一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型的基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，一方面涉及應(yīng)變傳感，另一方面涉及溫度應(yīng)變同時傳感的光纖傳感系統(tǒng)，包括激光光源（1)，光耦合器1(2)，光電調(diào)制器子系統(tǒng)（3)，摻鉺光纖放大器和濾波器（4)，光環(huán)行器（5)，傳感光纖(6)，濾波器(7)，光耦合器II(8)，光探測器I(9)，微波放大器（10)，高通濾波器（11)，功率分配器（12)，濾波模塊I(14)，微波探測模塊I(15)，低頻放大器I(16)，濾波模塊II(17)，微波探測模塊II(18)，低頻放大器II(19)，數(shù)據(jù)采集卡（20)和計算機（21)。利用從種子光源中分出的一小束光對后向散射光中的瑞利成分進行加強，從而極大地加強了外差干涉信號，采用電解耦的方法來分辨布里淵信號的頻移和強度變化來解耦溫度和應(yīng)變，利用擾偏器消除布里淵散射光偏=振態(tài)的不穩(wěn)定而引起的噪聲；適用于長距離分布^式溫度應(yīng)變檢測，簡化了系統(tǒng)，安裝方便。卜
【專利說明】一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種傳感系統(tǒng)，特別是涉及一種光纖傳感系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)(DTSS)由于其獨特的優(yōu)勢，如靈敏度高、抗電磁干擾及能夠同時分布式測量溫度和應(yīng)變等，深受人們青睞，有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]光在光纖中傳輸,主要有三種后向散射光:瑞利、布里淵和拉曼，其中瑞利散射無能量轉(zhuǎn)換，屬于彈性散射，無頻移；布里淵和拉曼散射都具有能量轉(zhuǎn)換，屬于非彈性散射，而且一般均具有斯托克斯和反斯托克斯兩種成分光。據(jù)定義，頻率下移的成分是斯托克斯光，頻率上移的成分是反斯托克斯光。布里淵散射和拉曼散射的區(qū)別在于前者是基于光學(xué)聲子的一種散射光，既受溫度變化的影響又受應(yīng)變的影響，而后者是基于光學(xué)光子的一種散射光，只受溫度變化的影響。目前廣大研究者已經(jīng)對這些散射現(xiàn)象進行了深入研究并且根據(jù)其各自特點進行了應(yīng)用，比如光時域/頻域反射計(0T/FDR)，光時域/頻域分析儀(0T/FDA)，以及分布式光纖傳感器等等。分布式光纖傳感器特別是基于布里淵散射的光纖傳感器，與其他傳感器相比，具有其獨特優(yōu)勢，但同時由于布里淵后向散射光與瑞利后向散射光的頻率差異非常小，約為IlGHz (對應(yīng)于波長差異為88pm)，其檢測手段存在很大的挑戰(zhàn)性，所以目前仍然是研究熱點。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的布里淵散射分布式光纖傳感系統(tǒng)包括自發(fā)布里淵散射分布式光纖傳感系統(tǒng)和受激布里淵散射分布式光纖傳感系統(tǒng)。
[0005]典型的自發(fā)布里淵散射分布式光纖傳感系統(tǒng)如圖1所不，包括光源，其輸出光被分成第一束光和第二束光，第一束光經(jīng)過調(diào)制進入傳感光纖，第一束光在光纖中的反向自發(fā)布里淵散射光與上述第二束光在外差檢測裝置中混合并干涉，并由該檢測裝置檢測該干涉信號并分析，從而獲得傳感光纖中的溫度和應(yīng)變的變化。
[0006]在該傳感系統(tǒng)中，需要從光源中分出一束光作參考光，然后與布里淵散射信號進行外差干涉，這就需要性能好、價格高的濾光器將布里淵后向散射光從諸多后向散射光中分離出來或利用聲光調(diào)制器或微波電光調(diào)制器等器件來調(diào)制參考光，而且，其中還存在脈沖光脈寬和信號強弱相互矛盾的問題，在傳統(tǒng)方法中或者用頻域分析方法來提高空間分辨率，但其不能用于長距離測量，或者只使用窄脈寬的脈沖光來提高空間分辨率，但其使得傳感信號弱，后續(xù)信號處理較困難。另外，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，通常使用光方法或使用軟件方法來解耦溫度和應(yīng)變，但前者成本較高，后者影響響應(yīng)時間。
