专利名称：基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法
技术领域：
本发明涉及一种利用布里渊光时域反射系统同时测量温度和应变的方法，属于测量技术领域。
背景技术：
布里渊分布式光纤温度和应变同时测量技术具有只需一次测量即可获取沿整个光纤被测场分布信息、测量精度高、定位准确、距离可达数十公里等独特优点，在电力、石油、建筑和水利等行业大型工程结构健康状况在线监测和故障点定位中应 用前景广阔。布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, B0TDR)是一种基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统，该系统利用传感光纤中后向布里渊散射光的频移和强度与温度和应变的线性变化关系，结合光时域反射技术，可实现温度和应变的同时测量。BOTDR凭借单端测量、装置简单、实际工程应用方便等优点，已经在很多大型基础工程设施的温度与应变在线监测和健康诊断中得到广泛的应用。在BOTDR传感系统中，自发布里渊散射信号的频移和强度受光纤所处环境的温度和应变影响，为了获得传感光纤上各处的温度和应变信息，须先将探测脉冲光注入传感光纤，然后在同一端测量光纤各处布里渊散射信号的频移和强度。接收端光电检测器在不同时刻获得的散射光谱与光纤上不同位置处的布里渊散射光对应。由于布里渊散射光的频率高达IO14 Hz数量级，一般采用光学外差方法将布里渊散射光谱信号的频率降至光电检测器可响应的射频或中频频率范围内进行检测。外差检测所得布里渊信号频移约为11GHz，需用微波下变频器将其变换至较低频段，并通过扫描微波本振频率的方式对整个布里渊散射谱进行扫描，实现布里渊频移和强度的测量。调节本振频率来改变差频信号的中心频率，得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到每一点的布里渊谱；布里渊谱强度最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移，对谱积分可得该点的布里渊强度。利用布里渊散射光的频移和强度与温度和应变的线性变化关系，即可获得沿传感光纤任一位置处的温度和应变信息。BOTDR系统中自发布里渊散射光信号非常微弱，故检测难度较大；另外，由于受声子寿命的限制，系统空间分辨率和测量精度相互制约，无法同时提高。根据文献调研，YaheiKoyamada等人于2007年提出双脉冲(Double Pulse,DP) BOTDR技术，通过单个声波产生的后向布里渊散射光的相干特性同时提高布里渊频移测量精度和系统空间分辨率，实现了空间分辨率20 cm、测量精度土 I °C
和土 20 μ ε的温度或应变的分别测量。所述方法虽克服了系统空间分辨率和测量精度
之间的矛盾，但不能实现温度和应变的同时测量，且未能有效地提高系统信噪比，限制了整个系统的传感距离
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之弊端，提供一种可同时提高传感距离和测量速度，克服系统空间分辨率和测量精度之间的矛盾，应用于长距离温度和应变传感的基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法。本发明所述方法是以下述技术方案实现的
