一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，利用布里淵增益光纖的窄帶布里淵增益特性來檢測傳感光纖的布里淵散射光的頻移；布里淵散射光和移頻光分別從兩端輸入布里淵增益光纖，窄線寬光學濾波器濾出布里淵散射光的斯托克斯或者反斯托克斯邊帶進行光電探測，光功率控制單元穩定控制移頻光的功率；當移頻光和布里淵散射光的頻率差等于布里淵增益光纖的布里淵頻移時，獲得最強的光電探測信號，實現布里淵散射光頻移的檢測。本發明公開的分布式光纖溫度應變傳感器，降低了光電探測、電路信號產生和處理的頻率，降低了技術難度和成本；通過移頻光功率穩定控制，獲得平坦的頻率響應特性，有利于布里淵散射光頻移的精密檢測。
【專利說明】—種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種分布式光纖溫度應變傳感器，特別是一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，屬于光纖傳感器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光在光纖中傳播時產生的布里淵散射光的頻移和光纖的溫度、應變之間具有良好的線性，頻移一溫度靈敏度約為1.05MHz/°C，頻移一應變靈敏度約為0.046MHz/ii e ;通過測量光脈沖在光纖傳播時產生的布里淵散射光的頻移，同時利用光脈沖傳播時延實現定位，可以獲得沿光纖連續分布的溫度、應變信息，即構成分布式光纖溫度應變傳感器。
[0003]基于布里淵散射的分布式光纖溫度應變傳感器，直接采用普通單模光纖作為傳感介質，具有抗電磁干擾、本質安全、測量距離長達數十千米、獲得連續溫度應變分布信息、等效測點多、每個等效測點平均成本低等優勢，在通信光纜、電力電纜、油氣輸送管線、隧道、基樁、橋梁、大壩等大型民用工程和基礎設施的監測中具有廣泛的應用前景。
[0004]目前基于布里淵散射的分布式光纖溫度應變傳感器，主要方案有基于自發布里淵散射和時域反射計的技術方案，即布里淵光時域反射計(Brillouin Optical Time DomainReflectometer, BOTDR);以及基于受激布里淵增益和時域分析的技術方案，即布里淵光時域分析儀(Brillouin optical time-domain analysis, B0TDA)。其中布里淵光時域反射計只需要采用一根光纖即可實現測量，不需要對光纖進行特殊處理，現場布設難度較低，而且可以方便地利用已敷設的光纖進行測量。
[0005]布里淵光時域反射計的自發布里淵散射光非常微弱，約nW量級；為了檢測微弱的自發布里淵散射光的頻移，通常需要采用光外差相干檢測技術，利用大功率的本振光和布里淵反射光疊加來產生較強的拍頻信號。但是布里淵散射光相對于入射光的頻移?11GHz，需要采用帶寬大于IOGHz的平衡光探測器、進行微波下變頻和電信號頻譜檢測來實現布里淵散射光頻移的測量，如附圖1所示(參見專利US6700655B2，Optical FiberCharacteristic Measuring Device);或者采用光學移頻單元對脈沖光或本振光進行移頻，降低拍頻信號的帶寬，如圖2所示(參見專利US7504618B2, Distributed Sensing in anOptical Fiber Using Brillouin Scattering)。這種基于光外差相干檢測、微波變頻和頻譜檢測的布里淵光時域反射計方案，光電信號探測、信號處理的頻率高達?11GHz，器件成本高；同時，微波下變頻和電信號頻譜檢測電路難以在寬頻率范圍內獲得平坦的響應，且難以對頻率響應特性進行有效的校準，不利于電信號頻譜和布里淵散射光頻移的準確測量。