本發(fā)明涉及多參量分布式測量系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求的提高，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)正在向大容量和多參量測量方向發(fā)展，基于瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)為高電壓、強(qiáng)磁場干擾、大電流、復(fù)雜幾何空間、易燃、易爆等惡劣環(huán)境的空間上連續(xù)分布各點(diǎn)的溫度、應(yīng)變等物理參量的測量提供了可行的新手段。分布式光纖傳感技術(shù)是伴隨著光時(shí)域反射技術(shù)(otdr)的產(chǎn)生而發(fā)展起來的，如利用光時(shí)域反射技術(shù)測量后向的瑞利散射信號的強(qiáng)度和偏振態(tài)來監(jiān)測溫度/應(yīng)變；利用光時(shí)域反射技術(shù)測量后向的拉曼散射信號的強(qiáng)度來監(jiān)測溫度；利用光時(shí)域反射技術(shù)測量布里淵散射信號的強(qiáng)度和頻移來監(jiān)測溫度/應(yīng)變。

受限于技術(shù)原理，基于布里淵散射的分布式光纖傳感器和基于拉曼散射的分布式光纖傳感器響應(yīng)速度與空間分辨率都較低，不適合許多應(yīng)用場合對于事故快速響應(yīng)的監(jiān)測要求，復(fù)雜昂貴的系統(tǒng)也限制了兩類分布式測量技術(shù)的工程化應(yīng)用。基于瑞利散射的分布式光纖傳感器響應(yīng)速度快、靈敏度高,開始受到重視。然而，基于單模光纖瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)以微弱的背向瑞利散射信號為信息載體,系統(tǒng)的信噪比較低,測量精度與空間分辨率低，傳感功能比較單一，難以實(shí)現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的定量檢測等，制約了基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展。特別是由于光纖對溫度與應(yīng)變的交叉敏感，通過另外加一根只感溫光纖的方式很難保證該光纖不受到應(yīng)力的擾動(dòng)，溫度補(bǔ)償光柵與測量光柵的位置偏差等都會造成測量精度難已保證，在工程應(yīng)用中存在困難。目前還沒有看到能夠采用弱光纖光柵陣列對光纖沿線所有位置同時(shí)進(jìn)行應(yīng)變和溫度連續(xù)分布式光纖傳感檢測的報(bào)道。若能同時(shí)對應(yīng)變、溫度等參量進(jìn)行長距離快速分布式精確監(jiān)測，則可大大減少監(jiān)測成本，并提高監(jiān)測的有效性和可靠性。因此，有必要尋求創(chuàng)新的傳感機(jī)理與方法，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)及測量方法，可以實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變信號的高空間分辨率、高精度分布式測量。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)，包括寬帶暗脈沖光源、第一耦合器、第一環(huán)形器、雙芯光纖耦合器、雙芯光纖、第二環(huán)形器、第二耦合器、第一光電二極管、第二光電二極管、第三光電二極管、第四光電二極管、信息采集單元和計(jì)算機(jī)；所述雙芯光纖包括第一芯層和第二芯層，所述第一芯層和第二芯層上分別設(shè)有全同弱光柵陣列；

寬帶暗脈沖光源輸出的寬帶光經(jīng)過第一耦合器分為兩束探測光及一束參考光，其中探測光分別為第一束探測光和第二束探測光；

所述參考光入射到第一光電二極管被轉(zhuǎn)換為參考電信號，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧牡谝欢丝冢?/p>

第一束探測光入射到第一環(huán)形器的第一端口，從其第二端口射出，進(jìn)入雙芯光纖耦合器的第一端口，并從第三端口耦合進(jìn)雙芯光纖的第一芯層中，通過弱光柵陣列以及瑞利散射效應(yīng)所產(chǎn)生的第一反射光入射到雙芯光纖耦合器的第三端口，并從雙芯光纖耦合器的第一端口射出，入射到第一環(huán)形器的第二端口，從環(huán)形器的第三端口射出，緊接著入射到第二耦合器，被分為兩束反射光，分別為第一光柵反射光和第一瑞利反射光；