一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，所述方法采用一个测量系统进行，所述测量系统包括窄线宽激光器、保偏耦合器、光耦合器、由阶梯脉冲发生器驱动的光调制器、光放大器、两个光栅滤波器、环行器、光电检测器、布里渊频移和强度检测单元及传感光纤；所述保偏耦合器的第一光口接激光器，第三光口依次经光调制器、光放大器、第一光栅滤波器接环行器的第一光口，环行器的第二光口接传感光纤，第三光口经第二光栅滤波器接光稱合器的第一光口，保偏稱合器的第四光口接光稱合器的第二光口，光稱合器的第三光口经光电检测器接布里渊频移和强度检测单元。所述测量系统按如下方式进行测量 窄线宽激光器发出的连续光经保偏耦合器后分成两路，一路作为本振光，经光耦合器进入光电检测器；另一路作为探测光，经光调制器调制为阶梯脉冲光宽度为、传感脉冲光宽度为^的阶梯光脉冲后，再经光放大器、第一光栅滤波器和环行器注入传感光纤，得到的布里渊散射光进入第二光栅滤波器进行滤波，本振光和滤波后的布里渊散射光信号经光电检测器外差后产生布里渊散射谱电信号，布里渊频移和强度检测单元对该信号进行处理，即可获得传感光纤上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。上述基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，所述布里渊频移和强度检测单元由下变频器、带通滤波器、低通滤波器、两个检波器、高速数据采集卡和计算机组成，所述下变频器的输入端接光电检测器的输出端，其输出信号分成两路，一路依次经带通滤波器和第一检波器进入高速数据采集卡的第一通道，另一路依次经低通滤波器和第二检波器进入高速数据采集卡的第二通道，所述高速数据采集卡的输出端接计算机。所述布里渊频移和强度检测单元按如下方式进行测量
调节下变频器中频率综合器的频率来改变差频信号的中心频率，使布里渊谱不同频率成份的信号依次通过带通滤波器，再通过第一检波器将布里渊谱不失真地搬移至低频，进而得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到预泵浦脉冲产生的布里渊散射谱，布里渊谱强度最大点对应的频率便为该散射点的布里渊频移；调整下变频器中频率综合器的输出频率，以改变本振与散射信号的差频信号的中心频率，使布里渊谱完整地通过低通滤波器，再由第二检波器将布里渊谱不失真地搬移至低频，可得整个光纤上的布里渊散射谱，即预泵浦脉冲和传感脉冲产生的布里渊散射谱的合成谱，从而可得到光纤上每个散射点的布里渊强度，利用布里渊频移和强度与温度和应变的线性变化关系，经过系统标定，即可获得传感光纤上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。上述基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，为了降低布里渊散射光偏振态变化对外差检测的影响，在保偏耦合器和光耦合器之间加入扰偏器。上述基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，所述的阶梯脉冲发生器包括T型连接器、信号合成器及两个脉冲信号发生器，第一脉冲信号发生器的输出端接T型连接器的输入端，T型连接器的第一输出端接第二脉冲信号发生器的输入端，第二脉冲信号发生器的输出端接信号合成器的第一输入端，T型连接器的第二输出端经时间延迟器接信号合成器的第二输入端，信号合成器的输出端接光调制器的射频端。所述阶梯脉冲发生器按如下方式生成脉冲首先由第一脉冲信号发生器产生一个宽度小于声子寿命的电脉冲，该电脉冲经T型连接器后分为两路，其中一路作为第二脉冲信号发生器的触发信号，当该触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽度大于声子寿命且幅值低于传感脉冲的脉冲信号，并将该脉冲信号送到信号合成器的第一输入端，T型连接器第二输出端的脉冲信号经时间延迟器延时后进入信号合成器的第二输入端，由信号合成器将其两输入信号合成为一个阶梯电脉冲并送入光调制器的射频端。上述基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，所述光调制器也可以由两个首尾相接的铌酸锂光强度调制器来代替，首先利用第一铌酸锂光强度调制器的工作点(直流偏置电压)来确定预泵浦脉冲光的幅值；随后通过控制电脉冲宽度来决定传感脉冲光的宽 度；最终通过控制第二铌酸锂光强度调制器的脉冲宽度确定阶梯脉冲光的宽度。本发明采用脉冲预泵浦的调制方式，通过预泵浦脉冲和传感脉冲之间的受激布里渊散射作用实现布里渊散射谱的整形和传感信号的放大，可在不降低系统测量精度的前提下，提高测量空间分辨率，同时也可提高系统信噪比，增加传感距离，减少测量时间。