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了克服現有的基于光外差相干檢測、微波變頻和電信號頻譜檢測的布里淵光時域反射計方案的分布式光纖溫度應變傳感器，需要采用高成本微波器件、難以獲得平坦頻率響應特性的問題，提出了一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器。[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0008]本發明的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，包括光源、光纖稱合器、光脈沖調制單兀、第一光放大器、第一光環行器、傳感光纖、光學移頻單兀、偏振控制器、光功率控制單元、第二光環行器、布里淵增益光纖、窄線寬光學濾波器、光電探測器、模數轉換器和信號處理單元；
[0009]光源輸出的光經過光纖f禹合器分成兩路,光纖I禹合器的第一輸出端口的輸出光經過光脈沖調制單兀調制成光脈沖，光脈沖經過第一光放大器后輸出峰值功率放大的光脈沖，峰值功率放大的光脈沖輸入第一光環行器的輸入端口，然后從第一光環行器的雙向傳輸端口輸入傳感光纖；光脈沖在傳感光纖中傳播產生的后向布里淵散射光從第一光環行器的雙向傳輸端口輸入，然后從第一光環行器的輸出端口輸入第二光放大器，布里淵散射光經過第二光放大器放大后輸入布里淵增益光纖；光纖I禹合器的第二輸出端口的輸出光經過光學移頻單元后輸出移頻光，移頻光輸入偏振控制器，偏振控制器輸出偏振態調諧的移頻光，光功率控制單元穩定控制移頻光的功率，移頻光輸入第二光環行器的輸入端口，從第二光環行器的雙向傳輸端口輸入布里淵增益光纖；移頻光和傳感光纖的布里淵散射光在布里淵增益光纖中相向傳輸；傳感光纖的布里淵散射光通過布里淵增益光纖后從第二光環行器的輸出端口輸入到窄線寬光學濾波器，窄線寬光學濾波器濾出布里淵散射光的斯托克斯或者反斯托克斯邊帶，然后輸入光電探測器；光電探測器將布里淵散射光的斯托克斯或者反斯托克斯邊帶的強度轉換成電信號，模數轉換器將光電探測器輸出的電信號轉換成數字信號并輸入信號處理單元進行處理。
[0010]光學移頻單元控制移頻光的移頻量在內做掃描，利用布里淵增益光纖的窄帶布里淵增益特性，當移頻光和傳感光纖的布里淵散射光的頻率差落在布里淵增益光纖的布里淵增益范圍內時，移頻光為傳感光纖的布里淵散射光的斯托克斯邊帶提供增益，同時傳感光纖的布里淵散射光的反斯托克斯邊帶為移頻光提供增益；當移頻光和傳感光纖的布里淵散射光的頻率差等于布里淵增益光纖的布里淵頻移時，傳感光纖的布里淵散射光的斯托克斯邊帶獲得最大的增益、傳感光纖的布里淵散射光的反斯托克斯邊帶獲得最大的衰減，由移頻光的頻移量和布里淵增益光纖的布里淵頻移之間的差值獲得傳感光纖的布里淵散射光的頻移，從而實現傳感光纖的布里淵散射光的頻移的測量和溫度、應變信號的解算。
[0011]本發明的優點在于:
[0012](I)本發明公開的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，利用布里淵增益光纖的窄帶布里淵增益特性實現傳感光纖的布里淵散射光的頻移的檢測，降低了光電探測、電路信號產生和處理的頻率，避免采用高成本的微波段光電探測器和微波器件，降低了分布式光纖溫度應變傳感器的技術難度和成本。
[0013](2)本發明公開的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，通過光功率控制單元獲得穩定的移頻光功率，使移頻光進行頻率掃描時，布里淵散射光頻譜檢測具有平坦的頻率響應特性，有利于布里淵散射光頻移的精密檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為現有的基于光外差相干檢測、微波變頻和電信號頻譜檢測的分布式光纖溫度應變傳感器方案示意圖；[0015]圖2為現有的基于光學移頻、光外差相干檢測、微波變頻和電信號頻譜檢測的分布式光纖溫度應變傳感器方案示意圖；
[0016]圖3為本發明的基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器的組成示意圖；