第二束探測光入射到第二環(huán)形器的第一端口，從第二環(huán)形器的第二端口射出，進(jìn)入雙芯光纖耦合器的第二端口，并從第四端口耦合進(jìn)雙芯光纖的第二芯層中，通過弱光柵陣列以及瑞利散射效應(yīng)所產(chǎn)生的第二反射光入射到雙芯光纖耦合器的第四端口，并從雙芯光纖耦合器的第二端口射出，入射到第二環(huán)形器的第二端口，從環(huán)形器的第三端口射出，經(jīng)過光纖延遲線和第二陷波濾波片入射到第四光電二極管中被轉(zhuǎn)換為第二電信號，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧牡谒亩丝冢?/p>

第一光柵反射光入射到第二光電二極管被轉(zhuǎn)化為第一光柵電信號，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧牡诙丝冢?/p>

第一瑞利反射光經(jīng)過第一陷波濾波片，入射到第三光電二極管被轉(zhuǎn)化為第一瑞利電信號，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧牡谌丝冢?/p>

信息采集單元采集到的四路電信號最終被傳輸計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號處理以及圖像顯示。

上述方案中，所述的寬帶暗脈沖光源為脈寬可調(diào)諧的寬帶暗脈沖光源。

上述方案中，所述的雙芯光纖以及雙芯光纖耦合器中的傳輸兩路光并不會發(fā)生耦合。

上述方案中，所述第一芯層和第二芯層對溫度的敏感系數(shù)不同。

上述方案中，所述第一芯層和第二芯層對壓力的敏感系數(shù)不同。

本發(fā)明還提供了一種利用上述的基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、設(shè)置寬帶暗脈沖光源的脈寬τ要求與光柵陣列中相鄰光柵的間距l(xiāng)相匹配，即：

其中n為雙芯光纖的纖芯折射率，c為光速；

(2)、利用第一光柵電信號中的暗脈沖可以計(jì)算出wfbg的距離為

d＝2(t-t0)c/n(2)

其中t0為接收到參考電信號中對應(yīng)暗脈沖的時(shí)間，從而可以對弱光柵陣列中的每一個(gè)光柵進(jìn)行定位；

(3)、當(dāng)暗脈沖進(jìn)入光纖后，每經(jīng)過一個(gè)點(diǎn)都會有一定強(qiáng)度的瑞利散射光反射回來，所以光探測器所接收到的瑞利散射信號是不斷累加的，某一時(shí)刻接收到的光強(qiáng)表達(dá)式為：

i(t)＝i1+i2+i3+……+in(3)

其中in為t/2時(shí)刻經(jīng)過的某點(diǎn)的瑞利散射信號強(qiáng)度，i(t)曲線的斜率與t/2時(shí)刻經(jīng)過的某點(diǎn)的瑞利散射信號強(qiáng)度的關(guān)系為：

其中δt為采樣頻率的倒數(shù)；

(4)、通過聯(lián)立第一瑞利電信號i12和第二電信號i2的斜率矩陣求解：

其中，δt為采樣頻率的倒數(shù)，分別為雙芯光纖的第一芯層和第二芯層的溫度敏感系數(shù)，分別為雙芯光纖的第一芯層和第二芯層的應(yīng)變敏感系數(shù)；

(5)、得到溫度和應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線，將獲得的溫度和應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線與暗脈沖定位相結(jié)合，即可得到溫度和應(yīng)變在空間域上分別的分布情況。