[0007]國際申請PCT/JP2004/009352公開了一種利用受激布里淵散射現(xiàn)象的分布式光纖傳感器，圖2示出了其中通過受激布里淵散射進行檢測的示意圖，其中與自發(fā)布里淵散射分布式光纖傳感器不同之處在于，其包括脈沖光光源和連續(xù)光光源，從而在用于檢測的光纖的兩端分別輸入探測光和激發(fā)光。這樣的方案可以加強探測光的布里淵散射中的斯托克斯成分，使得反斯托克斯成分較弱，甚至可以被忽略，從而可以解決輸入光脈沖寬度和信號強弱的矛盾。但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且安裝不方便，使得制造成本加大。實用新型內(nèi)容
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的光纖傳感系統(tǒng)。
[0009]本實用新型提供的一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，利用光在傳感光纖中的后向散射原理，包括激光光源，光稱合器I，光電調(diào)制器子系統(tǒng)，摻鉺光纖放大器和濾波器，光環(huán)行器，傳感光纖，濾波器，光耦合器II，光探測器I，微波放大器，高通濾波器，功率分配器，濾波模塊I，微波探測模塊I，低頻放大器I，濾波模塊II，微波探測模塊II，低頻放大器II，數(shù)據(jù)采集卡和計算機；
[0010]激光光源經(jīng)過光耦合器I分成兩路，一路進入光電調(diào)制器子系統(tǒng)，光電調(diào)制器子系統(tǒng)的一個輸出接摻鉺光纖放大器和濾波器，摻鉺光纖放大器和濾波器輸出端連接光環(huán)行器的輸入端，光環(huán)行器的一個輸出端連接傳感光纖，光環(huán)行器的另一個輸出端連接濾波器，濾波器的輸出和光耦傳感器I的另一路輸出連接光耦傳感器II的兩個輸入端；
[0011]光耦傳感器的輸出端依次連接光探測器1、微波放大器、高通濾波器和功率分配器；
[0012]功率分配器的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接濾波模塊I和微波探測模塊I，微波探測模塊I用以將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，微波探測模塊I經(jīng)低頻放大器I進入數(shù)據(jù)采集卡；
[0013]功率分配的另一路輸出經(jīng)過一個濾波模塊II，濾波模塊II將頻率的不同轉(zhuǎn)換為強度的不同，進而進入微波探測模塊II，微波探測模塊II將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，然后經(jīng)過低頻放大器II后進入數(shù)據(jù)采集卡；
[0014]數(shù)據(jù)采集卡和計算機連接。
[0015]作為本實用新型的一種優(yōu)化設(shè)計，還包括光耦合器III，光探測器II，低通濾波器，放大器；
[0016]光耦合器III的輸入端連接濾波器的輸出，光耦合器III的一個輸出端連接光耦合器
II的輸入端，光耦合器III的另一個輸出端依次連接光探測器II (23)、低通濾波器(24)、放大器(25),放大器(25)的輸出端接入數(shù)據(jù)米集卡(20)的一個輸入端。
[0017]進一步地，本實用新型的基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，還包括擾偏器，其輸入端接光環(huán)行器的輸出端，其輸出端接濾波器的輸入端。
[0018]所述激光光源為窄線寬光源。
[0019]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0020](I)該系統(tǒng)利用單端輸入引發(fā)布里淵散射，這樣不僅簡化了系統(tǒng)而且安裝方便；
[0021](2)該系統(tǒng)利用從種子光源中分出的一小束光對后向散射光中的瑞利成分進行加強，使得外差干涉的信號得到極大的加強，便于后續(xù)信號的處理；
[0022](3)該系統(tǒng)加入了擾偏器，從而降低了由于布里淵后向散射光的偏振態(tài)不穩(wěn)定而引起的噪聲；
[0023](4)該系統(tǒng)采用電解耦方法來分辨布理淵信號的頻移和強度變化，進而可以解耦溫度和應(yīng)變，該方法降低了成本而且不會影響響應(yīng)時間；