[0017]圖4為窄線寬光學濾波器的組成示意圖；
[0018]圖5為利用布里淵光放大來檢測傳感光纖的布里淵散射光的頻移的原理圖；
[0019]附圖標記說明:
[0020]I…光源，
[0021]2…光源驅動電路，
[0022]3…光源驅動控制電路，
[0023]4…光纖稱合器，4i…光纖稱合器輸入端口，4tl…光纖稱合器第一輸出端口，4t2…光纖f禹合器第二輸出端口，
[0024]5…光脈沖調制單元，
[0025]6…光放大器，
[0026]7…第一光環行器,7i…第一光環行器輸入端口，7ti…第一光環行器雙向傳輸端口，7t…第一光環行器輸出端口，
[0027]8…光纖連接器，
[0028]9…傳感光纖,9a…傳感光纖端面，
[0029]10…第二光纖稱合器，IOil…第二光纖稱合器第一輸入端口，10i2…第二光纖稱合器第二輸入端口，IOtl…第二光纖稱合器第一輸出端口，10t2…第二光纖稱合器第二輸出端口，
[0030]11…平衡光探測器，
[0031]12…電信號放大器，
[0032]13…混頻器，
[0033]14…電本振信號發生電路，
[0034]15…電本振信號控制電路，
[0035]16…低通濾波器，
[0036]17…第二電信號放大器，
[0037]18…信號處理單元，
[0038]19…電本振信號，
[0039]20…帶通濾波器，
·[0040]21…電信號檢測器，
[0041]22…光學移頻單元，
[0042]23…光電探測器，
[0043]24…模數轉換器，
[0044]25…第二光放大器，
[0045]26…布里淵增益光纖，
[0046]27…第二光環行器,27i…第二光環行器輸入端口，27ti…第二光環行器雙向傳輸端口，27t…第二光環行器輸出端口，[0047]28…偏振控制器，
[0048]29…光功率控制單元，
[0049]30…窄線寬光學濾波器，30i…窄線寬光學濾波器輸入端口，30i…窄線寬光學濾波器輸出端口，
[0050]31…第三光環行器,31 i…第三光環行器輸入端口，31ti…第三光環行器雙向傳輸端口，31t…第三光環行器輸出端口，
[0051]32…窄線寬光纖光柵濾波器，
[0052]33…溫度控制單元，
[0053]34…傳感光纖的布里淵散射光，
[0054]35…移頻光。
【具體實施方式】
[0055]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0056]實施例
[0057]如圖3所示，一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，包括光源1、光纖稱合器4、光 脈沖調制單兀5、第一光放大器6、第一光環行器7、傳感光纖9、光學移頻單元22、第二光放大器25、偏振控制器28、光功率控制單元29、第二光環行器27、布里淵增益光纖26、窄線寬光學濾波器30、光電探測器23、模數轉換器24和信號處理單元18 ；
[0058]光源I的輸出接光纖f禹合器4的輸入端口 4i,光纖f禹合器4的第一輸出端口 4tl接光脈沖調制單兀5的輸入端口，光脈沖調制單兀5的輸出端口接第一光放大器6的輸入端口，第一光放大器6的輸出端口接第一光環行器7的輸入端口 7i,第一光環行器7的雙向傳輸端口 7ti接傳感光纖9,第一光環行器7的輸出端口 7t接第二光放大器25的輸入端口，第二光放大器25的輸出端口接布里淵增益光纖26 ；
[0059]光纖稱合器4的第二輸出端口 4t2接光學移頻單兀22的輸入端口，光學移頻單兀22的輸出端口接偏振控制器28的輸入端口，偏振控制器28的輸出端口接光功率控制單元29的輸入端口，光功率控制單元29的輸出端口接第二光環行器27的輸入端口 27i，第二光環行器27的雙向傳輸端口 27ti接布里淵增益光纖26，第二光環行器27的輸出端口 27t接窄線寬光學濾波器30的輸入端口 30i，窄線寬光學濾波器30的輸出端口 30t接光電探測器23，光電探測器23輸出的模擬電信號通過模數轉換器24轉換成數字信號，模數轉換器24輸出的數字信號輸入信號處理單元18，信號處理單元18通過數字信號處理完成測量。
