專利名稱：一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，尤其是涉及一種同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變的分布式光纖傳感裝置。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感器在電力、橋梁、大壩、石化等重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)中有重要應(yīng)用。與基于拉曼散射的分布式光纖傳感器相比，基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的測(cè)量距離更長(zhǎng)、測(cè)量精度更高，并且實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力測(cè)量，因此該產(chǎn)品自問世以來備受人們關(guān)注。基于布里淵散射的分布式光纖傳感器有兩種類型布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(Brillouin Opitcal Time Domain Reflection, B0TDR)和布里淵光時(shí)域分析技術(shù) (Brillouin Optical Time Domain Analysis, B0TDA)。其中 BOTDR 為單端測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其探測(cè)的是微弱的自發(fā)布里淵散射光，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高精度測(cè)量；BOTDA則為雙端測(cè)量，探測(cè)的是較強(qiáng)的受激布里淵散射光，其測(cè)量距離與精度優(yōu)于B0TDR，是目前最具應(yīng)用前景的光纖傳感器。典型的BOTDA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括探測(cè)光源，泵浦光源，耦合器I，耦合器2，耦合器3，外調(diào)制器，擾偏器，環(huán)形器，頻率測(cè)量模塊，信號(hào)探測(cè)模塊，傳感光纖。其中探測(cè)光源和泵浦光源的波長(zhǎng)非常接近，其典型的頻率差約為9 16GHz，探測(cè)光源和泵浦光源分別經(jīng)耦合器I、耦合器2分出部分光后進(jìn)入耦合器3，并由頻率測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)探測(cè)光源和泵浦光源的頻率差的測(cè)量，外調(diào)制器一般采用電光調(diào)制器，用于產(chǎn)生脈沖光信號(hào)，擾偏器用于消除偏振的影響，脈沖光和泵浦光相對(duì)向入射至傳感光纖，布里淵散射信號(hào)經(jīng)環(huán)形器后由信號(hào)探測(cè)模塊測(cè)量?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感器是利用光纖布里淵背向散射效應(yīng)研制的。光纖中的布里淵散射效應(yīng)是注入光波場(chǎng)與光纖中的彈性聲波場(chǎng)間相互耦合作用而產(chǎn)生的一種非線性光散射現(xiàn)象，其中布里淵頻移Vb與波長(zhǎng)λ、聲速Va和折射率η與的關(guān)系式為Vb = 2n Va(I )
Λ當(dāng)環(huán)境溫度變化或光纖產(chǎn)生形變時(shí)，光纖中聲速νΑ和光的折射率η都會(huì)隨之變化，從而使布里淵頻移Vb發(fā)生變化。布里淵頻移變化量與環(huán)境溫度、光纖應(yīng)變成線性關(guān)系Δ vB=Cε Δ ε +Ct Δ T(2)式中八％為布里淵頻移變化量，Λ ε為光纖軸向應(yīng)變，AT為光纖溫度，Ce和(^分別為布里淵散射頻移的應(yīng)變和溫度系數(shù)。布里淵散射頻移的應(yīng)變和溫度系數(shù)Ce和(^除了與光纖結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與激光波長(zhǎng)有關(guān)，并且激光波長(zhǎng)差異越大，則布里淵散射頻移的應(yīng)變和溫度系數(shù)差異越大。由于布里淵頻移對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感，在健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用過程中需解決該交叉敏感效應(yīng)，對(duì)此人們提出不少解決方案。如，Bao X等人采用保偏光纖、光子晶體光纖、大有效面積光纖等特殊光纖作為測(cè)量光纖，利用多個(gè)布里淵頻移峰來分離溫度和應(yīng)變值("Simultaneous strain and temperature measurementswith polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of adistributed Brillouin loss system, "Optics letters,29 (12):1342-1344,2004),但由于特殊光纖大都價(jià)格昂貴、可獲得性差，長(zhǎng)距離測(cè)量成本過高。又如，申請(qǐng)?zhí)枮?01010229960. 7的發(fā)明專利公開了一種利用并列設(shè)置的至少兩根布里淵頻移溫度系數(shù)和應(yīng)力系數(shù)不同的測(cè)量光纖，并通過光開關(guān)切換方式來實(shí)現(xiàn)兩根光纖的布里淵頻移變化量的測(cè)量，通過聯(lián)立方程組解決布里淵頻移對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感效應(yīng)，但需要提前敷設(shè)兩種類型的單模光纖。針對(duì)長(zhǎng)距離高壓電力電纜、海底光電復(fù)合纜等監(jiān)測(cè)應(yīng)用，尤其是已建大型工程項(xiàng)目，一般僅敷設(shè)了一種單模光纖(例如G652),如何利用單一種類的單模光纖實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分離，是大規(guī)模應(yīng)用推廣基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的關(guān)鍵