[0024](5)在能消除激光光源不穩(wěn)和線路損耗的前提下，分別測出布里淵散射光的強度和頻移變化，進而得到溫度變化和應(yīng)變。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型的基于布里淵散射的分布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本實用新型的基于布里淵散射的分布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的實施例2結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為本實用新型的假定的傳感光纖上沿光纖傳輸?shù)暮笙蛏⑸涔鈴姸茸兓那€圖；
[0028]圖4為本實用新型的傳感光纖上沿光纖傳輸?shù)暮笙蛏⑸涔鈴姸茸兓瘹w一化后的曲線圖；
[0029]圖5為本實用新型傳感光纖上沿光纖傳輸?shù)暮笙蛏⑸涔鈴姸茸兓瘹w一化增益曲線圖；
[0030]圖6為考慮到應(yīng)變影響的傳感光纖上沿光纖傳輸?shù)暮笙蛏⑸涔鈴姸茸兓€圖；
[0031]圖7為消除光纖傳輸損耗等的影響而僅僅由于應(yīng)變引起的后向散射光強度的變化曲線圖。
[0032]圖中:1.激光光源；2.光耦合器I ;3.光電調(diào)制器子系統(tǒng)；4.摻鉺光纖放大器和濾波器；5.光環(huán)行器；6.傳感光纖；7.濾波器；8.光稱合器II ；9.光探測器I ;10.微波放大器；11.高通濾波器；12.功率分配器；13.擾偏器；14.濾波模塊I ;15.微波探測模塊I ;16.低頻放大器I ;17.濾波模塊II ；18.微波探測模塊II ；19.低頻放大器II ；20.數(shù)據(jù)采集卡；21.計算機；22.光耦合器III ；23.光探測器II ；24.低通濾波器；25.放大器；

【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0034]實施例1
[0035]如圖1所不，本實施例的一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，用于檢測應(yīng)變，利用光在傳感光纖中的后向散射原理，包括激光光源I，光稱合器12,光電調(diào)制器子系統(tǒng)3,摻鉺光纖放大器和濾波器4,光環(huán)行器5,傳感光纖6,濾波器7,光稱合器II 8,光探測器I 9，微波放大器10，高通濾波器11，功率分配器12，濾波模塊I 14，微波探測模塊I 15，低頻放大器I 16，濾波模塊II 17，微波探測模塊II 18，低頻放大器II 19，數(shù)據(jù)采集卡20和計算機21 ；
[0036]激光光源I經(jīng)過光耦合器I 2分成兩路，一路進入光電調(diào)制器子系統(tǒng)3，光電調(diào)制器子系統(tǒng)3的一個輸出接摻鉺光纖放大器和濾波器4,摻鉺光纖放大器和濾波器4輸出端連接光環(huán)行器5的輸入端,光環(huán)行器5的一個輸出端連接傳感光纖6,光環(huán)行器5的另一個輸出端連接濾波器7，濾波器7的輸出和光耦傳感器I 2的另一路輸出連接光耦傳感器II 8的兩個輸入端；
[0037]光耦傳感器8的輸出端依次連接光探測器I 9、微波放大器10、高通濾波器11和功率分配器12 ；
[0038]功率分配器12的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接濾波模塊I 14和微波探測模塊I 15，微波探測模塊I 15用以將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，微波探測模塊I 15經(jīng)低頻放大器I 16進入數(shù)據(jù)采集卡20 ；
[0039]功率分配器12的另一路輸出經(jīng)過一個濾波模塊II 17，濾波模塊II 17將頻率的不同轉(zhuǎn)換為強度的不同，進而進入微波探測模塊II 18，微波探測模塊II 18將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，然后經(jīng)過低頻放大器II 19后進入數(shù)據(jù)采集卡20 ；
[0040]數(shù)據(jù)采集卡20和計算機21連接。
