[发明专利]利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法

权利要求书

1.一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统，所述传感系统包括：光频域反射的分布式光纤传感装置，其特征在于，

所述传感系统用于实现高空间分辨率达到毫米级的分布式液体折射率测量；

所述传感系统包括：拉锥光纤，

基于所述拉锥光纤的锥形区域部分发生的背向瑞利散射模间干涉，进行折射率传感，通过锥形区域产生的较强倏逝波感知外界折射率的变化，改变所述拉锥光纤内背向瑞利散射传播的有效模式折射率；

将所述拉锥光纤置于液体中，通过所述分布式光纤传感装置，检测所述拉锥光纤的瑞利散射光谱的波长移动，分析所述波长移动，获取液体连续分布式的折射率分布状况；

其中，光频域反射的分布式光纤传感装置包括：可调谐激光器、1:99光分束器、计算机、GPIB控制模块、基于辅助干涉仪的时钟触发装置、主干涉仪，

时钟触发装置包括：探测器、第一50:50耦合器、时钟倍频电路模块、延迟光纤、第一法拉第转镜、第二法拉第转镜和隔离器；所述时钟触发装置用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描；

主干涉仪包括：50:50分束器、偏振控制器、环形器、第二50:50耦合器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、采集装置、参考臂和测试臂；

GPIB控制模块输入端与计算机相连；GPIB控制模块输出端与可调谐激光器相连；可调谐激光器与1:99光分束器的a端口相连；1:99光分束器的b端口与隔离器的一端相连；1:99光分束器的c端口与50:50分束器的a端口相连；隔离器的另一端与相连第一50:50耦合器的b端口相连；第一50:50耦合器的a端口与探测器2的一端相连；第一50:50耦合器的c端口与第一法拉第转镜相连；第一50:50耦合器的d端口通过延迟光纤与第二法拉第转镜相连；探测器的另一端与时钟倍频电路模块的输入端相连；时钟整形电路模块的输出端与采集装置的输入端相连；50:50分束器的b端口通过参考臂与偏振控制器的输入端相连；50:50分束器的c端口通过测试臂与环形器的a端口相连；偏振控制器的输出端与第二50:50耦合器的a端口相连；环形器的b端口与第二50:50耦合器的b端口相连；环形器的c端口与拉锥光纤相连；第二50:50耦合器的c端口与第一偏振分束器的输入端相连；第二50:50耦合器的d端口与第二偏振分束器的输入端相连；第一偏振分束器的输出端分别与第一平衡探测器的输入端、第二平衡探测器的输入端相连；第二偏振分束器的输出端分别与第一平衡探测器的输入端、第二平衡探测器的输入端相连；第一平衡探测器的输出端与采集装置的输入端相连；第二平衡探测器的输出端与采集装置的输入端相连；采集装置的输出端与计算机相连；

可调谐激光器用于为光频域反射系统提供光源，其光频进行线性扫描；隔离器防止辅助干涉仪中第一50:50耦合器的b端口的反射光进入激光器；延迟光纤用于实现非等臂的拍频干涉，根据拍频和延迟光纤长度得到光频；第一法拉第转镜和第二法拉第转镜用于为干涉仪提供反射，且消除干涉仪的偏振衰落现象；第二50:50耦合器完成对信号进行偏振分束，消除偏振衰落噪声的影响；计算机对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光频域反射中利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的光纤传感。

2.根据权利要求1所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统，其特征在于，所述拉锥光纤为细径光纤经过拉锥机拉制而成。

3.根据权利要求2所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统，其特征在于，所述拉锥机拉制具体为；拉伸速度为200μm/s，氢氧焰往复距离为2000μm，往复速度为360μm/s，光纤伸长量为100000μm，锥区直径为4μm。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统，其特征在于，所述高空间分辨率达到5mm的分布式液体折射率测量，灵敏度达到68.52nm/RIU。

5.一种用于权利要求1所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

在主干涉仪中由拉锥光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应拉锥光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取拉锥光纤的各个位置形成本地距离域信息；

参考信号和测量信号都利用移动窗选取拉锥光纤的本地距离域信息，将本地距离域信息补零，补零数量是补零前本地距离域数据长度数倍，然后将补零后本地距离域信息利用复数傅里叶反变换、再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行光谱波长移动估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱波长移动，瑞利散射光谱波长移动与液体折射率变化量成正比，通过互相关峰移动量即反映液体折射率变化量。