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用單一種類的單模光纖實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的分布式光纖傳感裝置。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，包括第一探測(cè)光源，第一泵浦光源，第一耦合器，第二耦合器，頻率測(cè)量模塊，探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊，泵浦光輸出模塊，傳感光纖模塊，還包括第二探測(cè)光源，第二泵浦光源，第一光開關(guān)模塊和第二光開關(guān)模塊，所述的第一探測(cè)光源和第二探測(cè)光源分別與第一光開關(guān)模塊的兩個(gè)光信號(hào)輸入端連接，所述的第一泵浦光源和第二泵浦光源分別與第二光開關(guān)模塊的兩個(gè)光信號(hào)輸入端連接，所述的第一光開關(guān)模塊的光信號(hào)輸出端與第一耦合器的輸入端連接，所述的第二光開關(guān)模塊的光信號(hào)輸出端與第二耦合器的輸入端連接，所述的頻率測(cè)量模塊分別與第一耦合器和第二耦合器的一個(gè)輸出端連接，所述的第一耦合器和第二耦合器的另一個(gè)輸出端分別與所述的探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸入端連接，所述的探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸出端分別與傳感光纖模塊的兩端連接。所述的第一探測(cè)光源和第一泵浦光源與第二探測(cè)光源和第二泵浦光源具有不同的波長(zhǎng)范圍，并且波長(zhǎng)間隔不小于190nm。更進(jìn)一步，第一探測(cè)光源和第一泵浦光源若選用(1550 ± 30) nm范圍的激光光源，第二探測(cè)光源和第二泵浦光源則需選用(1310 ± 20) nm范圍的激光光源或者(1064±20) nm范圍的激光光源。所述的第一光開關(guān)模塊和第二光開關(guān)模塊可以選擇第一探測(cè)光源和第一泵浦光源或者第二探測(cè)光源和第二泵浦光源作為布里淵光時(shí)域分析儀的光源。布里淵光時(shí)域分析儀需要探測(cè)光源和泵浦光源相向入射到傳感光纖上，本技術(shù)方案中利用第一探測(cè)光源和第一泵浦光源組成一對(duì)布里淵光時(shí)域分析儀光源，利用第二探測(cè)光源和第二泵浦光源組成另一對(duì)布里淵時(shí)域分析儀光源，其它器件如頻率測(cè)量模塊、探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊、泵浦光輸出模塊、耦合器等核心光電模塊則共用，通過第一光開關(guān)和第二光開關(guān)模塊的切換，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了兩套激光波長(zhǎng)不同的布里淵光時(shí)域分析儀，此時(shí)可以獲得兩組傳感光纖的布里淵頻移變化量分布Avm(Z)和Λ vB2 (z)。由于第一探測(cè)光源和第一泵浦光源與第二探測(cè)光源和第二泵浦光源的激光波長(zhǎng)有較大差異，他們的布里淵散射頻移的應(yīng)變系數(shù)Ce i、Ce2和溫度系數(shù)CT1、Ct2不同，此時(shí)聯(lián)立方程組可以獲得傳感光纖沿線各處的應(yīng)變值Λ ε (ζ)和溫度值ΛΤ(ζ):
權(quán)利要求
1.一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，包括第一探測(cè)光源，第一泵浦光源，第一耦合器，第二耦合器，頻率測(cè)量模塊，探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊，泵浦光輸出模塊，傳感光纖模塊，其特征在于還包括第二探測(cè)光源，第二泵浦光源，第一光開關(guān)模塊和第二光開關(guān)模塊，所述的第一探測(cè)光源和第二探測(cè)光源分別與第一光開關(guān)模塊的兩個(gè)光信號(hào)輸入端連接，所述的第一泵浦光源和第二泵浦光源分別與第二光開關(guān)模塊的兩個(gè)光信號(hào)輸入端連接，所述的第一光開關(guān)模塊的光信號(hào)輸出端與第一耦合器的輸入端連接，所述的第二光開關(guān)模塊的光信號(hào)輸出端與第二耦合器的輸入端連接，所述的頻率測(cè)量模塊分別與第一耦合器和第二 I禹合器的一個(gè)輸出端連接，所述的第一 I禹合器和第二 I禹合器的另一個(gè)輸出端分別與所述的探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸入端連接，所述的探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸出端分別與傳感光纖模塊的兩端連接。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的第一探測(cè)光源和第一泵浦光源與第二探測(cè)光源和第二泵浦光源具有不同的波長(zhǎng)范圍，并且波長(zhǎng)間隔不小于190nm。
3.如權(quán)利要求I所述的一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的第一光開關(guān)模塊和第二光開關(guān)模塊可以選擇第一探測(cè)光源和第一泵浦光源或者第二探測(cè)光源和第二泵浦光源作為布里淵光時(shí)域分析儀的光源。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的第一光開關(guān)模塊和第二光開關(guān)模塊均為2X1光開關(guān),設(shè)有兩個(gè)光信號(hào)輸入端和一個(gè)光信號(hào)輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感裝置，包括第一探測(cè)光源，第二探測(cè)光源，第一泵浦光源，第二泵浦光源，第一光開關(guān)模塊，第二光開關(guān)模塊，第一耦合器，第二耦合器，頻率測(cè)量模塊，探測(cè)光輸出及信號(hào)處理模塊，泵浦光輸出模塊和傳感光纖模塊。通過第一光開關(guān)模塊和第二光開關(guān)模塊選擇第一探測(cè)光源和第一泵浦光源或者第二探測(cè)光源和第二泵浦光源作為布里淵光時(shí)域分析儀的光源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單一種類的傳感光纖的應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的裝置，解決了布里淵分布式光纖傳感中溫度和應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)的問題，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)傳感光纖的規(guī)格沒有特殊要求，適用范圍廣，尤其是適合已建工程的分布式在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102721484SQ201210194790
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者侯光恩, 劉航杰, 戴世勛, 李浩泉, 涂勤昌 申請(qǐng)人:寧波諾馳光電科技發(fā)展有限公司