一種實(shí)現(xiàn)全光纖分布式多參量傳感的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種基于光纖拉曼效應(yīng)和偏振敏感實(shí)現(xiàn)溫度和振動(dòng)同時(shí)分布式測量的傳感方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全光纖傳感技術(shù)是傳感領(lǐng)域的新一代技術(shù)，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展不可或缺的一部分。光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，也可以作為光波感知外界環(huán)境的介質(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，其特征參量振幅、相位、偏振態(tài)、波長等會(huì)因外界因素如溫度、振動(dòng)、應(yīng)變、磁場、電場、位移等直接或間接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件探測物理量。光纖傳感技術(shù)就是利用光纖對某些物理量敏感的特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號的技術(shù)。全光纖分布式傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)沿著數(shù)十公里甚至上百公里溫度、振動(dòng)、應(yīng)力等參量的分布式傳感，具有其他傳感器無法比擬的傳感范圍、空間分辨率、傳感精度、高穩(wěn)定性等特性，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石化、建筑、航天、航空、高鐵、橋梁、國防工業(yè)等領(lǐng)域。
[0003]目前成熟的或在研發(fā)中的全光纖分布式傳感器主要包括:1、分布式光纖拉曼溫度傳感器:主要用于實(shí)現(xiàn)二三十公里范圍內(nèi)的分布式溫度傳感，其溫度分辨率可達(dá)0.1度，空間分辨率可達(dá)傳感范圍的萬分之一。然而，該傳感器不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感。2、分布式布里淵傳感器:主要用于實(shí)現(xiàn)幾十公里范圍內(nèi)的溫度或應(yīng)力傳感。由于傳感器對溫度和應(yīng)力都有反應(yīng)，所傳感的溫度和應(yīng)力信號存在交叉，即當(dāng)同時(shí)存在應(yīng)力和溫度信號的時(shí)候，系統(tǒng)不能識別響應(yīng)信號是源至應(yīng)力或者溫度。3、分布式光纖振動(dòng)傳感器:用于實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)傳感，一般對外界溫度不敏感。因此，發(fā)明一種能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和振動(dòng)等參數(shù)同時(shí)測量的多參量傳感方法具有重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于光纖拉曼效應(yīng)和偏振敏感實(shí)現(xiàn)溫度和振動(dòng)同時(shí)分布式測量的傳感方法。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置包括一個(gè)輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源、一個(gè)光環(huán)形器、一段長度為L的單模光纖、一個(gè)四端口波分復(fù)用器、兩個(gè)Aro探頭、兩個(gè)ro探頭、一個(gè)光耦合器、一個(gè)偏振分束器、一臺具有數(shù)據(jù)采集處理功能的計(jì)算機(jī)。
[0006]本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0007]步驟⑴選擇一個(gè)輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源、一個(gè)光環(huán)形器、一段長度為L的單模光纖、一個(gè)四端口波分復(fù)用器、兩個(gè)Aro探頭、兩個(gè)ro探頭、一個(gè)光耦合器、一個(gè)偏振分束器、一臺具有數(shù)據(jù)采集處理功能的計(jì)算機(jī)。
[0008]步驟⑵將輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源的輸出端口和光環(huán)形器的第一端口光纖連接；將光環(huán)形器的第二端口和長度為L的單模光纖的一個(gè)端口光纖連接；將光環(huán)形器的第三端口和四端口波分復(fù)用器的第一端口光纖連接；將四端口波分復(fù)用器的第二端口和第一個(gè)APD探頭光纖連接；將四端口波分復(fù)用器的第三端口和第二個(gè)APD探頭光纖連接；將四端口波分復(fù)用器的第四端口和光耦合器的第一端口光纖連接；將光耦合器的第二端口和第一個(gè)ro探頭光纖連接；將光耦合器的第三端口和偏振分束器的輸入端口光纖連接；將偏振分束器的輸出端口和第二 ro探頭光纖連接；將輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源、兩個(gè)APD探頭、兩個(gè)ro探頭與具有數(shù)據(jù)采集處理功能的計(jì)算機(jī)電纜連接；