下面结合附图对本发明作进一步说明。图1为本发明所提供的测量系统原理图2为入射阶梯光脉冲及BSS整形原理的示意图3为传感脉冲和自发布里渊散射信号SBS作用的能量转移示意图4和图5分别为阶梯光脉冲的两种产生方式的原理示意图。图中所用标号清单为LD、窄线宽激光器，Cl、保偏耦合器，C2、光耦合器，SPG、阶梯脉冲发生器，Ε0Μ、光调制器，E0M1、第一铌酸锂光强度调制器，E0M2、第二铌酸锂光强度调制器，EDFA、光放大器，0C、环行器，GFl、第一光栅滤波器，GF2、第二光栅滤波器，H)、光电检测器，FUT、传感光纤，PS、扰偏器，FC、下变频器，BPF、带通滤波器，LPF、低通滤波器，D1、第一检波器，D2、第二检波器，DAQ、高速数据采集卡，PC、计算机，TDU、布里渊频移和强度检测单
具体实施例方式本发明的技术方案是由窄线宽激光器LD发出的光经保偏f禹合器Cl输出，一路光作为本振光，另一路光经光调制器(Electro-Optic Modulator, E0M)调制成阶梯光脉冲。宽度大于声子寿命的预泵浦脉冲光首先进入传感光纤FUT预激发声波，并产生自发布里渊散射信号，而宽度小于声子寿命的传感脉冲光频率保持不变，传感脉冲光将通过受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)作用对预泵浦脉冲光产生的自发布里渊散射进行放大，返回入射端的布里渊散射谱(Brillouin Scattering Spectrum, BSS)则由谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS和谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS叠加而成，从而实现了 BSS的整形。本振光和布里渊散射光信号经光电检测器H)外差后产生布里渊散射谱电信号，输出信号只包含外差后的布里渊频移信号，直流及二次谐波分量均被滤除。因布里渊频移约为11 GHz，不便直接进行精确的信号处理，故由下变频器FC将其变换至较低频段，系统采用扫描微波本振频率和电域移频的方法实现布里渊频移和强度的同时测量。调节下变频器FC中微波频率综合器的频率来改变差频信号的中心频率，使布里渊谱不同频率成份依次通过中心频率固定的带通滤波器BPF，再通过第一检波器Dl将布里渊谱不失真地搬移至低频，进而得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到每一点的谱宽很窄的BSS，BSS强度最大点对应的频率便为该散射点的布里渊频移。调整频率综合器的输出频率，以改变差频信号的中心频率，使布里渊谱完整地通过低通滤波器LPF，再由第二检波器D2将布里渊谱不失真地搬移至低频，可得整个光纤上的布里渊散射谱，即谱宽很窄的BSS和谱宽很宽的BSS的合成谱，从而可得到光纤上每个散射点的布里渊强度。为了消除偏振衰落,在本振光路中加入扰偏器(Polarization Scrambler, PS)来扰乱本振光的偏振态，以减小由偏振不匹配带来的信号起伏。本发明中阶梯光脉冲的产生方案如下
