[发明专利]测量光纤中温度和应力的方法、以及布里渊光时域反射仪

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种测量光纤中温度和应力的方法、以及布里渊光时域反射仪。

背景技术

布里渊散射是指光通过介质时，由无规则热运动激发的如声子或磁振子引起的非弹性散射。布里渊散射光相对于入射光会发生频移，在光纤中，温度和应力均能引起布里渊散射频移的改变，因此作为光纤传感，如果能够监测布里渊频移的变化，则可以测量温度和应力的变化。

布里渊光时域反射仪(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer，BOTDR)是基于上述原理，被广泛应用于隧道、桥梁、大坝、边坡等工程领域，进行各类构筑物应变和温度测量的尖端设备。其与常规的监测设备相比，具有分布式、长距离、实时性、精度高、抗干扰和耐久性等诸多优点。目前，布里渊光时域反射仪通常的工作过程是：激光光源生成的激光被被分为两束，一束作为布里渊激光器的泵浦光，用于形成本振光；另一束则用于生成脉冲探测信号，并将该脉冲探测信号输至传感光纤，生成布里渊散射光；将本振光和布里渊散射光进行耦合（即相当检测），使布里渊散射光的中心频率移至几百MHz级别；然后对改变了频率的布里渊散射光的进行检测，并通过布里渊频移和布里渊散射功率求得传感光纤中的应变和温度。但是，上述仅是比较理想的模型，但实际应用中由于弯曲损耗、接头损耗、耦合损耗、输入激光功率的波动以及脉冲宽度的波动等因素都会导致功率的变化，而且光的偏振变化对其功率测量也是一个不容忽视的不利影响因素。因此采用布里渊频移和布里渊散射功率求应变和温度的方式，测得的应变和温度存在较大误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测量光纤中温度和应力的方法、以及布里渊光时域反射仪，可以减小应变和温度的测量误差，提高测量精度。

本发明提供的一种测量光纤中温度和应力的方法，包括步骤：

a、将激光器发出的光分为两束，一束通过脉冲调制得到探测脉冲并进入传感光纤，另一束通过布里渊激光器形成本振光；

b、进入传感光纤的探测脉冲经过布里渊散射后得到的布里渊散射光又被分成两束光，一束与本振光相干检测，另一束从中分离得到瑞利散射光；

c、分别对瑞利散射光和相干检测后得到的布里渊散射光进行检测，得到布里渊散射信号和瑞利散射信号，并通过将布里渊散射信号和瑞利散射信号相比较的方式计算光纤中空间位置x分别与温度和应力的对应关系。

进一步，所述步骤c中，采用如下两式：LPR=LPR₀+C_PT△T+C_Pε△ε和v_B=v_B0+C′_vT△T+C′_vε△ε，计算空间位置x分别与温度和应变的对应关系；

其中，v_B为布里渊散射谱中心频移，LPR₀表示无应变和温度影响时的功率比值，C_PT、C_Pε分别表示功率比值与温度、应变系数，v_B0表示无应变和温度影响时的频移值，C′_vT、C′_vε分别表示频移值与温度、应变系数。

进一步，所述步骤c中，在通过将布里渊散射信号和瑞利散射信号相比较的方式计算光纤中空间位置x分别与温度和应力的对应关系之前，通过布里渊散射谱反演法计算空间位置x与v_B的对应关系。

相应的，本发明还提供了一种布里渊光时域反射仪，包括：光源组件、第一光路组件、第二光路组件、第一耦合组件和探测与处理组件，所述光源组件用于生成两束激光，一束通过所述第一光路组件输至传感光纤形成布里渊散射光，另一束通过第二光路组件形成本振光，所述第一耦合组件将所述布里渊散射光和本振光耦合至所述探测与处理组件，还包括：第二耦合组件，所述第二耦组件位于所述第一光路组件和第一耦合组件之间，用于将所述第一光路组件输出的布里渊散射光分为两束，一束输至所述第一耦合组件，并从另一束中取出瑞利散射光并由所述探测与处理组件接收，所述探测与处理组件根据接收的布里渊散射光信号与瑞利散射光信号，计算所述传感光纤中温度和应力分别与传感光纤的空间位置x的对应关系。

进一步，所述探测与处理组件包括：

处理器，用于依次对接收的布里渊散射光信号进行数字信号处理和布里渊散射谱反演，得到布里渊散射谱中心频移v_B与空间位置x的对应关系；以及，用于：