[發明專利]用于光學應變測量的系統和方法

在審

• 申請號: 202080097640.2
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN115210530A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 鄭倫佳;文偉成;曾廣成
• 申請（專利權）人: 荷蘭應用科學研究組織;安力光電有限公司
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01D5/353;G01L1/24
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 李會娟;岑海梅

一種位置相關的應變測量系統使用干涉儀檢測隨光學傳感光纖中的位置而變化的應變，該干涉儀具有耦合到光學傳感光纖的第一端的輸入端。電子相位測量子系統耦合到干涉儀的輸出端。電子相位測量子系統定義了干涉儀的輸入光的可用光強度范圍，其中，電子相位測量子系統能夠測量輸入光的相位。光泵浦光纖放大器與電泵浦半導體光放大器串聯耦合在光學傳感光纖的第一端和干涉儀的輸入端之間。該電泵浦半導體光放大器具有與可用光強度范圍重疊的非線性強度放大范圍。光泵浦光纖放大器被配置成將來自光學傳感光纖的反向散射光的強度放大到非線性強度放大范圍內。

本申請要求2019年12月27日提交的歐洲專利申請號EP19219909.9的優先權。

技術領域

本發明涉及一種系統和方法，該系統和方法用于根據來自光學傳感光纖內的位置的光的反向散射來測量光學傳感光纖中的應變的位置相關測量。

背景技術

已知使用來自光學傳感光纖內的瑞利散射光來執行位置相關的應變變化測量。長傳感光纖(長達數十公里)可以用于應變變化測量的實際應用，例如監測橋梁、建筑等結構的結構變形，或者通過埋在地下的傳感光纖來探測入侵者。

瑞利散射是由于光學傳感光纖中隨機分布的散射中心造成的。當光脈沖被傳輸到傳感光纖的一端時，脈沖的分布式散射在該端產生返回的光，其相位和強度隨時間的變化而波動。不同反向散射強度的出現頻率由隨反向散射強度而變化的強度分布來表征。對于任何給定時間的返回光，由于散射中心在距傳感光纖端部的選定距離處，因此脈沖傳播該距離所需的時間是給定時間的一半。

在傳感系統中，傳感光纖在該距離處的局部應變是通過檢測沿光纖不同位置的散射光之間的光學相位差變化來確定的。只要位置之間的距離保持不變，該相位差就保持不變。但是，如果由于位置之間的光纖應變而導致距離發生變化，則相位差會發生變化。

來自成對的不同位置的散射光之間的光學相位差可以通過沿不同長度的光程饋送來自光學傳感光纖的反向散射光并檢測來自這些不同光程的光之間的干涉來確定。這樣的干涉產生的單一強度取決于相位差和(波動的)散射強度。然而，光學相位差可以通過對從沿光程的反向散射光獲得的光電信號進行數字化來計算，這些光電信號包括沿不同光程的反向散射光之間的至少一個干涉信號。這種數字化定義了可用光強度組合的范圍，從其可以確定相位。

優先采用高采樣頻率來實現高空間分辨率(例如，對于大約1m的空間分辨率，大約100MHz采樣頻率)。然而，散射瑞利強度較低。使用市售的光通信光纖是期望的。但是這樣的光纖中的散射很小，因為它是被有意最小化的，因為散射對于通信目的來說是不希望有的影響。相反，通常使用特別設計的光纖，其中沿光纖的散射不是非常低。

為了獲得可用光強度范圍內的強度，已知的是放大反向散射光并對放大的反向散射光進行相位測量。為此需要相當大的放大倍數。可以通過在光學傳感光纖和干涉儀之間添加泵浦光纖放大器(例如摻鉺光纖放大器(EDFA)或其他光泵浦光放大器)來提供放大。一般來說，由于EDFA具有高增益和高輸出，因此是光纖應用中放大的標準技術。

然而，在實踐中，這仍然不能對沿光學傳感光纖的所有位置進行相位測量。在某些位置，強度可能在可用光強度組合的范圍之外。因此，作為非常長的光學傳感光纖的一個示例，來自光學傳感光纖端部附近位置的反向散射強度可能經常下降到可用的光學強度組合的范圍以下。對于沿光學傳感光纖的大量位置的測量，可以使用控制電路來在某些時間間隔內提高光纖放大器的增益(其中，干涉儀輸入端的強度會上升到可用的光強度范圍以上)，并在某些時間間隔內降低光纖放大器的增益(其中，干涉儀輸入端的強度將下降到可用的光強度范圍以下)。但是已經發現，這僅僅改善了沿光纖的瑞利散射強度的包絡，而仍然不能對沿光學傳感光纖的所有位置進行相位測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種位置相關的應變測量系統，其中沿光學傳感光纖的大量位置的相位測量是可能的。