(I)通过合成两个不同宽度、不同幅值的电脉冲产生阶梯光脉冲。第一脉冲信号发生器产生一个窄脉宽、高功率的电脉冲，经T型连接器分成两路。其中一路作为触发信号输入到第二脉冲信号发生器，当触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽脉宽、低功率的电脉冲。另一路窄脉冲信号经过一定时间的延迟(通常为阶梯脉冲宽度和传感脉冲宽度之差，以保证预泵浦脉冲和传感脉冲的严格同步)与宽脉冲一同输入信号合成器合成一个阶梯电脉冲。将该阶梯电脉冲输入光调制器EOM的射频端，同时通过偏压系统控制光调制器EOM直流偏置工作点的漂移，即可调制出传感系统中所需的阶梯光脉冲。(2)利用两个铌酸锂光强度调制器产生阶梯光脉冲。首先利用第一铌酸锂光强度调制器EOMl的工作点(直流偏置电压)来确定预泵浦脉冲光幅值Cp的电平；随后通过控制电脉冲宽度和幅值来决定传感脉冲光的宽度D和幅值Ap ;最后通过控制第二银酸锂光强度调制器E0M2的电脉冲宽度确定阶梯脉冲光的宽度Dpm。为了不使影响位置信息的脉冲宽度的响应扩散，使传感脉冲光的平均功率与预泵浦脉冲光的平均功率为某个特定的比值。本发明的特点
(I)提供SBS放大和BSS整形
当带有一段预泵浦的脉冲光注入传感光纤FUT时，宽度大于声子寿命的预泵浦脉冲将预激发声波，并产生自发布里渊散射信号，而宽度小于声子寿命的传感脉冲的频率保持不变。传感脉冲与自发布里渊散射信号的频率差为布里渊频移，此时传感脉冲将通过SBS作用放大预泵浦脉冲产生的自发布里渊散射信号，这样，返回入射端的BSS则由谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS和经放大后的谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS叠加而成，从而实现了 BSS的整形。(2)无单端 SBS
阈值特性是受激布里渊散射的重要特性之一，当且仅当入射光功率超过一定的激励阈值后，单端SBS才会发生。为了提高BOTDR系统的信噪比，希望获取尽可能高的入纤光功率，然而，注入超过阈值更多的能量并不能带来传感信号能量的增加，相反会使光在传感光纤FUT中传输时大量损耗,且系统中的相干噪声和偏振噪声增强，信号振荡明显，接收信号的质量降低。本发明中选取合理的预泵浦脉冲和传感脉冲宽度和幅度，使入射光功率小于传感光纤FUT的受激布里渊散射阈值，不产生单端SBS，因此，系统中的相干噪声和偏振噪声小。(3)降低泵浦耗尽效应
当阶梯光脉冲注入传感光纤FUT时，预泵浦脉冲将预激发声波，并产生频率为Vij-Vb和^ +Vj的斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(ant1-Stokes)光,而传感脉冲的频率义保持
不变。在ant1-Stokes光和传感脉冲的SBS作用过程中，能量由ant1-Stokes光转移至传感脉冲，而在Stokes光和传感脉冲的SBS作用过程中，能量由传感脉冲转移至Stokes光,整个作用过程中传感脉冲的能量减少量很小。在长距离光纤传感中，传感脉冲光的能量主要因光纤损耗而减小，降低了泵浦耗尽效应。(4)漏光产生的SBS效应小 系统中EOM的消光比有限，使得系统的背景噪声增加，且已调脉冲光中包含泄漏的连续光。由于漏光的参与，在BOTDR系统中还会存在漏光与传感脉冲产生的自发布里渊散射之间的SBS效应。本发明中选定消光比足够高的光调制器Ε0Μ，以减小系统背景噪声及漏光产生的SBS效应对系统的影响。(5)非本地效应的影响小
非本地效应是由于泵浦光和探测光的能量转换累积而引起的，减小泵浦光和探测光的相互作用长度能有效地减小非本地效应，使布里渊谱不发生严重的失真。本发明中预泵浦脉冲产生的自发布里渊散射信号与传感脉冲发生SBS作用，经SBS作用的布里渊散射光仅携带预泵浦脉冲对应长度光纤上的温度和应变信息，非本地效应对系统性能的影响小。(6)既有脉冲预泵浦的优点，又有自发布里渊散射的优点