[0041]本實施例中，激光光源I發(fā)出的偏振光被光稱合器I 2分成兩部分,其中大部分的偏振光進入光電調(diào)制器的子系統(tǒng)3中進行調(diào)制得到符合要求的脈沖光，該脈沖光的各種參數(shù)，如脈寬、發(fā)生頻率等均由光電調(diào)制器子系統(tǒng)3的電脈沖參數(shù)決定。然后該脈沖光進入摻鉺光纖放大器和濾波器4中進行放大和濾波，該摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)，既具有較高增益，又具有較低的噪聲。放大后的光脈沖經(jīng)濾波器濾除摻鉺光纖放大器的噪聲后經(jīng)光環(huán)行器5進入傳感光纖6中引發(fā)布里淵后向散射信號，該散射信號包括瑞利散射光、布里淵散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光與瑞利散射光的距離較遠，約相差10nm,則普通的濾波器7即可將拉曼散射光濾除，那么瑞利散射光和布里淵散射光與從激光光源中分離出的一小部分光在光耦合器II 8中進行混合，使得瑞利散射光成分加強；混合光進入光探測器I 9中進行本源外差干涉，可以得到約為IlGHz的外差干涉信號。該電信號經(jīng)過微波放大器10和高通濾波器11后，在功率分束器12中進行功率分配，第一路經(jīng)濾波模塊I 14進入微波探測模塊I 15中，將高頻信號轉(zhuǎn)化成低頻信號，然后經(jīng)過低頻放大器I 16后進入數(shù)據(jù)采集卡20中進行數(shù)據(jù)采集處理；第二路先經(jīng)過一個濾波模塊II 17頻率-強度轉(zhuǎn)換器，將頻率的不同轉(zhuǎn)化為強度的不同，進而進入微波探測模塊II 18中，將高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號，然后經(jīng)過低頻放大器II 19后進入數(shù)據(jù)采集卡20中進行數(shù)據(jù)采集處理。兩路信號經(jīng)過一定的處理便既可以得到布里淵頻移還可以消除由于激光光源不穩(wěn)或線路損耗等的影響。
[0042]假設(shè)瑞利光的電磁場和布里淵(斯托克斯成分)光的電磁場如下:
[0043]Ee (t) =Ek cos(wKt+4>K) Eb (t) =Eb cos (wBt+ Φβ)(I)
[0044]其中R表不瑞利光，B表不布里淵光。
[0045]那么輸出光電流為
i = a[Es(i)+EM2
[0046]= a{E； cos((oRi + #s)+ ￡:; cos{mBt + φΒ)
+ eBeB cos[(?s 一 COn)( + {φκ 一 €)]+ EREBcm[{coR + ms )i + (φιι + #B )|
[0047]在公式(2)中，有四個子項，分別對應(yīng)四個頻率成分。由于高頻光探測器的物理過程，前兩項是直流功率項，取決于探測器的光譜響應(yīng)特性，后兩項不同于前兩項，其是時間變化項，不取決于探測器的光譜響應(yīng)特性，而取決于探測器的頻率響應(yīng)特性。因為ωκ+ωΒ太高，光探測器不能對其進行響應(yīng)。因此由于頻帶為10KHz-12GHz的高頻光探測器的光譜響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性，我們可以得到以下關(guān)系式:
? E2 E1I
[0048]t = ai^+^+ EkEb ms[(ma -ωΒ)? + {φκ -<)][
I1 2J(3)
[0049]這樣我們即可從高頻光探測器的輸出中得到與瑞利散射和布里淵散射的外差干涉信號(我們稱之為本源外差干涉)相對應(yīng)的交流信號，該交流信號的頻率由布里淵頻移決定。圖6即為在頻譜分析儀上得到的高頻光探測器的輸出信號。然后再經(jīng)過頻率-強度轉(zhuǎn)換器將頻率的變化轉(zhuǎn)換成強度的變化，之后經(jīng)過微波探測模塊，轉(zhuǎn)換成低頻信號，進入數(shù)據(jù)采集卡中進行處理。在該系統(tǒng)中，通路①的作用是作為參考，消除由于光源不穩(wěn)或線路損耗等因素引起的光強度的起伏變化。根據(jù)通路①和通路②兩路的信號，我們便可以得到僅僅由于布里淵頻移變化引起的光強度變化。于是，我們在假定溫度已知的情況下，通過檢測布里淵頻移的變化即可得到傳感光纖所感知的應(yīng)變。
[0050]布里淵強度的歸一化:
[0051]I)從通路①上得到的光強度隨時間的變化關(guān)系(見圖3);
