[发明专利]基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体为一种基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法。

背景技术

大型基础设施的安全健康检测、及时发现故障隐患，对于防灾减灾、确保人民生命和国家财产安全等方面具有非常重要的意义。尤其是高速铁路、大型桥梁隧道、输油管道、电力通信网络和大型核电站等的不断建设和投入使用，对于大型基础设施的安全健康监测的需求更是不断增加。

大型工程的结构健康监测具有长距离，高精度、分布式等要求，传统的检测手段和点式传感器难以胜任。分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，可以满足大型基础设施结构健康监测的要求。例如分布式拉曼温度传感器广泛应用于大型电力设备和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式布里渊应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测等领域。相对于其他分布式光纤传感器，光纤布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)具有单端接入的优点，特别适合长距离传感场合。

BOTDR利用光纤自发布里渊散射光的频移受光纤所处环境的温度和应力影响，通过测量背向自发布里渊散射信号的频移可以得到光纤的温度或应变的分布情况，实现分布式温度或应变传感。但是，由于光纤中布里渊频移同时受到温度和应变的影响，存在交叉敏感问题，即仅由布里渊频移无法分辨出该频移是由温度还是由应变所引起的，难以实现多参量的同时传感，限制了BOTDR的实用性。目前解决BOTDR交叉敏感问题的方法主要有3种，第一种方法是同时测量布里渊散射光强和布里渊频移，需要测量的自发布里渊散射功率微弱，而系统中实际功率总有一定的波动，因此测量精度不高；第二种方法是利用特殊光纤（如大有效面积色散位移单模光纤）中多个布里渊峰的频移的方法，需要用到特殊光纤，所以成本较高；第三种方法是将温度和应变利用不同物理效应区分开，如融合拉曼和自发布里渊散射效应的方法，也可称为联合其他物理效应法，也需要使用特殊光纤，且要将两套传感测量装置组合，使得系统结构比较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于布里渊散射光时域反射的分布式光纤传感测量系统及测量方法，本系统的2个不同的激光器产生双波长入射光，由它们的布里渊散射谱得到两组不同的布里渊频移，再利用不同入射光波长其布里渊频移的温度和应变系数不相同的机制，在同一个分布式光纤传感测量系统中实现温度和应变的同时测量。

当光在光纤中传播时，由于入射光子与一个声子相互作用产生频率上移的布里渊反斯托克斯光子和频率下移的布里渊斯托克斯光子，这一布里渊频移可以表示成：

v_B=2nV_A/λ_P                                        (1)

其中v_B是布里渊频移，n是纤芯的折射率，V_A是纤芯中的声速，λ_p是入射光的波长。在相同的温度和应变下，布里渊频移与入射光波长的成线性反比关系，比例系数约为7.2MHz/nm，普通单模光纤对1550nm波段的自发布里渊散射谱宽为35-60MHz，当两入射光的波长差大于15nm，两束入射光的自发布里渊散射谱不发生重叠。

对于普通单模光纤，布里渊频移与传感光纤所处环境的温度和应变成直线关系，并且不同光波长的布里渊频移的温度系数和应变系数不一样，不同光波长的布里渊频移的温度系数和应变系数经由实验标定。双波长的入射光的波长分别为λ1和λ2，则有：