预泵浦脉冲的使用，使得系统空间分辨率主要由宽度很窄的传感脉冲宽度决定，频率测量精度主要由谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS决定，可解决空间分辨率和频率测量精度之间的矛盾，使二者同时得到提高；系统中SBS放大作用的存在，使得微弱的自发布里渊散射信号得到放大，可提高系统信噪比，增加传感距离，减小测量时间。适当地选取预泵浦脉冲和传感脉冲的宽度和幅度，将二者之间的SBS作用控制在合理水平，可保持布里渊强度与温度和应变的线性变化关系，有利于高精度温度和应变的同时测量。如图1所示，窄线宽激光器LD发出频率为V,的连续光，经保偏耦合器Cl分成两
路，其中一路作为本振光，经保偏耦合器Cl、光耦合器C2注入光电检测器ro;另一路作为探测光，首先经光调制器EOM调制成阶梯光脉冲，再经光放大器EDFA、第一光栅滤波器GFl和环行器OC注入传感光纤FUT。宽度大于声子寿命的预泵浦脉冲光将预激发声波，并产生自发布里渊散射信号，而宽度小于声子寿命的传感脉冲光的频率保持不变，传感脉冲光将通过SBS作用对预泵浦脉冲光产生的自发布里渊散射信号进行放大。调制信号谱宽ΔνΜ很窄
时，布里渊散射光谱主要由光纤自发布里渊谱宽 决定，约为数十兆赫兹；Avm远大于
Δν、时，主要由Δν&决定;二者相当时，可由-JAvl +Avl估计，其中散射谱峰值处的频率
为K-为布里渊频移。光纤不同位置处的布里渊散射光依次后向传播，经环行器0C、第二光栅滤波器GF2和光耦合器C2注入光电检测器PD，第二光栅滤波器GF2滤除布里渊散射光中的ant1-Stokes光。在光电检测器H)中，频率为ι的本振光与中心频率为％-力
的布里渊散射光外差，经光电转换，产生中心频率力I的布里渊散射谱电信号。输出的电
信号只包含外差后的布里渊频移信号，直流及二次谐波分量均被滤除。但是这样得到的布里渊频移信号频率约为11 GHz，无法直接进行精确的信号处理，需要采用下变频器FC将信号频率搬移至较低的频带内，然后进行信号处理。系统中采用对布里渊频谱进行扫描和电域移频的方式实现布里渊散射信号的检测。调节下变频器FC中频率综合器的频率来改变差频信号的中心频率，使布里渊谱不同频率成份的信号依次通过带通滤波器BPF，再通过第一检波器Dl将布里渊谱不失真地搬移至低频，进而得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到谱宽很窄的预泵浦脉冲产生的BSS，布里渊谱强度最大点对应的频率便为该散射点的布里渊频移。调整下变频器FC中频率综合器的频率来改变布里渊散射谱电信号的中心频率，使布里渊谱完整地通过低通滤波器LPF，再由第二检波器D2将布里渊谱不失真地搬移至低频，可得整个光纤上的布里渊散射谱，即谱宽很窄的BSS和谱宽很宽的传感脉冲产生的BSS的合成谱，从而可得到光纤上每个散射点的布里渊强度。 图1中，窄线宽激光器LD采用波长为1550. 12 nm的分布反馈式半导体激光器，保偏耦合器Cl的分光比为90 :10，将窄线宽激光器LD发出的光分为探测光和本振光。探测光路中光调制器EOM为一 10 Gb/s的铌酸锂光强度调制器，阶梯脉冲发生器将脉宽为301^、幅度为0.5 V的宽脉冲和脉宽为3 118、幅度为4.5 V的窄脉冲经信号合成器合成后送入光调制器Ε0Μ，光调制器EOM将连续光调制成预泵浦脉冲宽度为30 ns、窄脉冲宽度为3ns的阶梯光脉冲。光放大器EDFA中的放大器件为掺饵光纤放大器，为了滤除掺饵光纤放大器带来的自发热辐射噪声，探测光路中设置了第一光栅滤波器GF1。放大后的阶梯光脉冲经环行器OC注入传感光纤FUT，其产生的后向布里渊散射光经第二光栅滤波器GF2滤除
ant1-Stokes光后与本振光在光电检测器H)上进行外差，产生中心频率为Vs的布里渊散
