布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉共同检测的传感装置

摘要

本发明公布了一种布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉共同检测的分布式光纤传感装置，能实现振动和温度（或应变）的同时测量。装置包括窄带光源、四个光耦合器、光放大器、光开关、两个光偏振控制器、两个光调制器、两个光电检测器、电子处理器。该传感装置通过共用光源、共用传感光纤将布里渊分布式光纤传感器和马赫曾德尔光纤传感结合在一起。利用布里渊传感测量温度（或应力），利用马赫曾德尔传感测量振动，实现装置的多参量测量，从而提高了光纤传感装置的性价比，拓宽了其应用场合。

说明书

技术领域

本发明涉及布里渊、马赫曾德尔分布式光纤传感器，属于光纤传感技术领域。 

背景技术

分布式光纤传感器由于其抗电磁干扰、耐腐蚀及电绝缘性等优点，可对被测物体进行一维无盲点的在线监测，有着广泛的应用前景。利用布里渊散射可以对温度（或变）进行长距离传感，利用马赫曾德尔干涉可以对振动进行长距离传感。例如专利101162158A公开了一种布里渊与拉曼散射相结合的分布式传感技术测量温度和应变，专利100588912C公开了一种光纤马赫曾德尔与迈克尔逊干涉相结合组合阵列干涉仪测量振动，专利101324443B公开了一种利用空分复用的马赫曾德尔级联式光纤干涉仪测量振动。而在现实环境中，一些应用场合需要对振动和温度（或应变）进行共同检测，如何实现这两种传感器的有机结合，即两传感器共用光源、传感光纤等光器件和电子处理器来实现双机理传感，是一个较难解决的技术难点。 

布里渊散射和马赫曾德尔干涉用到的都是窄带光源，并且布里渊光时域分析（BOTDA）技术需要双端检测，而马赫曾德尔干涉传感技术也需要双端检测，因此在此基础上可将两者有机结合。 

  

发明内容

本发明的目的是提供一种布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉共同检测的分布式光纤传感装置。 

一种布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉共同检测的分布式光纤传感装置，其特征是窄带光源、四个光耦合器、光放大器、光开关、两个光偏振控制器、两个光调制器、两个光电检测器、电子处理器。窄带光源发出光经光耦合器分为两路，一路输出与光调制器的输入端相连，光调制器的输出端与光放大器的输入端相连，光放大器的输出端与光偏振控制器的输入端相连，光偏振控制器的输出端与光耦合器的a端相连，光耦合器的c端与光纤的一端相连，光耦合器的d端与光开关的一端相连，光开关的另一端与光纤的一端相连，而光纤的另一端分别于光耦合器的a、b端相连，而光耦合器的c端与光纤一端相连，光纤另一端则与光耦合器的c端相连，光耦合器的a端与光电检测器的输入端相连，光耦合器的b端与光电检测器的输入端相连；光耦合器的另一路输出与光调制器的输入端相连，光调制器的输出端与光偏振控制器的输入端相连，光偏振控制器的输出端与光耦合器的b端相连，光电检测器的输出端分别与电子处理器的输入端相连。电子处理器对光调制器进行控制。 

所述的光调制器(3)可以为电光调制器或声光调制器，受电子处理器控制，在装置进行布里渊信号检测时进行光脉冲调制，使脉冲光进入传感光纤；而在进行马赫曾德尔干涉传感时，光调制器不进行光幅度调制。 

所述的光调制器(13)为射频电光调制器，受电子处理器控制，在装置进行布里渊信号检测时进行调制，使入射光产生频移后进入传感光纤；而在进行马赫曾德尔干涉传感时，调制器进行预调制或不进行光调制。 

所述的光开关(17)受电子处理器控制，在装置进行布里渊信号检测时断开，在进行马赫曾德尔干涉传感时则闭合。 

利用光纤布里渊散射测量温度、应变原理：在光纤中，布里渊散射光的频移与光纤中的有效折射率和超声声速有关，外界温度和应力的变化都能使有效折射率和超声声速产生变化，从而改变布里渊频移。所以只要检测布里渊散射光的频移就能得到温度或应力在光纤上的分布。布里渊频移的数学表达式为： 

                                                      (1)

v_B为布利渊频移；n为光纤纤芯折射率；v_a为声速；λ为泵浦光的波长。当泵浦光的波长λ=1.55um时，布里渊频移约为11GHz。

布里渊频移与外界温度、应变呈线性关系： 

                           (2)

其中：△V_B为布里渊频移变化量；△ε为应变的变化量；△T为温度变化量；C_vT为布里渊频移温度系数；C_τE为布里渊频移应变系数；C_vT、C_τE测量可得，在外界温度或应变不变时，根据布里渊频移可测得外界应变或温度的变化。

