[发明专利]超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感系统和方法

说明书

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感系统和方法，系统包括脉冲激光源和混沌激光源，混沌激光源与所述第一耦合器输入端连接，第一耦合器的输出端分别与第二耦合器的一个输入端和第二光电探测器连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器的输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的两个输出端分别与传感光纤的两端连接，波分复用器的第三端口与第一光电探测器连接；本发明通过混沌脉冲激光和不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中产生的反斯托克斯光，计算温度和应变信息，提高了传感距离和空间分辨率。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感系统和方法，其基于混沌脉冲激光与差分脉冲激光进行测量，具有长距离、高空间分辨率及高测量精度。

背景技术

分布式光纤拉曼传感系统可以实现连续的分布式温度监测，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、防火防爆等优点。在传感光纤中，脉冲激光在光纤中传播会产生斯托克斯光与反斯托克斯光这两种拉曼散射信号，其中，反斯托克斯信号更容易受到温度的影响，对温度更敏感。因此可以将斯托克斯光和反斯托克斯光用以温度解调，实现光纤沿线分布式温度监测。目前分布式光纤温度传感器的应用前景十分广阔，主要应用于煤矿、隧道、危险品仓库、高层建筑、桥梁、高速公路等灾害性检测、防护及报警等领域。

但是由于分布式光纤拉曼传感系统的探测信号为脉冲信号，光源的脉宽限制了系统的空间分辨率性能，降低光源的脉冲宽度可以提高系统的空间分辨率，但同时也会影响到系统的信噪比，降低系统的传感距离。因此，目前的分布式光纤拉曼传感器的空间分辨率还无法突破1m的限制。由于自发拉曼散射对入纤光功率的最大值有限制，随着传感距离的增加，系统信噪比下降，因此难以实现超过100km的传感距离。此外由于分布式温度传感系统的传感距离和测量精度主要依赖于温度解调方法，目前，温度解调方法有单路解调及双路解调，单路解调方法是利用拉曼反斯托克斯背散射光通过传感光纤来确定温度。双路解调方法是利用反斯托克斯反散射光与瑞利或斯托克斯反散射光的比值来解调温度。以上方法都是仅将传感光纤的一端连接到分布式温度传感系统，然而，这种解调方式的测量结果受外界影响较大。此外，目前的分布式光纤拉曼传感技术还无法实现温度和应变的同时监测。

基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤拉曼传感装置及方法，以解决现有分布式光纤拉曼传感系统无法同时提高空间分辨率、传感距离、测量精度以及无法同时测量温度和应力的问题。

发明内容

为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率难以突破1m、传感距离难以突破100km、测量精度受外界影响较大以及系统无法同时实现温度和应变这两个参量的连续分布式测量的技术难题，本发明提出了一种基于差分脉冲激光与混沌激光融合的分布式光纤拉曼传感装置及方法，以实现对光纤沿线温度及应变这两种参量进行同时协同监测，并实现100km长距离光纤沿线的毫米量级空间分辨率测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超长距离的高空间分辨率拉曼光纤双参量传感系统，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关、第一耦合器、第二耦合器、波分复用器、第二光开关、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡和计算机；

所述混沌激光源的输出端与所述第一耦合器输入端连接，第一耦合器的输出端分别与第二耦合器的一个输入端和第二光电探测器连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器的输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的两个输出端分别与传感光纤的两端连接，波分复用器的第三端口与第一光电探测器连接；

第一光电探测器、第二光电探测器的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端与计算机连接；所述传感光纤的一端设置于恒温槽中；