[发明专利]基于布里渊和拉曼散射的长距离多参量测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于布里渊和拉曼散射的长距离多参量测量装置，包括半导体激光器1、第一1×2光纤耦合器2、光纤偏振控制器3、高速电光调制器4、微波信号源5、第二1×2光纤耦合器6、光扰偏器7、光开关8、第三1×2光纤耦合器9、带通滤波器10、第一掺铒光纤放大器11、第一光环形器12、第一光纤光栅13、传感光纤14、半导体光放大器15、第二掺铒光纤放大器16、第二光环形器17、第二光纤光栅18、第三光环形器19、波分复用器20、第一雪崩光电二极管21、光电探测器22、第二雪崩光电二极管23、第一信号放大器24、第二信号放大器25、数据采集与处理系统26。本发明有效解决了现有分布式光纤传感系统多个被测参量之间的交叉敏感以及长距离、高精度测量无法兼顾的问题。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于布里渊和拉曼散射的长距离多参量测量装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感因其抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀性好，可以实现传感光纤沿线多个参量的连续测量等优点，在石油化工、航天航空、桥梁隧道、大型基础建筑结构健康监测等各大领域的应用中显示出其独特的应用前景。

基于光散射效应的分布式光纤传感是通过探测入射光脉冲在光纤内传输时产生的后向散射光（拉曼散射或布里渊散射）来获得光纤各位置处的温度和应变等信息。布里渊光时域系统分为布里渊光时域反射技术（BOTDR，Brillouin Optical Time DomainReflectometry）和布里渊光时域分析技术（BOTDA，Brillouin Optical Time DomainAnalysis），前者BOTDR技术基于光纤的自发布里渊散射效应，后者BOTDA技术基于光纤的受激布里渊散射效应。相对于BOTDR技术，BOTDA技术具有更长的传感距离。由于布里渊散射光同时对温度和应变敏感，因此可以进行双参量的测量，但又由于同时敏感，也导致了交叉敏感问题。分布式光纤拉曼时域测温系统（ROTDR，Raman optical time domainreflectometer）是利用光纤中的自发拉曼散射效应，结合光时域反射技术实现的可用于分布式、连续式、实时测量空间温度场分布的一种传感系统。拉曼散射光强度主要受温度影响，故不存在交叉敏感问题，可进行温度测量。因此在传统的布里渊散射和拉曼散射分布式光纤传感系统中虽然都可以测量光纤沿线参量的变化，但是无法实现多参量同时测量，因此多参量测量成为该领域的研究热点。

脉冲光和连续光在光纤中传播都会有能量损耗，此时则需要一定程度的能量补偿才能够提升传感距离，例如分布式拉曼放大（DRA）、分布式布里渊放大（DBA）。DRA传感系统的增益带宽很宽，但增益系数小，所需泵浦功率高（W级）、效率低，易烧坏光纤连接头，而DBA传感系统增益系数大，所需泵浦功率低（mW级），效率高。例如，西班牙纳瓦拉公立大学的Alayn Loayssa等人利用DBA光信号对泵浦光进行补偿放大，实现了对于50 km的传感光纤在其尾纤处将泵浦光功率放大9.2 dB，信噪比最大提高12.5 dB（OPTICS EXPRESS, 2015,Vol. 23, No. 23, 30448-30458），但在此系统中一个独立于布里渊脉冲和连续光的激光源用作DBA泵浦，并对其进行三角波调制扫频，装置复杂，测量时间较长，而在本发明中将传统BOTDA系统探测路中滤除的高频边带有效利用，与反向泵浦光在传感光纤中发生受激布里渊作用，从而对泵浦光进行同步在线放大。避免了额外的复杂调制，降低了系统的成本装置，结构更简洁，测量时间较短。

目前，长距离传感过程中测量距离和空间分辨率的矛盾大大制约着长距离分布式传感的发展和应用。由于在传统BOTDA系统中空间分辨率受限于脉冲宽度（脉冲宽度受限于声子寿命）故难于突破1m，在采用差分脉冲对做传感脉冲系统中空间分辨率由脉宽差和上升下降沿时间决定，相比于传统BOTDA，该方法可以有效提升空间分辨率。例如，加拿大渥太华大学的鲍晓毅等人利用差分脉冲对，实现了1km传感光纤上0.18m空间分辨率（50/49ns）和0.15m空间分辨率（20/19ns）（OPTICS EXPRESS, 2008, Vol. 16, No. 26, 21616-21625），但由于光在光纤中传播存在能量损耗所以该系统在实现长距离分布式传感上没有突破。