實(shí)施本發(fā)明的基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)及測量方法，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明利用脈寬可調(diào)諧暗脈沖光源的高功率穩(wěn)定的背景光激發(fā)的高強(qiáng)度瑞利散射光進(jìn)行分布式測量；同時(shí)，利用光源的暗脈沖和弱光柵陣列對全光纖范圍內(nèi)的瑞利散射進(jìn)行空間分段定位，以提高傳感系統(tǒng)的空間分辨率和測量精度，并利用雙芯光纖每兩個(gè)相鄰弱光柵區(qū)間的瑞利散射信號構(gòu)建溫度和應(yīng)變求解矩陣，實(shí)現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的同時(shí)精確測量和其在區(qū)間內(nèi)的精確定位。

2、本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、空間分辨率高，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變參量高精度的分布式光纖傳感測量。

3、本發(fā)明結(jié)合雙芯光纖中的瑞利散射與弱光柵陣列進(jìn)行分布式測量，測量精度高并且空間分辨高，在一根光纖上實(shí)現(xiàn)了溫度與應(yīng)變的同時(shí)測量，結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)用。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)的示意圖；

圖2是時(shí)間與光纖長度的關(guān)系曲線；

圖3是溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線；

圖4是應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線；

圖5是溫度在空間域上分布曲線；

圖6是應(yīng)變在空間域上分布曲線。

具體實(shí)施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，在本發(fā)明的基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)包括寬帶暗脈沖光源1、第一耦合器2、第一環(huán)形器3、雙芯光纖耦合器4、雙芯光纖5、第二環(huán)形器7、第二耦合器9、光纖延時(shí)線8、第一光電二極管12、第二光電二極管13、第三光電二極管14、第四光電二極管15、信息采集單元16和計(jì)算機(jī)17。雙芯光纖5包括第一芯層501和第二芯層502，所述第一芯層501和第二芯層502上分別設(shè)有全同弱光柵陣列6。

寬帶暗脈沖光源1為脈寬可調(diào)諧的寬帶暗脈沖光源，其帶寬需要具體計(jì)算來設(shè)計(jì)光路后實(shí)現(xiàn)。雙芯光纖5以及雙芯光纖耦合器4中的傳輸兩路光并不會發(fā)生耦合。光纖延遲線8用于調(diào)整第一反射光與第二反射光之間的光程差，光程差越小測量結(jié)果越精確。雙芯光纖5的第一芯層501和第二芯層502對溫度的敏感系數(shù)不同，第一芯層501和第二芯層502對壓力的敏感系數(shù)不同。

本發(fā)明的基于暗脈沖光源的雙芯弱光柵陣列的多參量分布式測量系統(tǒng)的工作原理和測量方法如下：

寬帶暗脈沖光源1輸出的暗脈沖i0輸入到第一耦合器2的輸入端201，分為兩束探測光及一束參考光，其中第一耦合器2的第一輸出端202輸出為第一束探測光，第一耦合器2的第二輸出端203輸出為第二束探測光，第一耦合器2的第三輸出端204輸出為參考光，所述的寬帶暗脈沖光源1的脈寬τ要求與全同光柵陣列6中相鄰光柵的間距l(xiāng)相匹配，即：

其中n為雙芯光纖5的纖芯折射率，c為光速。

參考光輸入到第一光電二極管12被轉(zhuǎn)換為參考電信號i3，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧?6的第一端口1601。

從第一耦合器2的第一輸出端202輸出的第一束探測光輸入到第一環(huán)形器3的第一端口301，從第一環(huán)形器3的第二端口302射出，進(jìn)入雙芯光纖耦合器4的第一輸入端401，并從雙芯光纖耦合器4的第一輸出端403耦合進(jìn)雙芯光纖5的第一芯層501中，通過全同弱光柵陣列6以及瑞利散射效應(yīng)所產(chǎn)生的第一反射光輸入到雙芯光纖耦合器4的第一輸出端403，并從雙芯光纖耦合器4的第一輸入端401射出，傳輸?shù)降谝画h(huán)形器3的第二端口302，從第一環(huán)形器3的第三端口303輸出，緊接著傳輸?shù)降诙詈掀?的第一輸入端901，被分為兩束反射光，其中第二耦合器9的第一輸出端902輸出為第一光柵反射光，第二耦合器9的第一輸出端903輸出為第一瑞利反射光。從第二耦合器9的第一輸出端902輸出的第一光柵反射光傳輸?shù)降诙怆姸O管13被轉(zhuǎn)化為第一光柵電信號i11，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧?6的第二端口1602，利用第一光柵電信號i11中的暗脈沖可以計(jì)算出弱光纖光柵(wfbg)的距離為：

d＝2(t-t0)c/n(2)