[0060]窄線寬光學濾波器30的一種實現方式如圖4所示，窄線寬光學濾波器30包括第三光環行器31、窄線寬光纖光柵濾波器32和溫度控制單元33 ；
[0061]第三光環行器31的雙向傳輸端口 31ti和窄線寬光纖光柵濾波器32相連接，第三光環行器31的輸入端口 31i作為窄線寬光學濾波器30的輸入端口 30i，第三光環行器31的輸出端口 31t作為窄線寬光學濾波器30的輸出端口 30t ;窄線寬光纖光柵濾波器32通過溫度控制單元33保持恒溫，具有穩定的反射光譜特性；窄線寬光纖光柵濾波器32的反射譜的典型線寬小于0.lnm，溫度控制單元33的溫度控制穩定性優于0.1°C，從而使窄線寬光纖光柵濾波器32的反射譜的波長穩定性優于1pm。
[0062]光源I輸出的光經過光纖f禹合器4分成兩路,光纖I禹合器4的第一輸出端口 4tl的輸出光經過光脈沖調制單兀5調制成光脈沖,光脈沖經過第一光放大器6后輸出峰值功率放大的光脈沖，峰值功率放大的光脈沖輸入第一光環行器7的輸入端口 7i,然后從第一光環行器7的雙向傳輸端口輸入傳感光纖9 ;光脈沖在傳感光纖9中傳播產生的后向布里淵散射光從第一光環行器7的雙向傳輸端口 7ti輸入,然后從第一光環行器7的輸出端口 7t輸入第二光放大器25,布里淵散射光經過第二光放大器25放大后輸入布里淵增益光纖26 ；
[0063]光纖I禹合器4的第二輸出端口 4t2的輸出光經過光學移頻單兀22后輸出移頻光，移頻光輸入偏振控制器28，偏振控制器28輸出偏振態調諧的移頻光，光功率控制單元29穩定控制移頻光的功率，移頻光輸入第二光環行器27的輸入端口 27i，從第二光環行器27的雙向傳輸端口 27ti輸入布里淵增益光纖26 ;移頻光和傳感光纖的布里淵散射光在布里淵增益光纖26中相向傳輸；傳感光纖的布里淵散射光通過布里淵增益光纖26后從第二光環行器27的輸出端口 27t輸入到窄線寬光學濾波器30，窄線寬光學濾波器30濾出布里淵散射光的斯托克斯或者反斯托克斯邊帶，然后輸入光電探測器23 ;光電探測器23將布里淵散射光的斯托克斯或者反斯托克斯邊帶的強度轉換成模擬電信號，模數轉換器24將光電探測器23輸出的模擬電信號轉換成數字信號并輸入信號處理單元18進行測量處理。
[0064]信號檢測的原理如圖5所示，光源I輸出光的頻率為V ^，輸入布里淵增益光纖的移頻光35的頻率為Vtl-Vs或V Jvs，傳感光纖的布里淵散射光34的頻率為Vtl-Vb或v0+vB, Vb為傳感光纖9的布里淵頻移，光學移頻單元22控制移頻光35的頻移量Vs在100MHz-2GHz范圍內做掃描；利用布里淵增益光纖26的窄帶布里淵增益特性，當移頻光35的頻率和傳感光纖的布里淵散射光34的頻率的差vB-Vs落在布里淵增益光纖26的布里淵增益范圍內時，移頻光35為傳感光纖的布里淵散射光34的斯托克斯邊帶Vtl- Vb提供增益，同時傳感光纖的布里淵散射光34的反斯托克斯邊帶Vtl+ Vb為移頻光35提供增益；當移頻光35和傳感光纖的布里淵散射光34的頻率差vB- Vs等于布里淵增益光纖26的布里淵頻移vB1時，傳感光纖的布里淵散射光34的斯托克斯邊帶Vc1-Vb獲得最大的增益、反斯托克斯邊帶V Jvb獲得最大的衰減，由移頻光35的頻移量vs和布里淵增益光纖26的布里淵頻移vB1之和vs+vB1獲得傳感光纖的布里淵散射光34的頻移vB，根據傳感
光纖9的溫度一頻移靈敏度系數C 應變一頻移靈敏度系數CVNG計算出傳感光纖9的溫
度、應變分布，傳感光纖9的溫度I 感光纖的布里淵散射光34的頻移vB的關系式為
T = Cv (vB _ VB,T0) +TO，VB'T。是傳感光纖9在已知標定溫度Ttl下的布里淵頻移；傳感光纖9
的應變與傳感光纖的布里淵散射光34的頻移V B的關系式為s = CVj}￡ (vB -vB￡o ) + ε0，vBeg是傳感光纖9在已知標定應變^下的布里淵頻移。