[0009]步驟(3)開啟具有數(shù)據(jù)采集處理功能的計(jì)算機(jī)和輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源，通過計(jì)算機(jī)控制脈沖光源，實(shí)現(xiàn)周期性光脈沖輸出；光脈沖進(jìn)入光環(huán)形器的第一端口，從光環(huán)形器的第二端口輸出，然后進(jìn)入長度為L的單模光纖；當(dāng)光脈沖在單模光纖中向前傳輸時(shí)，產(chǎn)生三個(gè)后向散射的信號光，分別是瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，其中瑞利散射光的偏振態(tài)和光纖受到的振動(dòng)信號相關(guān)，拉曼反斯托克斯光和光纖的溫度緊密相關(guān)；三個(gè)后向散射的信號光進(jìn)入光環(huán)形器的第二端口，從光環(huán)形器的第三端口輸出，然后進(jìn)入四端口波分復(fù)用器；拉曼斯托克斯光從四端口波分復(fù)用器的第二端口輸出，進(jìn)入第一個(gè)APD探頭；拉曼反斯托克斯光從四端口波分復(fù)用器的第三端口輸出，進(jìn)入第二個(gè)Aro探頭；瑞利散射光從四端口波分復(fù)用器的第四端口輸出，進(jìn)入光耦合器的第一端口 ；a%的瑞利散射光從光親合器的第二端口輸出進(jìn)入第一個(gè)F1D探頭；l_a%的瑞利散射光從光親合器的第三端口輸出進(jìn)入偏振分束器的輸入端口，從偏振分束器的輸出端口出來的瑞利散射光注入第二 ro探頭；進(jìn)入第二 ro探頭的瑞利散射光的功率依賴于瑞利散射光偏振態(tài)。
[0010]以脈沖光源發(fā)出光脈沖為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，光纖在位于單模光纖長度方向距離原點(diǎn)位置X處的瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光返回到ro探頭、Aro探頭的時(shí)間為t，則
[0011]t = Xneff/c(I)
[0012]其中，nrff為單模光纖的有效折射率，c為真空光速?？梢酝扑?br>[0013]X = ct/neff(2)
[0014]t時(shí)刻第一個(gè)Aro探頭、第二個(gè)Aro探頭接收到的拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光功率分別為
[0015]Ps= f s(t,T)(3)
[0016]和
[0017]Pas= f as(t,T)(4)
[0018]其中T為單模光纖X處溫度。
[0019]t時(shí)刻第一個(gè)TO探頭、第二個(gè)H)探頭接收到的瑞利散射光功率分別為
[0020]Prl= f rl (t, v)(5)
[0021]和
[0022]Pr2= f r2(t, v)(6)
[0023]其中V為單模光纖X處振動(dòng)強(qiáng)度。
[0024]所述的公式(3)至(6)都為已知的公開知識。為了消除脈沖光源功率抖動(dòng)的影響，由公式(3)至(6)獲得
[0025]Ps/Pas= f s(t,T)/fas(t,T)(7)
[0026]Prl/Pr2 = f rl(t, v)/fr2 (t, v)(8)
[0027]在計(jì)算機(jī)采集兩個(gè)AH)探頭和兩個(gè)ro探頭的功率信號及對應(yīng)的時(shí)間，可以根據(jù)公式⑵獲得傳感點(diǎn)距離X，根據(jù)公式(7)和⑶獲得溫度和振動(dòng)信息。
[0028]本發(fā)明主要適用于長距離的分布式溫度和振動(dòng)傳感，利用了拉曼反斯托克斯光對溫度的靈敏性、瑞利散射光偏振態(tài)對振動(dòng)的靈敏性，通過兩個(gè)APD探頭和兩個(gè)H)探頭分別測量了拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光、瑞利散射光的光功率強(qiáng)弱以及兩個(gè)信號到達(dá)探頭時(shí)間差來確定溫度、振動(dòng)信號強(qiáng)弱及對應(yīng)傳感位置，從而實(shí)現(xiàn)了分布式溫度、振動(dòng)的多參量傳感。本發(fā)明不需要采用價(jià)格高昂的窄線寬激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中分布式溫度傳感信號；
[0031]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中分布式振動(dòng)傳感信號。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式振動(dòng)傳感的裝置包括一個(gè)輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源1、一個(gè)光環(huán)形器2、一段長度為L(16km)的普通單模光纖3、一個(gè)4端口波分復(fù)用器4、第一個(gè)APD探頭5、第二個(gè)APD探頭6、一個(gè)光耦合器7、第一個(gè)H)探頭8、一個(gè)偏振分束器9、第二個(gè)H)探頭10、一臺具有數(shù)據(jù)采集處理功能的計(jì)算機(jī)11。
[0033]具體實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式振動(dòng)傳感的方法包括以下步驟:
[0034](I)選擇一個(gè)輸出為1.5微米波段線偏振光的脈沖光源1、一個(gè)光環(huán)形器2、一段長度