射分布式光纤传感器的结构示意图； 图3示出了根据本专利技术的布里渊散射分布式光纤传感系统的结构的示意图； 图4示出了根据本专利技术的布里渊散射分布式光纤传感系统的一个示例结构的示意图； 图5是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的检测单元的一个实施例的示意图； 图6是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的检测单元的另一个实施例的示意图； 图7是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的第一实施例的结构图； 图8是基于自发布里渊散射的后向光谱图； 图9是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的第二实施例的结构图； 图10是第二实施例中的激光器和光电调制器的控制时序图； 图11是分别基于自发布里渊散射和受激布里渊散射的后向散射光谱的对比图； 图12是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的第三实施例的结构图； 图13是第三实施例中的激光驱动电流； 图14是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的第四实施例的结构图； 图15是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的第五实施例的结构图； 图16是根据本专利技术的分布式光纤传感系统的第六实施例的结构图；以及 图17是所述第六实施例中的调制后的光脉冲图。 具体实施例方式 下面将具体描述本专利技术的内容。应当理解，这里的描述只是说明性的，而不是限制性的，本专利技术还包括本领域技术人员根据本专利技术而可以想到的其它修改、替换、组合等。 首先，介绍一下DTSS的原理。 布里渊散射光是泵浦入射光和光学声子相互作用的结果。泵浦入射光吸收或释放声子使得散射光频移，其中，泵浦光通过吸收声子转换成频率较高的反斯托克斯光，通过释放声子获得频率较低的斯托克斯光。该散射光频移的大小决定于声波速度。由于光纤所受温度和应变均影响光纤中声波速度，因此测量布里渊频移的大小即可得到温度或应变。简单来说，布里渊频移关系式是 vB＝2nvA/λ， 其中n是光纤有效折射率，λ是入射光中心波长，(E，k，ρ分别为杨氏模量，泊松比以及介质密度)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式光纤传感系统，包括：　光源单元，其发出适于检测和处理的光，所述光中包括探测光；　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，获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过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，以获得传感光纤中温度和应变的变化。

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤传感系统，包括光源单元，其发出适于检测和处理的光，所述光中包括探测光；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，获得所述探测光的瑞利散射光和布里渊的一个成分的散射光通过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，以获得传感光纤中温度和应变的变化。2.根据权利要求1的分布式光纤传感系统，其中还包括控制和计算单元，其与所述检测单元连接，以根据所述检测单元的检测，计算所述传感光纤中的温度和应变的变化，并且，所述控制和计算单元还与所述光源单元连接，以控制所述光源单元的发光。3.根据权利要求1或2的分布式光纤传感系统，其中所述检测单元包括第一低通路径，用于测量所述电信号的直流分量；第二高通路径，用于测量所述电信号的交流分量的振幅；以及第三高通路径，用于测量所述电信号的交流分量的频移。4.根据权利要求1或2的分布式光纤传感系统，其中所述光源单元输出作为探测光的脉冲光，所述脉冲光的周期基于光纤的长度设置，所述脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置，并且所述检测单元还包括第一滤光器，用于滤除布里渊散射光中的斯托克斯光或反斯托克斯光。5.根据权利要求1的分布式光纤传感系统，其中所述光源单元交替输出不同波长的宽脉宽的作为激发光的第一脉冲光和窄脉宽的作为探测光的第二脉冲光，所述第一和第二脉冲光的周期基于光纤的长度设置，所述第二脉冲光的脉宽基于空间分辨率设置，以及其中，所述检测单元还包括第二滤光器，用于滤除所述第一脉冲光的后向散射光。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪亮，常天英，李亚，T科什契察，隋清美，贾磊，
申请(专利权)人：派克森公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]