[0052]2)歸一化(見圖 4);
[0053]3)歸一化增益(見圖5)，糾正曲線來補償光纖傳輸損耗或彎曲等損耗；
[0054]4)從通路②上得到的有關(guān)信號信息，如圖6所示；
[0055]5)根據(jù)3)和4)，我們可以得到由于應(yīng)變引起的布里淵強度的變化而不受光纖傳輸損耗等的影響，如圖7所示。
[0056]實施例2
[0057]如圖2所不,本實施例的一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng),為可同時檢測溫度和應(yīng)變的分布式光纖傳感系統(tǒng)，還包括光耦合器III 22，光探測器II 23，低通濾波器24,方文大器25 ；
[0058]光耦合器III 22的輸入端連接濾波器7的輸出，光耦合器III 22的另一個輸出端依次連接光探測器II 23、低通濾波器24、放大器25，放大器25的輸出端接入數(shù)據(jù)采集卡20的一個輸入端。
[0059]本實施例中，在實施例1的基礎(chǔ)上增加一路信號處理線路，在濾波器7和光耦合器II 8之間連接光耦合器III 22 ;瑞利散射光和布里淵散射光先經(jīng)過光耦合器III 22分出兩路信號，一路進入實施例1中的檢測應(yīng)變的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，另一路進入由光探測器II 23、低通濾波器24和放大器25順次連接組成的檢測溫度變化的系統(tǒng)；經(jīng)過光探測器
II23中，將高頻信號轉(zhuǎn)化成低頻信號，然后經(jīng)過低通濾波器24濾除高頻信號，最后經(jīng)放大器25放大后進入數(shù)據(jù)采集卡20形成第三路信號，將第三路信號與實施例1中的第一路信號經(jīng)過一定的處理可以得到布里淵里淵后向散射光的頻移同時也可以消除由于激光光源不穩(wěn)或線路損耗等的影響。
[0060]這里所選用耦合器的分光比，是為了得到足夠好的布里淵散射信號，進而得到較強的后續(xù)處理信號。
[0061]布里淵頻移變化的得到與上述分布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的描述一致，同時在該系統(tǒng)中，通過增加一路電信號的分析，我們便可以同時得到布里淵頻移的變化和強度的變化，進而可以得到傳感光纖感知的溫度變化和應(yīng)變。
[0062]根據(jù)Tosh1 Kurashima等人于1998年建立的布里淵頻移，強度變化和溫度、應(yīng)變的關(guān)系式以及其利用1550nm的入射光在單模光纖中引發(fā)的布里淵散射強度、頻移與溫度、應(yīng)變之間的關(guān)系系數(shù):
[0063]C1 = 0.0493ΜΗζ/ μ ε ;C2 = 1.2MHz/ °C ；C3 = _7.8X 1(Γ4 % /μ ε ；C4 = 0.27 %/°C.
[0064]可知，應(yīng)變所引起的布里淵散射光強度的變化十分微弱，比溫度引起的布里淵散射光強度的變化小3個數(shù)量級，所以可忽略應(yīng)變引起的布里淵散射光強度的變化。這樣在實際應(yīng)用中，可以通過布里淵散射光強度得到溫度的變化值，然后再根據(jù)布里淵頻移的變化和溫度的變化得到傳感光纖所感受的應(yīng)變。
[0065]在測試布里淵散射光強度變化的過程中，存在一個問題，即識別該散射光強度變化是由被測物理量變化引起的，還是由激光器不穩(wěn)或由于焊接或微彎引起的光纖傳輸損耗引起的。值得慶幸的是，瑞利散射光對于溫度的變化不敏感，但其可以反映由于其他原因造成的光纖損耗。所以，鑒于布里淵散射光和瑞利散射光強度的比值，即可以消除掉光纖損耗。該比值，稱之為Landau Placzek比值(LPR)，解決了 DTSS的溫度測量問題。瑞利散射光強度和布里淵兩成份(斯托克斯光和反斯托克斯光)強度總和的比值最初是由Landau和Placzek針對流體于1934年提出的。在1973年Schroeder等人針對單一成分的玻璃給
J J1
出了 LPR，^Ρ = -Γ = ~{ρ^βτ~?其中P是密度，νΑ是聲波，βτ是在假定溫度(Tf)下熔
I,
