[发明专利]一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置，尤其是涉及一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置。

背景技术

分布式光纤传感器在电力、桥梁、大坝、石化等重要基础设施的安全监测中有重要应用。与基于拉曼散射的分布式光纤传感器相比，基于布里渊散射的分布式光纤传感器的测量距离更长、测量精度更高，并且实现温度和应力测量，因此该产品自问世以来备受人们关注。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器有两种类型：布里渊光时域反射技术（Brillouin Opitcal Time Domain Reflection，BOTDR）和布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）。其中BOTDR为单端测量，结构简单，但其探测的是微弱的自发布里渊散射光，难以实现长距离、高精度测量；BOTDA则为双端测量，探测的是较强的受激布里渊散射光，其测量距离与精度优于BOTDR，是目前最具应用前景的光纤传感器。典型的BOTDA的系统结构如图1所示，包括探测光源，泵浦光源，耦合器1，耦合器2，耦合器3，外调制器，扰偏器，环形器，频率测量模块，信号探测模块，传感光纤。其中探测光源和泵浦光源的波长非常接近，其典型的频率差约为9~16GHz，探测光源和泵浦光源分别经耦合器1、耦合器2分出部分光后进入耦合器3，并由频率测量模块实现探测光源和泵浦光源的频率差的测量，外调制器一般采用电光调制器，用于产生脉冲光信号，扰偏器用于消除偏振的影响，脉冲光和泵浦光相对向入射至传感光纤，布里渊散射信号经环形器后由信号探测模块测量。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器是利用光纤布里渊背向散射效应研制的。光纤中的布里渊散射效应是注入光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合作用而产生的一种非线性光散射现象，其中布里渊频移v_B与波长λ、声速v_A和折射率n与的关系式为：

vB=2nvAλ---(1)]]>

当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速v_A和光的折射率n都会随之变化，从而使布里渊频移v_B发生变化。布里渊频移变化量与环境温度、光纤应变成线性关系：

Δv_B=C_εΔε+C_TΔT        （2）

式中Δv_B为布里渊频移变化量，Δε为光纤轴向应变，ΔT为光纤温度，C_ε和C_T分别为布里渊散射频移的应变和温度系数。布里渊散射频移的应变和温度系数C_ε和C_T除了与光纤结构有关，还与激光波长有关，并且激光波长差异越大，则布里渊散射频移的应变和温度系数差异越大。