[0065]光功率控制單元29將輸入布里淵增益光纖的移頻光35的功率波動控制在小于
0.5%，從而使光學移頻單元22在控制移頻光35的頻移量Vs進行掃描時，布里淵散射光頻譜檢測獲得平坦的頻率響應特性；
[0066]光功率控制單元29采用光功率監測和反饋控制的可調諧光衰減器。
[0067]布里淵增益光纖26和傳感光纖9采用兩種不同的光纖，布里淵增益光纖26的布里淵頻移vB1小于傳感光纖9的布里淵頻移vB;—種光纖選擇方法為:布里淵增益光纖26采用ofs公司的truewave RS光纖，傳感光纖9采用corning公司的SMF-28e光纖
【權利要求】
1.一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，其特征在于:包括光源、光纖稱合器、光脈沖調制單兀、第一光放大器、第一光環行器、傳感光纖、光學移頻單兀、第二光放大器、偏振控制器、光功率控制單元、第二光環行器、布里淵增益光纖、窄線寬光學濾波器、光電探測器、模數轉換器和信號處理單元； 光源的輸出接光纖I禹合器的輸入端口，光纖I禹合器的第一輸出端口接光脈沖調制單兀的輸入端口，光脈沖調制單兀的輸出端口接第一光放大器的輸入端口，第一光放大器的輸出端口接第一光環行器的輸入端口，第一光環行器的雙向傳輸端口接傳感光纖，第一光環行器的輸出端口接第二光放大器的輸入端口，第二光放大器的輸出端口接布里淵增益光纖; 光纖耦合器的第二輸出端口接光學移頻單元的輸入端口，光學移頻單元的輸出端口接偏振控制器的輸入端口，偏振控制器的輸出端口接光功率控制單元的輸入端口，光功率控制單元的輸出端口接第二光環行器的輸入端口，第二光環行器的雙向傳輸端口接布里淵增益光纖，第二光環行器的輸出端口接窄線寬光學濾波器的輸入端口，窄線寬光學濾波器的輸出端口接光電探測器，光電探測器輸出的模擬電信號通過模數轉換器轉換成數字信號，模數轉換器輸出的數字信號輸入信號處理單元，信號處理單元通過數字信號處理完成測量。
2.根據權利要求1所述的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，其特征在于:窄線寬光學濾波器包括第三光環行器、窄線寬光纖光柵濾波器和溫度控制單元; 第三光環行器的雙向傳輸端口和窄線寬光纖光柵濾波器相連接，第三光環行器的輸入端口作為窄線寬光學濾波器的輸入端口，第三光環行器的輸出端口作為窄線寬光學濾波器的輸出端口 ；窄線寬光纖光柵濾波器通過溫度控制單元保持恒溫。
3.根據權利要求2所述的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，其特征在于:窄線寬光纖光柵濾波器的反射譜的線寬小于0.lnm，溫度控制單元的溫度控制穩定性優于0.rc。
4.根據權利要求1所述的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，其特征在于:光功率控制單元采用光功率監測和反饋控制的可調諧光衰減器。
5.根據權利要求1所述的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，其特征在于:布里淵增益光纖的布里淵頻移Vb1小于傳感光纖的布里淵頻移VB。
6.根據權利要求5所述的一種基于布里淵光放大檢測的分布式光纖溫度應變傳感器，其特征在于:布里淵增益光纖采用OFS公司的TrueWave RS光纖,傳感光纖采用Corning公司的SMF-28e光纖。
【文檔編號】G01D21/02GK103674110SQ201310611957
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】唐才杰, 王巍, 王學鋒, 崔留住 申請人:北京航天時代光電科技有限公司
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