1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统。
背景技术：2.光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志；光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场；世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
3.由于自发布里渊后向散射信号非常微弱，并包含有大量随机噪声和相位噪声，且布里渊光纤传感系统所能达到的温度及应力测量精度与测量范围有限。因此，针对上述问题提出基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统。
技术实现要素：4.基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，包括窄谱光源；
5.窄谱光源发出的光经耦合器1输出，一部分光作为参考光，另一部分光经eom调制成脉冲光，脉冲光经光放大器edfa1放大，由光纤光栅1滤除自发热辐射噪声后注入环形器2的端口1，经端口2被光纤光栅2全反射而从端口3输出，随即进入传感光纤；光在传播时产生的背向散射光由环形器2的端口4输出，再经光放大器edfa2及光纤光栅3滤除自发热辐射噪声，在光电检测器1中与参考光进行相干检测；为保证两路光的偏振态很好的匹配，在参考光路中加入pc来扰乱光信号的线偏振态，光电检测器1输出的电信号只包括布里渊频移信号，直流及二次谐波分量均被滤除。
6.进一步地，宽谱光源发出的光经光纤光栅2透射后从环形器2的端口3 输出，经耦合器2注入传感光纤，瑞利散射光经分光比95：5的耦合器2进入光电检测器2，使用数据采集及处理单元对信号进行分析处理。
7.进一步地，通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，就可以得到光纤的温度和应变信息，由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示为：
[0008][0009]
式中vvb表示布里渊散射的频移，vpb表示布里渊散射的强度，cvbz和 cvbt分别为布里渊散射频移的应变和温度系数，cpbz和cpbt分别为布里渊散射强度的应变和温度系数，vz表示光纤所受的应变，vt表示光纤的温度。
[0010]
进一步地，布里渊散射光的强度同样会受温度和应变的影响，有下式：
[0011][0012]
其中，
△
pb；为布里渊强度的变化，
△
t为温度变化量，
△
ε为应变变化量，cpε为布里渊强度应变系数，cpt为布里渊强度温度系数。
[0013]
进一步地，布里渊散射的频移、强度与温度、应变的定量、定性关系，建立如下关系模型：
[0014]
vb＝v
b0
+cv
t
δt+cvεδε
[0015]
pb＝p
b0
+c
pt
△
t+c
p
εδε
[0016]
其中，vbo、pbo分别为参考温度、应变下的布里渊顿移和功率；
△
t和
△
ε分别为温度和应变的变化量；cvt、cvε、cpt、cpε分别为布里渊频移、功率的温度和应变系数。
[0017]
进一步地，在otdr中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤位置信息的测量,背向散射光的强度提供对光纤衰减的测量。
[0018]
进一步地，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应，即受激布里渊效应 (sbs)，两光束相互之间发生能量转移。
[0019]
进一步地，所述eom为光经电光调制器。
[0020]
进一步地，所述pc为偏振控制器。
[0021]
进一步地，布里渊谱不同频率成分的信号依次通过带通滤波器，对下变频器输出的不同频率信号进行洛伦兹拟合，频谱幅度的最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移，由频谱积分得到布里渊散射强度。
[0022]
通过本发明上述实施例，通过对布里渊频移和强度的测量来实现温度和应变的同时测量，由于布里渊频移与小范围温度变化存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度信息，实现分布型测量。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0024]
图1为本发明实施例的布里渊光纤传感系统流程图；
[0025]
图2为本发明实施例的光纤传感系统基本框图。
具体实施方式
[0026]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的
附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0027]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0028]
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0029]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
[0030]
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0031]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0032]
请参阅图1-2所示，基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，包括窄谱光源；
[0033]
窄谱光源发出的光经耦合器1输出，一部分光作为参考光，另一部分光经 eom调制成脉冲光，脉冲光经光放大器edfa1放大，由光纤光栅1滤除自发热辐射噪声后注入环形器2的端口1，经端口2被光纤光栅2全反射而从端口3输出，随即进入传感光纤；光在传播时产生的背向散射光由环形器2的端口4输出，再经光放大器edfa2及光纤光栅3滤除自发热辐射噪声，在光电检测器1中与参考光进行相干检测；为保证两路光的偏振态很好的匹配，在参考光路中加入 pc来扰乱光信号的线偏振态，光电检测器1输出的电信号只包括布里渊频移信号，直流及二次谐波分量均被滤除。
[0034]
进一步地，宽谱光源发出的光经光纤光栅2透射后从环形器2的端口3输出，经耦合器2注入传感光纤，瑞利散射光经分光比95:5的耦合器2进入光电检测器2，使用数据采集及处理单元对信号进行分析处理。
[0035]
进一步地，通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，就可以得到光纤的温度和应变信息，由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示为：
