[发明专利]一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术，具体涉及一种基于双波长的温度和应变同时测量的基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。

背景技术

分布式光纤传感器以光纤本身既作传感体又作传输介质,可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，可以比较容易实现长距离、分布式监测。如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网,实现对监测对象的全方位检测，克服传统点式检测漏检的弊端，提高检测的成功率。基于分布式光纤传感器的突出特点，它在油气管道监测、电缆状态监控、城市基础设施、大型建筑物的结构健康监控、火灾及山体滑坡预警以及飞机、轮船等的损伤监测等方面具有其它传感技术无法比拟的应用前景。在其二十多年的研究中，产生了一系列传感机理和测量系统，其中基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能够同时测量温度和应变两大参数，因其在温度、应变测量上具有高测量精度、大测量范围以及高空间分辨率等优势，吸引了国内外广泛的关注。

布里渊分布式光纤传感系统的一个关键问题是温度应变的交叉敏感，这是由于布里渊频移既对温度敏感又对应变敏感，在实验室测量中可以基本保持温度不变，比较准确地测量应变变化，但在实际的应用环境中这种情况难以实现。因此如何实现温度应变的同时测量吸引着众多研究者的兴趣。早期的一种解决方法是采用相邻的两段光纤，其中一段光纤处于无应力状态用来测量温度变化，另一段光纤则用来测试温度和应力的双重影响，两者结合便可同时解调出某一段区域的温度和应力变化，这种方法在实用中并不方便。进一步的研究表明布里渊散射光功率也随温度和应变变化，同时测量光纤的布里渊频移和功率分布就可实现温度和应变的同时传感。实际上由于影响因素不止应变和温度，比如弯曲损耗、接头、绞接、耦合或者附加光纤都会导致功率的变化，连续波的波动、激光脉冲功率的波动以及脉冲宽度的波动也会影响布里渊峰值功率。尤其布里渊增益的偏振敏感性也使得布里渊功率随偏振态变化随机起伏。因此，利用布里渊频移和布里渊功率进行温度应变的同时测量，精度不高。由于瑞利散射信号反映了光纤的损耗等特性但随温度变化不敏感，TR Parker等人引入布里渊散射和瑞利散射信号的强度比，即Landau-Placzec Ratio（LPR），利用LPR建立布里渊信号光功率与温度和应变的关系，有利于减少光纤微弯和接头损耗、光源波动等带来的误差，实现了温度和应变的同时传感。采用LPR确定温度或应变的难点在于如何将微弱的自发布里渊散射信号从总散射信号中分离出来，虽然LPR能够减少光源波动、光纤损耗等造成的测量误差，但是由PMD导致的光功率波动依旧无法消除。

单模光纤中布里渊光功率的波动主要由光纤的PMD引入的偏振态变化决定，使得功率测量精度存在很大的误差，进而导致基于布里渊功率和频移进行温度应变同时传感的测量精度不高。而保偏光纤（PMF）则不存在这个问题，假设PMF中温度应变系数沿光纤不变，并且光沿某一主轴注入，则其信号强度的波动主要由光源的功率波动导致。如果光源的功率波动可以忽略，就可准确测得温度应变变化导致的强度变化。实验还发现，当所用光源的频率稳定且线宽极窄时，布里渊频谱宽度和温度应变之间也有对应的关系，因此PMF中有三个量（Stokes强度、布里渊频移、布里渊线宽）可以用于实现温度应变的同时测量。光子晶体光纤（PCF）和大有效面积非零色散位移光纤（large-effective-area nonzero-dispersion-shifted fiber，LEAF）因其布里渊散射谱表现出多个峰值，通过测试主峰和某一次极大峰对应的布里渊频移值，可实现高精度的温度和应变同时测量。但这些特殊光纤，如PMF、PCF、LEAF等，价格昂贵，传感距离不长。

基于光纤中拉曼散射的温度敏感性和布里渊散射的温度应变敏感性，利用拉曼散射测温度，补偿布里渊频移的温度变化测应变，发展了基于拉曼和布里渊融合的分布式光纤温度应变传感器。然而这种方案涉及到拉曼散射和布里渊散射，系统结构以及信号处理较为复杂。

因此探索基于普通单模光纤的温度应变同时传感的布里渊分布式光纤传感系统依然具有重大的理论和现实意义。

发明内容

本发明要解决的问题就是在普通单模光纤中，仅利用布里渊频移实现温度应变的同时传感，既不需要测试布里渊散射光功率，又无需昂贵的特种光纤，同时仅仅基于布里渊散射。该方法测量精度高，容易实现。

本发明的原理是：依据布里渊频移与温度应变的线性关系，利用双波长法，即考虑采用两个波长差值较大的光源进行布里渊频移测量，根据各自的频移与温度应变系数，联立以下两个方程实现温度应变的同时传感：