融等溫壓縮率，T是溫度。假定溫度Tf是在熔融狀態(tài)下的熱動態(tài)密度波動凍結(jié)成玻璃狀的溫度。上式表明LPR與溫度成反比，即若瑞利散射光強度一定,布里淵散射光強度與溫度成正比。對于多成分的玻璃，例如光纖，上述方程必須做出相應(yīng)的改進，以便解釋成份的局部波動。Sch1eder對于二元系統(tǒng)做出了相應(yīng)的解釋，其將增加了另外一項來表示由于成份波動引起的散射，A/.= 1aT1jl =R, + Rc其中G是由于密度波動引起的散射，而；是由于
* ，
成份波動引起的散射。然而很重要的一點是LRP與溫度的反比例關(guān)系仍然成立。
[0066]由于溫度引起的密度變化是非常小的，可以被忽略的。聲速 I — ( 1- ￡
^ = I； 其中e，k, P分別是楊氏模量，泊松比和介質(zhì)密度，E和k都與溫度
I (1+ Λ)(1 - 2 k ) P
* f
有關(guān)系，導(dǎo)致聲速具有小的正溫度系數(shù)。然而LPR的反比例溫度系數(shù)是決定溫度的主要因素，Bansal和Doremus證實了這種關(guān)系。
[0067]在自發(fā)布里淵散射中，布里淵散射光比瑞利散射光弱20dB，因
(f 2 ￡2 ]
此^=?I中的布里淵成分較微弱，所以可以被忽略，那么直流部分變 β2
為%讀々交流部分的峰值為= a EeEb,那么偽Landau Placzek比值為

f 2
R —八—2 _ eR (之所以稱之為偽Landau Placzek比值，是因為其與Landau和Placzek定義的LPR不是完全一致的。
[0068]若為了加強本源外差干涉信號，從激光光源處抽出2 %的光來加強信號，則交流部分中的Ek包括兩部分，一部分是從光源抽出來2 %的光，設(shè)為Etl，另一部分是瑞利散射光，這兩部分相比較，其瑞利散射光是相當(dāng)微弱，可近似忽略，所以交流部分.p 3.的峰值為ia_max = a E0Eb,直流部分仍然是》? = ? f那么偽Landau Placzek比值為

E2

ζχ........-j
R =J^=_2_=E0為常數(shù)，則Rkb由瑞利和布里淵散射光的比值決定，這樣
In F F IFF
1 O-max i4 U U B ^ O Q ，
就消除了傳輸、焊接或微彎引起的散射光損耗。
[0069]通過本系統(tǒng)硬件和軟件的改進，從整體上提升了系統(tǒng)的性能，能夠?qū)崟r有效的監(jiān)測環(huán)境的溫度和應(yīng)變。
[0070]該系統(tǒng)利用單端輸入引發(fā)布里淵散射，這樣不僅簡化了系統(tǒng)而且安裝方便；
[0071]該系統(tǒng)利用從種子光源中分出的一小束光對后向散射光中的瑞利成分進行加強，使得外差干涉的信號得到極大的加強，便于后續(xù)信號的處理；
[0072]該系統(tǒng)加入了擾偏器，從而降低了由于布里淵后向散射光的偏振態(tài)不穩(wěn)定而引起的噪聲；
[0073]該系統(tǒng)采用電解耦方法來分辨布理淵信號的頻移和強度變化，進而可以解耦溫度和應(yīng)變，該方法降低了成本而且不會影響響應(yīng)時間。
[0074]在能消除激光光源不穩(wěn)和線路損耗的前提下，分別測出布里淵散射光的強度和頻移變化，進而得到溫度變化和應(yīng)變。
[0075]布里淵散射光存在不穩(wěn)定的偏振狀態(tài)，這樣就會降低信號的信噪比，因此我們在系統(tǒng)中加入了擾偏器13來避免布里淵后向散射光的不穩(wěn)定偏振態(tài)。擾偏器的工作原理,就是將通過擾偏器的偏振光，以較高的速度不斷改變其偏振態(tài)(SOP)，從而在總體時間段里，其綜合效果失去了偏振特性。也就是說，在某一個瞬間它還是一個偏振度(DOP)為I的偏振光，但從平均時間上看，它就是一個DOP為O的非偏振光。利用擾偏器使信號光在整體上失去了偏振效果，系統(tǒng)更穩(wěn)定了，信噪比有了很大改善。
[0076]為了得到效果更佳的信號，我們對數(shù)據(jù)采集卡20采集到的原始信號進行了小波


I ?,* __
去噪處理。連續(xù)小波變換定義為其









f
中:Ψ (X)是小波母函數(shù)，WTx(a，b)對應(yīng)于f(x)在函數(shù)族Ψ4(χ)上的分解；a，b分別為伸縮因子和平移因子；V\b(x)是U^b(X)的共軛函數(shù)。之后將f(x)離散化成離散序列，a，b也進行離散化，成為離散小波變換。含噪信號可以用下式表示:s (k) =f(k)+^e(k)，其中f(k)為真實信號，e(k)為噪聲信號，s(k)為含噪信號。通常，有用信號為低頻信號或者是較平穩(wěn)信號，噪聲通常表現(xiàn)為高頻信號，小波去噪就是將信號中的高頻信號抑制的過程。本實用新型選擇sym5小波，經(jīng)過離散小波變換函數(shù)wavedec進行尺度為5的小波分解之后得到的各尺度下的低頻系數(shù)和高頻系數(shù)。然后小波分解高頻系數(shù)的閾值量化:選擇thselect
