[发明专利]基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法

说明书

本发明涉及一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法，系统包括宽带暗脉冲光源、弱光栅阵列、双芯光纤、光电转换单元、光纤延迟线、陷波滤光片、信息采集单元、计算机、双芯光纤耦合器。本发明利用脉宽可调谐暗脉冲光源的高功率稳定的背景光激发的高强度瑞利散射光进行分布式测量；同时，利用光源的暗脉冲和弱光栅阵列对全光纤范围内的瑞利散射进行空间分段定位，以提高传感系统的空间分辨率和测量精度，实现对温度和应变的同时精确测量和其在区间内的精确定位。本发明结构简单、响应速度快、空间分辨率高，能够同时实现温度和应变参量高精度的分布式光纤传感测量。

技术领域

本发明涉及多参量分布式测量系统，更具体地说，涉及一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统。

背景技术

随着科学技术的发展和物联网应用要求的提高，光纤传感网络正在向大容量和多参量测量方向发展，基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的分布式光纤传感网络为高电压、强磁场干扰、大电流、复杂几何空间、易燃、易爆等恶劣环境的空间上连续分布各点的温度、应变等物理参量的测量提供了可行的新手段。分布式光纤传感技术是伴随着光时域反射技术(OTDR)的产生而发展起来的，如利用光时域反射技术测量后向的瑞利散射信号的强度和偏振态来监测温度/应变；利用光时域反射技术测量后向的拉曼散射信号的强度来监测温度；利用光时域反射技术测量布里渊散射信号的强度和频移来监测温度/应变。

受限于技术原理，基于布里渊散射的分布式光纤传感器和基于拉曼散射的分布式光纤传感器响应速度与空间分辨率都较低，不适合许多应用场合对于事故快速响应的监测要求，复杂昂贵的系统也限制了两类分布式测量技术的工程化应用。基于瑞利散射的分布式光纤传感器响应速度快、灵敏度高,开始受到重视。然而，基于单模光纤瑞利散射的分布式光纤传感系统以微弱的背向瑞利散射信号为信息载体,系统的信噪比较低,测量精度与空间分辨率低，传感功能比较单一，难以实现对温度和应变的定量检测等，制约了基于瑞利散射的分布式光纤传感技术的发展。特别是由于光纤对温度与应变的交叉敏感，通过另外加一根只感温光纤的方式很难保证该光纤不受到应力的扰动，温度补偿光栅与测量光栅的位置偏差等都会造成测量精度难已保证，在工程应用中存在困难。目前还没有看到能够采用弱光纤光栅阵列对光纤沿线所有位置同时进行应变和温度连续分布式光纤传感检测的报道。若能同时对应变、温度等参量进行长距离快速分布式精确监测，则可大大减少监测成本，并提高监测的有效性和可靠性。因此，有必要寻求创新的传感机理与方法，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统及测量方法，可以实现温度、应变信号的高空间分辨率、高精度分布式测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于暗脉冲光源的双芯弱光栅阵列的多参量分布式测量系统，包括宽带暗脉冲光源、第一耦合器、第一环形器、双芯光纤耦合器、双芯光纤、第二环形器、第二耦合器、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管、信息采集单元和计算机；所述双芯光纤包括第一芯层和第二芯层，所述第一芯层和第二芯层上分别设有全同弱光栅阵列；

宽带暗脉冲光源输出的宽带光经过第一耦合器分为两束探测光及一束参考光，其中探测光分别为第一束探测光和第二束探测光；

所述参考光入射到第一光电二极管被转换为参考电信号，传输到信息采集单元的第一端口；

第一束探测光入射到第一环形器的第一端口，从其第二端口射出，进入双芯光纤耦合器的第一端口，并从第三端口耦合进双芯光纤的第一芯层中，通过弱光栅阵列以及瑞利散射效应所产生的第一反射光入射到双芯光纤耦合器的第三端口，并从双芯光纤耦合器的第一端口射出，入射到第一环形器的第二端口，从环形器的第三端口射出，紧接着入射到第二耦合器，被分为两束反射光，分别为第一光栅反射光和第一瑞利反射光；