[發明專利]一種全分布式光纖溫度及應力的傳感方法與傳感系統

有效

• 申請號: 201710562176.X
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107340077B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 余志華;戴昊龍;張明宇;張齊
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01K11/324
• 分類號: G01K11/324;G01L1/24
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 郝明琴

1.一種全分布式光纖溫度及應力傳感系統，包括第一耦合器和與所述第一耦合器的輸入端連接的激光發射裝置，所述第一耦合器的兩個輸出端分別與第一光路和第二偏振控制器的輸入端連接，其特征在于：還包括第一輸入端與所述第一光路的輸出端連接的第二耦合器，所述第二耦合器的輸出端與拉曼波分復用器連接，且所述第二耦合器的第二輸出端和所述第二偏振控制器的輸出端分別與第三耦合器的二輸入端連接，所述第三耦合器的二輸出端均與平衡光電檢測器的輸入端連接，所述拉曼波分復用器與傳感光纖連接的同時，其反斯托克斯光端口和斯托克斯光端口分別與雪崩二極管的二輸入端連接，所述雪崩二極管和所述平衡光電檢測器均用于將光信號轉換成電信號，且其輸出端均與數據采集器的輸入端連接以將電信號傳至所述數據采集器，所述數據采集器與計算機連接；所述第一光路包括輸入端與所述第一耦合器連接的光電調制器、輸入端與所述光電調制器的輸出端連接的第一偏振控制器、輸入端與所述第一偏振控制器的輸出端連接的摻餌光纖放大器和輸入端與所述摻餌光纖放大器的輸出端連接的自發輻射濾波器，所述自發輻射濾波器的輸出端即為所述第一光路的輸出端，所述激光發射裝置包括用于產生激光脈沖的激光器、與所述激光器的輸出端連接的單邊帶調制器和與所述單邊帶調制器和所述計算機連接的微波綜合器，所述計算機用于控制所述微波綜合器來驅動所述單邊帶調制器，進而調制所述單邊帶調制器中激光脈沖，所述光電調制器與所述計算機之間通過脈沖調制器連接，所述計算機用于控制所述脈沖調制器來驅動所述光電調制器，使所述光電調制器輸出高功率脈沖或者低功率脈沖。

2.如權利要求1所述的全分布式光纖溫度及應力傳感系統，其特征在于：所述激光器為線寬小于或者等于10MHz的窄線寬激光器。

3.如權利要求1所述的全分布式光纖溫度及應力傳感系統，其特征在于：所述拉曼波分復用器內設有能夠增反增透且用于將散射光中的各波長成分提取出來的介質膜濾波片，所述反斯托克斯光端口具有兩個，用于采集和傳輸中心波長為1450nm的反斯托克斯光；所述斯托克斯光端口具有三個，用于采集和傳輸中心波長為1663nm的斯托克斯光。

4.一種如權利要求1至3任一項所述的全分布式光纖溫度及應力傳感系統的傳感方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，利用相干光時域光反射，對單根光纖上的應力進行全分布式測量：所述激光發射裝置實施掃頻，從所述第一耦合器的輸入端進入的激光脈沖被所述第一耦合器分成兩路，一路進入所述第一光路，被所述第一光路中的所述光電調制器調制成低功率脈沖，然后依次經過所述第一偏振控制器、所述摻餌光纖放大器、所述自發輻射濾波器、所述第二耦合器和所述拉曼波分復用器，進入所述傳感光纖并在所述傳感光纖中產生瑞利散射光，所述瑞利散射光經所述拉曼波分復用器傳至所述第二耦合器，再經所述第二耦合器的第二輸出端和所述第三耦合器的第一輸入端進入所述第三耦合器，另一路為參考光，通過所述第二偏振控制器和所述第三耦合器的第二輸入端進入所述第三耦合器，所述參考光和所述瑞利散射光在所述第三耦合器中混合后被所述第三耦合器的二輸出端傳至所述平衡光電檢測器并被所述平衡光電檢測器轉換成電信號，然后所述平衡光電檢測器將電信號傳入所述數據采集器，由所述數據采集器傳入所述計算機；

步驟2，重復步驟1的動作一次；

步驟3，步驟2過程中，所述傳感光纖有應力變化時，步驟2中的所述瑞利散射光的功率譜會和步驟1中的所述瑞利散射光的功率譜不同，所述計算機通過解調二所述功率譜，獲得瑞利散射光的頻移量信息，然后利用相干光時域光反射方法對應力進行全分布式的監測；

步驟4，利用拉曼時域光反射，對單根光纖上的溫度進行全分布式測量：所述激光發射裝置停止掃頻，從所述第一耦合器的輸入端進入的激光脈沖被所述第一耦合器分成兩路，一路進入所述第一光路，被所述第一光路中的所述光電調制器調制成高功率脈沖，然后依次經過所述第一偏振控制器、所述摻餌光纖放大器、所述自發輻射濾波器、所述第二耦合器和所述拉曼波分復用器進入所述傳感光纖并在所述傳感光纖中產生拉曼散射光，所述拉曼散射光經所述拉曼波分復用器，被所述拉曼波分復用器的反斯托克斯光端口和斯托克斯光端口傳至所述雪崩二極管，所述雪崩二極管將接收拉曼散射光的光轉換成電信號，然后所述雪崩二極管將電信號傳入所述數據采集器，由所述數據采集器傳入所述計算機，另一路因所述平衡光電檢測器被關閉而被阻斷；

步驟5，當所述傳感光纖有溫度變化時，所述拉曼波分復用器中的反斯托克斯光的光強會隨溫度的變化而發生變化，從而導致斯托克斯光和反斯托克斯光的光強比發生變化，所述雪崩二極管轉換出來的電信號會相應的發生變化，通過所述計算機解調出光強比信息便可獲得當前溫度的值。