射谱电信号。因布里渊频移信号的频率约为11 GHz，无法直接进行精确的信号处理，需采用下变频器FC将信号频率搬移至较低的频带内，采用扫描微波本振和电域移频的方法实现布里渊散射谱的测量。其中，频率综合器的输出频率为10.5 GHfll. 5 GHz、扫描步进为2 MHz (编程控制)；带通滤波器BPF的中心频率为500 MHz、带宽为2 MHz ;低通滤波器LPF的带宽为I GHz ;高速数据采集卡DAQ的采样频率为4 GHz0调节下变频器FC中频率综合器的频率来改变差频信号的中心频率，使布里渊谱不同频率成份的信号依次通过带通滤波器BPF，再通过第一检波器Dl将布里渊谱不失真地搬移至低频，进而得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到谱宽很窄的BSS，布里渊谱强度最大点对应的频率便为该散射点的布里渊频移。调整下变频器FC中频率综合器的输出频率，使布里渊谱完整地通过低通滤波器LPF，再由第二检波器D2将布里渊谱不失真地搬移至低频，可得整个光纤上的布里渊散射谱，即谱宽很窄的BSS和谱宽很宽的BSS的合成谱，从而可得到光纤上每个散射点的布里渊强度。利用布里渊频移和强度与温度和应变的线性变化关系，获得整个传感光纤FUT上的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。本发明中对时域信号进行的线性累加平均、洛伦兹拟合等运算在计算机中完成。另外为了降低布里渊散射光偏振态变化对外差检测的影响，本发明中在本振光路中加入扰偏器PS。上述实施例中SBS作用包括ant1-Stokes光与传感脉冲光之间的SBS作用和传感脉冲光与Stokes光之间的SBS作用，上述未提及的ant1-Stokes光和传感脉冲光之间的SBS作用过程类似于传感脉冲光和Stokes光之间的SBS作用过程。
权利要求
1.一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，其特征是，所述方法采用一个测量系统进行，所述测量系统包括窄线宽激光器(LD)、保偏耦合器(Cl)、光耦合器(C2)、由阶梯脉冲发生器(SPG)驱动的光调制器(EOM)、光放大器(EDFA)、两个光栅滤波器、环行器(OC)、光电检测器(H))、布里渊频移和强度检测单元(TDU)及传感光纤(FUT);所述保偏耦合器(Cl)的第一光口接激光器(LD)，第三光口依次经光调制器(EOM)、光放大器(EDFA)、第一光栅滤波器(GFl)接环行器(OC)的第一光口，环行器(OC)的第二光口接传感光纤(FUT)，第三光口经第二光栅滤波器(GF2)接光耦合器(C2)的第一光口，保偏耦合器(Cl)的第四光口接光耦合器(C2)的第二光口，光耦合器(C2)的第三光口经光电检测器(PD)接布里渊频移和强度检测单元(TDU)； 所述测量系统按如下方式进行测量 窄线宽激光器(LD)发出的连续光经保偏耦合器(Cl)后分成两路，一路作为本振光，经光耦合器(C2)进入光电检测器(PD);另一路作为探测光，经光调制器(EOM)调制为阶梯脉冲光宽度为、传感脉冲光宽度为D的阶梯光脉冲后，再经光放大器(EDFA)、第一光栅滤波器(GFl)和环行器(OC)注入传感光纤(FUT)，得到的布里渊散射光进入第二光栅滤波器(GF2)进行滤波，本振光和滤波后的布里渊散射光信号经光电检测器(PD)外差后产生布里渊散射谱电信号，布里渊频移和强度检测单元(TDU)对该信号进行处理，即可获得传感光纤(FUT)上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，其特征是，所述布里渊频移和强度检测单元(TDU)由下变频器(FC)、带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)、两个检波器、高速数据采集卡(DAQ)和计算机(PC)组成，所述下变频器(FC)的输入端接光电检测器(PD)的输出端，其输出信号分成两路，一路依次经带通滤波器(BPF)和第一检波器(Dl)进入高速数据采集卡(DAQ)的第一通道，另一路依次经低通滤波器(LPF)和第二检波器(D2)进入高速数据采集卡(DAQ)的第二通道，所述高速数据采集卡(DAQ)的输出端接计算机(PC)； 