[發明專利]基于拉曼散射的分布式光纖溫度及應變檢測方法

有效

• 申請號: 201711062641.X
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107843357B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 張明江;李健;張建忠;劉毅;喬麗君;王東;王宇;靳寶全;王云才
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01B11/16
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

1.一種基于拉曼散射的分布式光纖溫度及應變檢測方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)、搭建分布式光纖溫度及應變傳感系統；

分布式光纖溫度及應變傳感系統包括拉曼信號采集儀、第一高精度恒溫槽(9)、第二高精度恒溫槽(10)、待測光纖(11)、第一溫度傳感器(12)、第二溫度傳感器(13)；

所述拉曼信號采集儀包括脈沖激光器(1)、WDM(2)、第一APD(3)、第二APD(4)、第一LNA(5)、第二LNA(6)、數據采集卡(7)、計算機(8)；其中，脈沖激光器(1)的輸出端與WDM(2)的輸入端連接；WDM(2)的兩個輸出端分別與第一APD(3)的輸入端和第二APD(4)的輸入端連接；第一APD(3)的輸出端與第一LNA(5)的輸入端連接；第二APD(4)的輸出端與第二LNA(6)的輸入端連接；第一LNA(5)的輸出端和第二LNA(6)的輸出端均與數據采集卡(7)的輸入端連接；數據采集卡(7)的輸出端與計算機(8)的輸入端連接；計算機(8)與脈沖激光器(1)雙向連接；

待測光纖(11)的前端與WDM(2)的公共端連接；待測光纖(11)的中間部分分別繞制有第一參考光纖環和第二參考光纖環；第一參考光纖環放置于第一高精度恒溫槽(9)中；第二參考光纖環放置于第二高精度恒溫槽(10)中；第一溫度傳感器(12)安裝于第一高精度恒溫槽(9)上；第二溫度傳感器(13)安裝于第二高精度恒溫槽(10)上；第一溫度傳感器(12)和第二溫度傳感器(13)均與計算機(8)雙向連接；

脈沖激光器的波長為1550.1nm、脈寬為10ns、重復頻率為8KHz；WDM的工作波長為1550nm/1450nm/1663nm；第一APD的帶寬為80MHz、光譜響應范圍為900～1700nm；第二APD的帶寬為80MHz、光譜響應范圍為900～1700nm；第一LNA的帶寬為100MHz；第二LNA的帶寬為100MHz；數據采集卡的通道數為4、采樣率為100M/s、帶寬為100MHz；待測光纖為普通多模光纖；

(2)、將第一高精度恒溫槽(9)的溫度值設置為T₁，將第二高精度恒溫槽(10)的溫度值設置為T₂；然后，啟動拉曼測溫儀，脈沖激光器(1)發出的激光脈沖經WDM(2)入射到待測光纖(11)；激光脈沖在待測光纖(11)中傳播時發生自發拉曼散射，由此使得待測光纖(11)的各個位置均產生背向傳輸的Stokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次經WDM(2)、第一APD(3)、第一LNA(5)入射到數據采集卡(7)，數據采集卡(7)對Stokes光進行模數轉換，由此得到Stokes光的光強曲線；

anti-Stokes光依次經WDM(2)、第二APD(4)、第二LNA(6)入射到數據采集卡(7)，數據采集卡(7)對anti-Stokes光進行模數轉換，由此得到anti-Stokes光的光強曲線；

(3)、拉曼信號采集儀根據采集得到Stokes光的光強數據和anti-Stokes光的光強數據解調沿光纖分布的溫度數據；

具體溫度解調公式如下式(1)：

公式中：T表示待測光纖(11)的某一待測位置的溫度值；φ_s表示該待測位置產生的Stokes光的光強值；φ_a表示該待測位置產生的anti-Stokes光的光強值；L表示該待測位置與待測光纖(11)的前端之間的距離；φ_s1表示第一參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值；φ_a1表示第一參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值；φ_s2表示第二參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值；φ_a2表示第二參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值；L₁表示第一參考光纖環的位置與待測光纖(11)的前端之間的距離；L₂₂表示第二參考光纖環的位置與待測光纖(11)的前端之間的距離；h表示普朗克常數；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數；；

(4)、分布式光纖溫度及應變傳感系統根據光時域反射原理采集得到的Stokes光和anti-Stokes光的光強值，公式可分別表示為：

φ_s＝K_sV_s⁴Sφ_eR_s(T)exp[-(α_o+α，)L]..............................(2)

φ_a＝K_aV_a⁴Sφ_eR_a(T)exp[-(α_o+α_a)L]...............................(3)

其中，Stokes光的溫度調制函數R_s(T)和anti-Stokes光的溫度調制函數R_a(T)分別為：

式中K_s，K_a為與光纖散射端截面有關的系數，V_s，V_a為斯托克斯與反斯托克斯光的頻率，S為散射截面，h,K分別為普朗克常數和玻爾茲曼常數，Δv光纖的拉曼頻移量，α_o、α_s、α_a分別為入射泵浦光和斯托克斯與反斯托克斯光在光纖中單位長度下的衰減系數；

將光纖沿線的溫度T公式(1)代入公式(2)和(3)中，經過化解后光纖沿線各點的后向拉曼散射衰減系數可以表示為：

(5)、系統基于光纖沿線的衰減變化情況，即可反映出光纖沿線的應變及應力變化情況；

(6)、系統根據公式(1)和公式(5)即可利用一根光纖同時測量出光纖沿線的溫度及應變化。