[发明专利]温度和应变同时传感的光时域反射计

说明书

技术领域

本发明涉及光纤布里渊光时域反射计，特别是一种温度和应变同时传感的光时域反射计。

背景技术

布里渊光时域反射计是一种基于布里渊散射的新型分布式光纤传感技术，具有可测量多个物理参量(如温度、应变、线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，能够对沿光纤线路范围内的温度和应变变化进行远程监测。这种分布式光纤传感器在很多大型结构，如管道、近海石油平台、油井、堤坝、桥梁、隧道、电缆等方面得到了广泛的关注。布里渊散射光的频移与幅值都与温度和应变线性相关，但由于受到偏振衰落等因素的影响幅值稳定性不高，且布里渊散射光幅值对温度和应变的敏感特性低，不足以实现温度和应变的同时解耦及高精度解调。

1986年Tkach等人首先提出BOTDR技术，该技术提高了分布式光纤传感技术的感知距离。由于自发布里渊散射信号的强度非常微弱，且和入射光之间的频率差为11GHz，难以用探测器直接接收，所以一般采用相干外差检测的方法。自发布里渊散射信号十分微弱，导致相干外差检测得到的信号信噪比仍然比较低，不利于温度和应变的精确感知，虽然理论上可以通过自发布里渊散射光同时对温度和应变进行传感，但由于散射光信噪比、相干瑞利噪声等因素的影响导致传感精度非常低。在常用的BOTDR方案中，一般使用的是窄线宽的单频激光器，这样的激光注入到长距离的光纤中，容易产生受激布里渊散射，因此注入光功率不会很高，且产生的相干瑞利噪声较大，对信噪比有进一步的限制。

在对温度与应变同时解调的诸多方案中，有利用拉曼和布里渊并行检测的方案，但都是通过对拉曼和布里渊的光功率进行直接测量再进行Landau-Placzek比(LPR)求取，如此需要另外加入宽带光源以及测试装置，在传感系统结构变得复杂的同时也使得测试时间变长。

在文献一【Gabriele Bolognini，Marcelo A.Soto,and Fabrizio Di Pasquale，Fiber-Optic Distributed Sensor Based on Hybrid Raman and Brillouin Scattering Employing Multiwavelength Fabry–Pérot Lasers[J].IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，2009,21(20)：1523-1525】中提出通过同时检测自发拉曼和布里渊散射光从而对温度和应变分布进行同时解调，并在方案中使用多波长FP激光器以增强布里渊散射谱的信噪比。该方案在一定距离内得到了温度和应变分布信息，但由于拉曼散射本身的特性难以远距离感知。

在先技术【路元刚，李存磊，张旭苹，基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，专利申请号：201210040047.1】提出使用多波长激光光源注入光纤中产生的散射光与本地移频光拍频得到布里渊散射谱，进而得到温度或应变分布。该方案通过散射谱的多次叠加提高了布里渊散射谱的信噪比，但没有涉及到瑞利散射信号检测以及对相干瑞利噪声的进一步降低，也没有涉及利用LPR进行温度应变的分离和同时感知。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明提出温度和应变同时传感的光时域反射计，该光时域反射计可以实现分布式光纤传感系统对温度和应变的同时传感，提升了散射光信噪比，提高了传感精度和距离。

本发明的技术解决方案如下：

一种温度和应变同时传感的光时域反射计，其特点在于该装置包括多波长激光光源、第一耦合器、光脉冲调制模块、环形器、扰偏器、第二耦合器、双平衡探测器、数据采集与处理系统和传感光纤，所述的多波长激光光源发出的光经第一耦合器分为两束光：一束光经光脉冲调制模块调制成脉冲光后通过所述的环形器注入到所述的传感光纤中，从所述的传感光纤反射回来的背向散射光再经过环形器的3端口输出；另一束光经所述的扰偏器进行偏振扰动后输出，与经所述的环形器传输回来的散射光一起进入第二耦合器进行相干拍频，该拍频光信号由所述的双平衡探测器接收转换为电信号后传输到所述的数据采集与处理系统。

所述的多波长激光光源的频率间隔为9～12GHz。

所述的多波长光源的每个波长的线宽一致，且单波长的线宽为MHz量级以内。

该多波长激光也作为本地参考光与散射光信号进行相干拍频，得到较低频带的拍频频谱，无需进行宽带移频；

对多波长激光光源使用具有一定频移的脉冲调制器进行脉冲调制并注入待传感光纤，声光调制器的移频量决定探测器得到的瑞利散射谱的频移。