布里渊分布式光纤传感主要有光时域反射（BOTDR）和光时域分析（BOTDA）两种机理，这里采用光时域分析方式。 

信号光从光源进入光耦合器(2)后分为两路，一路为激励光，经光调制器(3)进行光脉冲调制后进入传感光纤(7)始端；另一路为探测光，经光调制器(13)进行调制产生约11GHz左右的频移，进入传感光纤(10)末端。 

光电检测器(15)检测的是探测光，其信号反映在一定频移下传感光纤各处的受激布里渊散射大小。 

当激励光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应，两光束相互之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。 

马赫曾德尔干涉的基本结构为光源经光耦合器(2)分为两路信号光，一路信号光经经光耦合器(6)分为两路，分别注入参考臂(9)和信号臂(7)，再经光耦合器(8)进入返回光纤(10)，由光电检测器(16)检测干涉信号，为正向光；另一路信号光经光耦合器(12)进入返回光纤(10)，再经光耦合器(8)进入传感光纤（包括参考臂、信号臂），由光电检测器(15)检测干涉信号，为反向光。正反两路光，形成环路。 

信号光在光纤的信号臂和参考臂中传输，信号臂用来感受外界振动，参考臂用来传干涉仪的另一路光。当有振动或者压力信号作用于光纤信号臂时，会引起信号臂光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，导致在其中传输的光波相位产生变化。同时，参考臂中传输的光波相位不发生类似变化，因此信号臂和参考臂内传输的两束光之间产生相位差，在汇合时将发生干涉，干涉光强的变化由光电探测器转化为电信号表现。 

根据光的干涉理论，两路光在任意点发生干涉时，该点光强为： 

                                     (3)

式中、分别为发生干涉两束光的光强，为两束光的相位差，外界振动会造成的变化，从而造成检测光光功率的变化。

由于是正反两束光输入，根据接收到两束光光强变化时的时间差，就可以确定发生振动的位置。 

设在信号臂Z处发生振动，则容易证明： 

                                       (4)

 式中L为信号臂长度，Ld为返回光纤长度，n为光纤纤芯折射率，c为真空中光速，△T为两个光电检测器的检测时间差。

本发明的优点在于：在同一器件系统中实现布里渊散射和马赫曾德尔干涉的光纤传感；能实现在同一器件中实现对振动和温度（或应变）的检测；能实现多参量长距离分布式传感。 

  

附图说明

图1为本发明的结构示意图。 

  

具体实施方式

参照图1，本发明为一种布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉共同检测的分布式光纤传感装置，包括窄带光源1、四个光耦合器2、6、8、12、光放大器4、光开关17、两个光偏振控制器5、14、两个光调制器3、13、两个光电检测器15、16、电子处理器11。窄带光源1发出光经光耦合器2分为两路，一路输出与光调制器3的输入端相连，调制器3的输出端与光放大器4的输入端相连，光放大器4的输出端与光偏振控制器5的输入端相连，光偏振控制器5的输出端与光耦合器6的a端相连，光耦合器(6)的c端与光纤(7)的一端相连，光耦合器(6)的d端与光开关(17)的一端相连，光开关(17)的另一端与光纤(9)的一端相连，而光纤7、9的另一端分别于光耦合器8的a、b端相连，而光耦合器8的c端与光纤10一端相连，光纤10另一端则与光耦合器12的c端相连，光耦合器12的a端与光电检测器16的输入端相连，光耦合器6的b端与光电检测器15的输入端相连；光耦合器2的另一路输出与光调制器13的输入端相连，光调制器13的输出端与光偏振控制器14的输入端相连，光偏振控制器14的输出端与光耦合器12的b端相连，光电检测器15、16的输出端分别与电子处理器11的输入端相连。电子处理器11对光调制器13、调制器3和光开关17进行控制。 

光调制器3采用电光调制器或声光调制器，光调制器13采用微波电光调制，产生约11GHz左右的频移。 

电子处理器控制两个光调制器的工作。进行布里渊散射测量时，电子处理器11控制光开关17断开，通过光调制器3产生脉冲光，光调制器13产生大约11GHz左右频移的光信号，最终布里渊信号经光耦合器6输出至光电检测器15，光电转换后进入电子处理器。进行马赫曾德尔干涉测量时，电子处理器11控制光开关17闭合，调制器进行预调制或不对光进行调制，正反两路直流光进入光纤，正向光经光耦合器12输出至光电检测器16；反向光经光耦合器6输出至光电检测器15，转换成电信号后进入电子处理器。 

  经测量得到布里渊散射光的频移，结合公式1，在外界温度或应变不变的情况下，可以测得外界应变或温度情况： 

                                                  (5)

                                                        (6)

对马赫曾德尔干涉的测量，根据公式3通过检测光功率信号的变化，可以反映出外界振动情况；根据公式4，通过测量两个光电检测器检测到光信号的时间差可以算出振动发生处位置。