[发明专利]基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及基于高光谱分辨技术的光纤温度和应力传感装置及方法。

背景技术

基于布里渊散射的光纤传感技术具有连续分布式、长距离、高精度的测量特点，特别适用于如大型土木工程、光纤通信、石油化工、电力工业等大范围、长距离、高危险领域的结构健康监测。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有三大类：光时域方法、光频域方法和光相干域方法。光时域方法是利用窄脉冲的发射和接收时间差与光速乘积来定位散射信号的位置和距离，其可分为两大类：布里渊光时域分析仪(BOTDA)和布里渊光时域反射计(BOTDR)。BOTDA是在光纤两端分别输入脉冲光和连续探测光，通过调节两者的频率差使连续探测光经受激布里渊放大后的功率达到最大，寻找最大功率位置所对应的频率差便可得到布里渊频移。在BOTDR技术中，传感光纤在单端输入的脉冲光作用下产生自发后向布里渊散射光，通过对布里渊散射谱信号进行探测以反演光纤中的温度和应变信息。

BOTDR于1986年由Tkach等人提出。1992年Kurashima等人报道了第一个BOTDR实验系统，为了相干接收检测微弱的自发布里渊散射信号，采用了两个1320nm波长的Nd:YAG激光器分别提供脉冲泵浦光和本振光。该系统对于11km长的光纤获得了100m空间分辨率和3.6MHz的布里渊频移精度，对应温度和应变精度分别为3K和。1993年Shimizu等人提出了采用一个1.5μm波长激光源同时提供脉冲泵浦光和本振光光源的BOTDR。因BOTDR对应力、应变很敏感，且具有较好的线型关系，国际上一些机构，如日本NTT、加拿大ISIS、瑞士SMARTTECH等开展了大量BOTDR应变测量的应用研究，取得了良好效果。如日本的Kihara M.等人采用BOTDR系统监测河堤的塌陷位移。BOTDR技术可用于监测海底通信光纤光缆的应变，地震破坏的检测，确定冰冻通信光缆应变。BOTDR系统已开始应用于混凝土横梁，铁路桥基中混凝土墩的加载试验、大型混凝土管、游艇艇体损伤探测、河流防洪堤混凝土结构的应变分布实验测量。

上述BOTDR采用相干检测及微弱信号处理技术。这不仅增加了信号检测和处理的难度和复杂性，影响测量精度，也使整个系统费用增加。

发明内容

光散射是一种常见的光与粒子作用而产生的现象。光纤中散射光包含瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射是最主要的散射现象，它主要由光纤制造过程中材料缺陷或密度波动导致的。拉曼散射是入射光和分子振动(光学声子)相互作用下产生的，拉曼散射光频率存在多普勒频移，当入射光波长在1550nm附近时，频移量约13THz。其能量大概比瑞利散射小约30dB。布里渊散射是入射光和介质声波(声学声子)相互作用下产生的，因此，散射光频率量与光纤中的声波速度有光。当入射光波长在1550nm附近时，频移量为11GHz左右。

参见图1，光纤中后向瑞利散射和后向布里渊散射关于入射光呈对称分布。其中，散射光中频率变大的部分称为反斯托克斯，频率变小的部分为斯托克斯。光纤中的后向布里渊散射强度较后向瑞利散射低20dB到30dB，布里渊散射与瑞利散射距约11.2GHz，布里渊散射谱的半高全宽在30MHz至60MHz之间。因此，为了从后向散射光中直接提取小频移量、线宽几十MHz的微弱布里渊散射信号，对滤波器滤波性能、鉴频器的鉴频精度和探测器性能要求严格。

相干检测中，必须通过频率扫描，同时检测布里渊散射的功率、谱宽、频移三个物理量中的任意两个，然后可以分别反演温度和应力信息。因为布里渊后向散射功率受多种因素干扰，研究认为使用熊猫型保偏光纤，同时检测布里渊散射谱的频移和谱宽变化可以达到布里渊光时域反射计技术的最高精度。

布里渊散射谱的频移是传感光纤所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为υ_B(T,ε)，且