所述布里渊频移和强度检测单元(TDU)按如下方式进行测量 调节下变频器(FC)中频率综合器的频率来改变差频信号的中心频率，使布里渊谱不同频率成份的信号依次通过带通滤波器(BPF)，再通过第一检波器(Dl)将布里渊谱不失真地搬移至低频，进而得到一系列测试曲线，然后对光纤上每点测试结果在频域进行洛伦兹拟合，得到预泵浦脉冲产生的布里渊散射谱，布里渊谱强度最大点对应的频率便为该散射点的布里渊频移；调整下变频器(FC)中频率综合器的输出频率，以改变本振与散射信号的差频信号的中心频率，使布里渊谱完整地通过低通滤波器(LPF)，再由第二检波器(D2)将布里渊谱不失真地搬移至低频，可得整个光纤上的布里渊散射谱，即预泵浦脉冲和传感脉冲产生的布里渊散射谱的合成谱，从而可得到光纤上每个散射点的布里渊强度，利用布里渊频移和强度与温度和应变的线性变化关系，经过系统标定，即可获得传感光纤(FUT)上任一位置处的温度和应变信息，实现温度和应变分布的同时测量。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，其特征是，为了降低布里渊散射光偏振态变化对外差检测的影响，在保偏耦合器(Cl)和光耦合器(C2)之间加入扰偏器(PS)。
4.根据权利要求3所述的一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，其特征是，所述的阶梯脉冲发生器(SPG)包括T型连接器、信号合成器及第一脉冲信号发生器和第二脉冲信号发生器；第一脉冲信号发生器的输出端接T型连接器的输入端，T型连接器的第一输出端接第二脉冲信号发生器的输入端，第二信号发生器的输出端接信号合成器的第一输入端，T型连接器的第二输出端经时间延迟器接信号合成器的第二输入端，信号合成器的输出端接光调制器(EOM)的射频端； 所述阶梯脉冲发生器(SPG)按如下方式生成脉冲首先由第一脉冲信号发生器产生一个宽度小于声子寿命的电脉冲，该电脉冲经T型连接器后分为两路，其中一路作为第二脉冲信号发生器的触发信号，当该触发信号出现上升沿时，第二脉冲信号发生器发出一个宽度大于声子寿命且幅值低于传感脉冲的脉冲信号，并将该脉冲信号送到信号合成器的第一输入端，T型连接器的第二输出端的脉冲信号经时间延迟器延时后进入信号合成器的第二输入端，由信号合成器将其两输入信号合成为一个阶梯电脉冲并送入光调制器(EOM)的射频端。
5.根据权利要求4所述的一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，其特征是，所述光调制器(EOM)由两个首尾相接的铌酸锂光强度调制器来代替，首先利用第一铌酸锂光强度调制器(EOMl)的工作点来确定预泵浦脉冲光的幅值；随后通过控制电脉冲宽度来决定传感脉冲光的宽度；最终通过控制第二铌酸锂光强度调制器(E0M2)的脉冲宽度确定阶梯脉冲光的宽度。
全文摘要
一种基于布里渊散射的温度和应变同时测量方法，它采用一个测量系统进行，所述测量系统包括窄线宽激光器、保偏耦合器、光耦合器、光调制器、光放大器、环行器、光电检测器、布里渊频移和强度检测单元，所述保偏耦合器的第一光口接激光器，第三光口依次经光调制器、光放大器接环行器的第一光口，环行器的第二光口接传感光纤，第三光口接光耦合器的第一光口，保偏耦合器的第四光口接光耦合器的第二光口，光耦合器的第三光口经光电检测器接布里渊频移和强度检测单元。本发明可在不降低系统测量精度的前提下，提高测量空间分辨率，同时也可提高系统信噪比，增加传感距离，减少测量时间。
文档编号G01K11/32GK102997949SQ20121055075
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者李永倩, 李晓娟 申请人:华北电力大学(保定)
专业数控铣床产品供应商
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