[0036][0037]
式中vvb表示布里渊散射的频移，vpb表示布里渊散射的强度，cvbz和cvbt 分别为布里渊散射频移的应变和温度系数，cpbz和cpbt分别为布里渊散射强度的应变和温度系数，vz表示光纤所受的应变，vt表示光纤的温度。
[0038]
进一步地，布里渊散射光的强度同样会受温度和应变的影响，有下式：
[0039][0040]
其中，
△
pb；为布里渊强度的变化，
△
t为温度变化量，
△
ε为应变变化量，cpε为布里渊强度应变系数，cpt为布里渊强度温度系数。
[0041]
进一步地，布里渊散射的频移、强度与温度、应变的定量、定性关系，建立如下关系模型：
[0042]
vb＝v
b0
+cv
t
δt+cvεδε
[0043]
pb＝p
b0
+c
pt
δt+c
p
εδε
[0044]
其中，vbo、pbo分别为参考温度、应变下的布里渊顿移和功率；
△
t和
△
ε分别为温度和应变的变化量；cvt、cvε、cpt、cpε分别为布里渊频移、功率的温度和应变系数。
[0045]
进一步地，在otdr中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤位置信息的测量，背向散射光的强度提供对光纤衰减的测量。
[0046]
进一步地，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应，即受激布里渊效应 (sbs)，两光束相互之间发生能量转移。
[0047]
进一步地，所述eom为光经电光调制器。
[0048]
进一步地，所述pc为偏振控制器。
[0049]
进一步地，布里渊谱不同频率成分的信号依次通过带通滤波器，对下变频器输出的不同频率信号进行洛伦兹拟合，频谱幅度的最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移，由频谱积分得到布里渊散射强度。
[0050]
本发明的有益之处在于：本发明通过对布里渊频移和强度的测量来实现温度和应变的同时测量，由于布里渊频移与小范围温度变化存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度信息，实现分布型测量。
[0051]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：包括窄谱光源；窄谱光源发出的光经耦合器1输出，一部分光作为参考光，另一部分光经eom调制成脉冲光，脉冲光经光放大器edfa1放大，由光纤光栅1滤除自发热辐射噪声后注入环形器2的端口1，经端口2被光纤光栅2全反射而从端口3输出，随即进入传感光纤；光在传播时产生的背向散射光由环形器2的端口4输出，再经光放大器edfa2及光纤光栅3滤除自发热辐射噪声，在光电检测器1中与参考光进行相干检测；为保证两路光的偏振态很好的匹配，在参考光路中加入pc来扰乱光信号的线偏振态，光电检测器1输出的电信号只包括布里渊频移信号，直流及二次谐波分量均被滤除。2.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：宽谱光源发出的光经光纤光栅2透射后从环形器2的端口3输出，经耦合器2注入传感光纤，瑞利散射光经分光比95:5的耦合器2进入光电检测器2，使用数据采集及处理单元对信号进行分析处理。3.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，就可以得到光纤的温度和应变信息，由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示为：式中vvb表示布里渊散射的频移，vpb表示布里渊散射的强度，cvbz和cvbt分别为布里渊散射频移的应变和温度系数，cpbz和cpbt分别为布里渊散射强度的应变和温度系数，vz表示光纤所受的应变，vt表示光纤的温度。4.根据权利要求3所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：布里渊散射光的强度同样会受温度和应变的影响，有下式：其中，δpb；为布里渊强度的变化，δt为温度变化量，δε为应变变化量，cpε为布里渊强度应变系数，cpt为布里渊强度温度系数。5.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：布里渊散射的频移、强度与温度、应变的定量、定性关系，建立如下关系模型：v
b
＝v
bo
+cv
t
δt+cvεδεp
b
＝p
bo
+c
pt
δt+c
p
εδε其中，vbo、pbo分别为参考温度、应变下的布里渊顿移和功率；δt和δε分别为温度和应变的变化量；cvt、cvε、cpt、cpε分别为布里渊频移、功率的温度和应变系数。
6.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：在otdr中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤位置信息的测量，背向散射光的强度提供对光纤衰减的测量。7.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应，即受激布里渊效应(sbs)，两光束相互之间发生能量转移。8.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：所述eom为光经电光调制器。9.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：所述pc为偏振控制器。10.根据权利要求1所述的基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，其特征在于：布里渊谱不同频率成分的信号依次通过带通滤波器，对下变频器输出的不同频率信号进行洛伦兹拟合，频谱幅度的最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移，由频谱积分得到布里渊散射强度。
技术总结本发明公开了一种基于布里渊光纤传感的温度及应力的解调方法、装置及系统，包括窄谱光源；窄谱光源发出的光经耦合器1输出，一部分光作为参考光，另一部分光经EOM调制成脉冲光，脉冲光经光放大器EDFA1放大，由光纤光栅1滤除自发热辐射噪声后注入环形器2的端口1，经端口2被光纤光栅2全反射而从端口3输出，随即进入传感光纤；光在传播时产生的背向散射光由环形器2的端口4输出，再经光放大器EDFA2及光纤光栅3滤除自发热辐射噪声，在光电检测器1中与参考光进行相干检测。对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度信息。息。
技术研发人员：郭亮 喻焕莉 杨小春
受保护的技术使用者：上海达琪智能科技有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/7/5
