[发明专利]一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统及测量方法

说明书

本发明一种高空间分辨率温度应变光纤传感系统及测量方法，属于分布式光纤传感技术领域；解决了分布式光纤传感过程中的温度和应变交叉敏感问题；在单模光纤利用布里渊散射和瑞利后向散射来同时测量温度和应变，将布里渊光频域分析原理和瑞利光频域反射原理结合，实现布里渊频移和后向瑞利散射波长漂移同时测量，最终基于两个物理量对于温度和应变灵敏系数的不同，实现温度应变的同时传感，本发明采用光频域测量方法，可以基于单根光纤实现高空间分辨率温度和应变同时传感。

技术领域

本发明涉及光纤传感系统，属于分布式光纤传感技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统及测量方法。

背景技术

当光在光纤中传输时，外界环境中温度、应变或者电磁场等物理场的变化会改变传输光的光强、波长、相位、频率、偏振态等参数。通过监测传输光的参数变化可以解调出物理场参量的变化，即用光纤实现传感物理量传感。相比于传统的传感技术，光纤传感技术具有灵敏度高、质量轻、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、传输容量大、寿命长等优势，从而可以广泛应用于工程和生活各个领域，如交通隧道、桥梁建筑、石油管道、煤炭矿井等重要基础设施的安全监测。

分布式光纤传感温度和应变传感技术在工业监测中应用广泛。然而，依托单一光学参量的传感系统多数难以实现温度和应变共同传感，有的甚至存在交叉敏感问题，在实际监测时会引入误差，导致温度和应变的变化无法区分。随着特种光纤的应用以及基于其他散射机理传感等技术的发展，温度应变交叉敏感问题得到了一定的解决，但难以保证较高的空间分辨率，在诸如航天器内部链路诊断、医疗器械结构形变监测等需要短距离、高空间分辨率的场合存在应用瓶颈，亟需一种高空间分辨率温度应变同时传感方案。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高空间分辨率温度和应变光纤传感系统，包括基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统和基于瑞利散射光频域反射的温度应变采集系统，所述基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统包括窄线激光器、第一光纤耦合器、探测光路和泵浦光路、传感光纤、第二波分复用器、矢量网络分析装置，所述窄线激光器将发出的1310nm的窄线激光源信号经过第一光纤耦合器分为两路，一路作为探测光进入探测光路，将探测光经过处理后进入传感光纤，另一路作为泵浦光路，将经过电光调制后的泵浦光输入矢量网络分析装置进行测量解调，随后将经过解调的泵浦光处理后再进入第二波分复用器后出射进入传感光纤进行受激布里渊过程，在光纤中经过受激布里渊过程后，探测光携带SBS信息经过传感光纤后再经过处理进入矢量网络分析装置测量，得到传感光纤的基带传输函数；

所述基于瑞利散射光频域反射的温度应变采集系统包括可调谐激光器、第三光纤耦合器、主干涉系统和辅干涉系统，所述可调谐激光器将1550nm的激光信号经过第三光纤耦合器分为两路出射，其中一路进入主干涉系统进行处理后输出后向瑞利散射光，其中基于布里渊散射光频域的温度应变采集系统的探测光和泵浦光路均进入主干涉系统，另一路进入辅干涉系统。

还包括数据采集系统，所述主干涉系统和辅干涉系统出射的光路均进入数据采集系统，所述数据采集系统采集到参考数据和测试数据之后，数据处理软件通过快速傅里叶算法将数据从光频域映射到距离域，在距离域使用滑动窗口选择一小段测试光纤的距离域信息，通过反快速傅里叶算法将距离域的信息映射到光频域，并且在光频域使用互相关算法解调出这一小段光纤温度或者应力变化前后的后向瑞利散射谱波峰偏移量，最后根据波峰的偏移量计算出这一小段光纤的温度或者应变的变化量。