函數(shù)實現(xiàn)信號閾值獲取，閾值的選擇滿足T = ση4?^Ν，其中ση是噪聲標準方差，N是信號的長度。選擇wden函數(shù)實現(xiàn)信號的閾值去噪。最后進行小波重構(gòu):選擇waverec函數(shù)實現(xiàn)信號的重構(gòu)。經(jīng)過小波分析，信號的噪聲明顯降低，信噪比明顯提升了。
【權(quán)利要求】
1.一種基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，利用光在傳感光纖中的后向散射原理，其特征在于: 包括激光光源(I)，光I禹合器I (2),光電調(diào)制器子系統(tǒng)(3),摻鉺光纖放大器和濾波器(4)，光環(huán)行器(5)，傳感光纖(6)，濾波器(7)，光耦合器II (8)，光探測器I (9)，微波放大器(10)，高通濾波器(11)，功率分配器(12)，濾波模塊I (14)，微波探測模塊I (15)，低頻放大器I (16)，濾波模塊II (17)，微波探測模塊II (18)，低頻放大器II (19)，數(shù)據(jù)采集卡(20)和計算機(21);激光光源(I)經(jīng)過光耦合器I (2)分成兩路，一路進入光電調(diào)制器子系統(tǒng)(3),光電調(diào)制器子系統(tǒng)(3)的一個輸出接摻鉺光纖放大器和濾波器(4),摻鉺光纖放大器和濾波器(4)輸出端連接光環(huán)行器(5)的輸入端,光環(huán)行器(5)的一個輸出端連接傳感光纖￠)，光環(huán)行器(5)的另一個輸出端連接濾波器(7)，濾波器(7)的輸出和光耦傳感器I (2)的另一路輸出連接光耦傳感器II (8)的兩個輸入端； 光耦傳感器(8)的輸出端依次連接光探測器I (9)、微波放大器(10)、高通濾波器(11)和功率分配器(12)； 功率分配器(12)的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接濾波模塊I (14)和微波探測模塊I (15)，微波探測模塊I (15)用以將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，微波探測模塊I(15)經(jīng)低頻放大器I (16)進入數(shù)據(jù)采集卡(20);功率分配器(12)的另一路輸出經(jīng)過一個濾波模塊II (17)，濾波模塊II (17)將頻率的不同轉(zhuǎn)換為強度的不同，進而進入微波探測模塊II (18)，微波探測模塊II (18)將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，然后經(jīng)過低頻放大器II(19)后進入數(shù)據(jù)采集卡(20)； 數(shù)據(jù)采集卡(20)和計算機(21)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于: 還包括光耦合器III (22)，光探測器II (23)，低通濾波器(24)，放大器(25)； 光率禹合器III (22)的輸入端連接濾波器(7)的輸出，光I禹合器III (22)的一個輸出端連接光耦合器II (8)的輸入端，光耦合器III (22)的另一個輸出端依次連接光探測器II (23)、低通濾波器(24)、放大器(25)，放大器(25)的輸出端接入數(shù)據(jù)采集卡(20)的一個輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng),其特征在于:還包括擾偏器(13),其輸入端接光環(huán)行器(5)的輸出端,其輸出端接濾波器(7)的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng),其特征在于:所述激光光源(I)為窄線寬光源。
【文檔編號】G01K11/32GK204027726SQ201420363427
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月3日
【發(fā)明者】李亞 申請人:青島派科森光電技術(shù)股份有限公司