[发明专利]基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法

摘要

一种基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法，包括如下步骤：（1）、搭建分布式光纤温度及应变传感系统；分布式光纤温度及应变传感系统包括拉曼信号采集仪、第一高精度恒温槽（9）、第二高精度恒温槽（10）、待测光纤（11）、第一温度传感器（12）、第二温度传感器（13）；所述拉曼信号采集仪包括脉冲激光器（1）、WDM（2）、第一APD（3）、第二APD（4）、第一LNA（5）、第二LNA（6）、数据采集卡（7）、计算机（8）。本发明设计合理，融合光纤拉曼散射和光时域反射原理的光路、电路和信号采集与处理技术，形成一种新型的基于拉曼散射的温度、应变分布式光纤传感检测方法。

主权项

1.一种基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、搭建分布式光纤温度及应变传感系统；分布式光纤温度及应变传感系统包括拉曼信号采集仪、第一高精度恒温槽(9)、第二高精度恒温槽(10)、待测光纤(11)、第一温度传感器(12)、第二温度传感器(13)；所述拉曼信号采集仪包括脉冲激光器(1)、WDM(2)、第一APD(3)、第二APD(4)、第一LNA(5)、第二LNA(6)、数据采集卡(7)、计算机(8)；其中，脉冲激光器(1)的输出端与WDM(2)的输入端连接；WDM(2)的两个输出端分别与第一APD(3)的输入端和第二APD(4)的输入端连接；第一APD(3)的输出端与第一LNA(5)的输入端连接；第二APD(4)的输出端与第二LNA(6)的输入端连接；第一LNA(5)的输出端和第二LNA(6)的输出端均与数据采集卡(7)的输入端连接；数据采集卡(7)的输出端与计算机(8)的输入端连接；计算机(8)与脉冲激光器(1)双向连接；待测光纤(11)的前端与WDM(2)的公共端连接；待测光纤(11)的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环；第一参考光纤环放置于第一高精度恒温槽(9)中；第二参考光纤环放置于第二高精度恒温槽(10)中；第一温度传感器(12)安装于第一高精度恒温槽(9)上；第二温度传感器(13)安装于第二高精度恒温槽(10)上；第一温度传感器(12)和第二温度传感器(13)均与计算机(8)双向连接；脉冲激光器的波长为1550.1nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm；第一APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；第二APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm；第一LNA的带宽为100MHz；第二LNA的带宽为100MHz；数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz；待测光纤为普通多模光纤；(2)、将第一高精度恒温槽(9)的温度值设置为T₁，将第二高精度恒温槽(10)的温度值设置为T₂；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器(1)发出的激光脉冲经WDM(2)入射到待测光纤(11)；激光脉冲在待测光纤(11)中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤(11)的各个位置均产生背向传输的Stokes光和anti‑Stokes光；Stokes光依次经WDM(2)、第一APD(3)、第一LNA(5)入射到数据采集卡(7)，数据采集卡(7)对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线；anti‑Stokes光依次经WDM(2)、第二APD(4)、第二LNA(6)入射到数据采集卡(7)，数据采集卡(7)对anti‑Stokes光进行模数转换，由此得到anti‑Stokes光的光强曲线；(3)、拉曼信号采集仪根据采集得到Stokes光的光强数据和anti‑Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据；具体温度解调公式如下式(1)：公式中：T表示待测光纤(11)的某一待测位置的温度值；φ_s表示该待测位置产生的Stokes光的光强值；φ_a表示该待测位置产生的anti‑Stokes光的光强值；L表示该待测位置与待测光纤(11)的前端之间的距离；φ_s1表示第一参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φ_a1表示第一参考光纤环的位置产生的anti‑Stokes光的光强值；φ_s2表示第二参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φ_a2表示第二参考光纤环的位置产生的anti‑Stokes光的光强值；L₁表示第一参考光纤环的位置与待测光纤(11)的前端之间的距离；L₂₂表示第二参考光纤环的位置与待测光纤(11)的前端之间的距离；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数；；(4)、分布式光纤温度及应变传感系统根据光时域反射原理采集得到的Stokes光和anti‑Stokes光的光强值，公式可分别表示为：φ_s＝K_sV_s⁴Sφ_eR_s(T)exp[‑(α_o+α，)L]..............................(2)φ_a＝K_aV_a⁴Sφ_eR_a(T)exp[‑(α_o+α_a)L]...............................(3)其中，Stokes光的温度调制函数R_s(T)和anti‑Stokes光的温度调制函数R_a(T)分别为：式中K_s，K_a为与光纤散射端截面有关的系数，V_s，V_a为斯托克斯与反斯托克斯光的频率，S为散射截面，h,K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv光纤的拉曼频移量，α_o、α_s、α_a分别为入射泵浦光和斯托克斯与反斯托克斯光在光纤中单位长度下的衰减系数；将光纤沿线的温度T公式(1)代入公式(2)和(3)中，经过化解后光纤沿线各点的后向拉曼散射衰减系数可以表示为：(5)、系统基于光纤沿线的衰减变化情况，即可反映出光纤沿线的应变及应力变化情况；(6)、系统根据公式(1)和公式(5)即可利用一根光纤同时测量出光纤沿线的温度及应变化。