其中t0為接收到參考電信號i3與第一光柵電信號i11中暗脈沖的時(shí)間差，即t0＝t11-t3通過公式(2)可以得到時(shí)間與光纖長度的關(guān)系曲線，如圖2所示，從而可以對全同弱光柵陣列6中的每一個(gè)光柵進(jìn)行定位。

從第二耦合器9的第二輸出端903輸出的第一瑞利反射光經(jīng)過第一陷波濾波片10濾除全同弱光柵陣列6的反射光，傳輸?shù)降谌怆姸O管14被轉(zhuǎn)化為第一瑞利電信號i12，傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧?6的第三端口1603。

從第一耦合器2的第二輸出端203輸出的第二束探測光輸入到第二環(huán)形器7的第一端口701，從第一環(huán)形器7的第二端口702射出，進(jìn)入雙芯光纖耦合器4的第二輸入端402，并從雙芯光纖耦合器4的第二輸出端404耦合進(jìn)雙芯光纖5的第二芯層502中，通過全同弱光柵陣列6以及瑞利散射效應(yīng)所產(chǎn)生的第二反射光輸入到雙芯光纖耦合器4的第二輸出端404，并從雙芯光纖耦合器4的第二輸入端402射出，傳輸?shù)降诙h(huán)形器7的第二端口702，從第二環(huán)形器7的第三端口703輸出，緊接著傳輸?shù)降诙莶V波片11濾除掉全同弱光柵陣列6的反射光，傳輸?shù)降谒墓怆姸O管15被轉(zhuǎn)化為第二電信號i2，然后傳輸?shù)叫畔⒉杉瘑卧?6的第四端口1604。

當(dāng)暗脈沖進(jìn)入光纖后，每經(jīng)過一個(gè)點(diǎn)都會有一定強(qiáng)度的瑞利散射光反射回來，所以光探測器所接收到的瑞利散射信號是不斷累加的，某一時(shí)刻接收到的光強(qiáng)表達(dá)式為：

i(t)＝i1+i2+i3+……+in(3)

其中in為t/2時(shí)刻經(jīng)過的某點(diǎn)的瑞利散射信號強(qiáng)度，i(t)曲線的斜率與t/2時(shí)刻經(jīng)過的某點(diǎn)的瑞利散射信號強(qiáng)度的關(guān)系為：

其中，δt為采樣頻率的倒數(shù)。

提前對雙芯光纖5的第一芯層501和第二芯層502的溫度和應(yīng)變敏感系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。第一瑞利電信號i12和第二電信號i2為雙芯光纖5中不同的兩個(gè)芯層的瑞利散射信號所轉(zhuǎn)化的電信號，其電信號強(qiáng)度與其對應(yīng)芯層的溫度與應(yīng)變敏感系數(shù)有關(guān)，通過聯(lián)立第一瑞利電信號i12和第二電信號i2的斜率矩陣求解：

其中，δt為采樣頻率的倒數(shù)，分別為雙芯光纖5的第一芯層501和第二芯層502的溫度敏感系數(shù)，分別為雙芯光纖5的第一芯層501和第二芯層502的應(yīng)變敏感系數(shù)。

通過公式(5)可以得到溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線和應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示，將獲得的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線(圖3)、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線(圖4)和時(shí)間與光纖長度的關(guān)系曲線(圖2)相結(jié)合，即可得到溫度在空間域上的分布情況和應(yīng)變在空間域上的分布情況，如圖5、圖6所示。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。