基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置

摘要

基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置与方法：本发明利用拉丝塔技术以单脉冲能量动态连续刻写超低反射率的全同弱光纤光栅作为传感探头；经脉冲信号调制后，其布拉格反射信号和背向拉曼散射信号分别送入高速CCD波长解调模块和拉曼温度解调模块；分别得到各光纤光栅处的温度分布Ti和光纤光栅的反射中心波长λi；将拉曼温度解调模块的温度测量作为应变测量的温度补偿数据，将高速CCD波长解调模块的测量数据作为温度测量的校正。本发明能克服拉曼传感技术精度低、速度慢，不能测量应变等特点，同时也简化大容量弱光栅阵列光纤成缆的复杂性和可操作性，克服光栅温度与应变的交叉敏感性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种准分布式的全同弱光纤光栅传感及其解调技术，具体地指一种基于拉曼 散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置。

背景技术

温度与应变是大型系统结构健康检查的两个关键测试参量。结构局部关键位置的应力状 态直接关系到结构的安全服役状态，温度则对诸如混凝土大坝、基坑等大体积结构影响较大， 温度与应力作用往往导致结构内部出现微裂纹等损伤。由于温度与应变的交叉敏感，同时准 确地测量大型结构的温度与应变在工程上一直是个难题。

分布式拉曼光纤传感通过检测背向的斯托克斯与反斯托克斯光来实现分布式测量，虽然 传感距离长，但仅能测量温度。准分布式的光纤光栅传感系统能够测量温度与应变，具有定 位准确、测量精度高、解调速度快的优点，可应用范围很广。然而传统的光纤光栅传感系统 使用高反射率光栅通过光纤熔接机进行串接，一般通过波分复用进行解调，传感单元容量小， 光栅与光纤熔接点位置引入的插入损耗大，并且其抗机械强度不能满足工程要求。另一方面， 光纤光栅传感器也对温度与应变两物理量交叉敏感，因此在实际应用中很难分离出来，给测 量带来了很多的不便。目前解决温度与应变交叉敏感问题通常是使用参考光纤，即在同一环 境中，通过使该参考光纤不受温度或应变影响，然后测量该参考光纤的温度或应变后，通过 参考其温度或应变，测量出另外光纤的应变或温度。然而，该方式给工程安装带来了不便， 且参考光纤的测量精度会对系统测量精度带来较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与 应变的方法及装置，能够克服上述现有光纤光栅准分布式传感的不足，其容量大、无焊点、 光纤光栅强度与光纤相同，并可同时检测传感区域的温度与应变，检测精度高。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与 应变的方法，包括如下步骤：

1）在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写N个反射率在0.01%～1%的全同 弱光纤光栅，得到大容量光纤光栅阵列光纤，作为传感探头；

2）将宽带光源和高功率激光器的激光经耦合器后接入第一SOA光开关，经脉冲发生器 调制成周期性高消光比的脉冲信号，脉冲信号的脉宽τ对应于大容量光纤光栅阵列光纤中全 同弱光纤光栅之间的间隔；脉冲信号经粗波分复用器进入大容量光纤光栅阵列光纤；

3）宽带光源经大容量光纤光栅阵列光纤产生的反射信号和高功率激光器经大容量光纤光 栅阵列光纤产生的背向拉曼散射信号分别送入高速CCD波长解调模块和拉曼温度解调模块；

4）基于OTDR（光时域反射仪）技术，通过拉曼温度解调模块分布式得到各光纤光栅处 的温度分布T_i（i=1，2，……N）；

5）将反射信号送入第二SOA光开关放大后，经高速CCD波长解调模块得到各光纤光栅 的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N），该中心波长λ_i与应变和温度均有关；将拉曼温度解调 模块的温度测量作为应变测量的温度补偿数据，将高速CCD波长解调模块的测量数据作为温 度测量的校正，同时精确得到温度场信息和应变信息。

上述技术方案的所述步骤1）中，采用准分子激光器在拉丝塔系统上光纤拉丝时，同时 以单脉冲激光动态连续刻写光栅，然后进行二次涂敷和紫外光固化；所述光纤光栅的间隔通 过拉丝速度和准分子激光器的脉冲频率进行控制。动态连续刻写后的传感探头强度与普通光 纤强度一样。

上述技术方案的所述步骤2）中，设定高功率激光器的工作波长与大容量光纤光栅阵列 光纤中光纤光栅的中心波长相差6～10nm，用于避免拉曼散射信号与光栅布拉格反射信号相互 影响。

上述技术方案的所述步骤5）还包括光纤光栅编号的确定操作：高速CCD波长解调模块 根据两个SOA光开关得到的入射光脉冲与反射光脉冲的时间差t_d计算出各光纤光栅在大容量 光纤光栅阵列光纤中的编号R：R=c·t_d/2n，其中c为光速，n为大容量光纤光栅阵列光纤的纤 芯折射率。

本发明提供的一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置，包括宽带 光源、高功率激光器、脉冲发生器、两个SOA光开关、三端口环形器、粗波分复用器、大容 量光纤光栅阵列光纤、拉曼温度解调模块、高速CCD波长解调模块和计算机控制单元；所述 宽带光源和高功率激光器通过耦合器与第一SOA光开关连接；所述计算机控制单元、脉冲发 生器和第一SOA开关依次连接，用于脉冲信号的调制；所述三端口环形器的三个端口分别与 第一SOA光开关、粗波分复用器和第二SOA光开关连接；所述大容量光纤光栅阵列光纤为 利用拉丝塔技术在单模光纤上动态连续刻写有多个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅的 光纤，大容量光纤光栅阵列光纤与粗波分复用器连接，作为传感探头；所述拉曼温度解调模 块的信号输入端与粗波分复用器连接，用于接收大容量光纤光栅阵列光纤的背向拉曼散射信 号，所述高速CCD波长解调模块的信号输入端与第二SOA光开关连接，大容量光纤光栅阵 列光纤的反射信号依次经粗波分复用器、三端口环形器和第二SOA光开关输入高速CCD波 长解调模块，拉曼温度解调模块和高速CCD波长解调模块的信号输入端分别与计算机控制单 元连接，用于温度和应变测量信号的处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、采用了大容量光纤光栅阵列光纤，其在单 模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写多个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅， 光栅本身的抗机械强度与光纤相同，无焊点，能够提供大应变、高精度传感，且由于使用了 超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，从而克服了传统的强光栅串接技术导致 的传感单元少、抗机械强度低，不能适应大应变传感变化的问题；现场操作方面，大容量光 纤光栅阵列光纤的布设方便，无需光纤熔接，降低了系统的插入损耗；2、能够在无需参考光 纤的情况下，同时测量温度和应变，降低了传感光纤的布设与安装成本。

附图说明

图1为本发明基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置的结构示意暨工 作原理图；

图中：1—宽带光源，2—高功率激光器，3—耦合器，4—第一SOA光开关，5—脉冲发 生器，6—三端口环形器，7—粗波分复用器，8—大容量光纤光栅阵列光纤，9—第二SOA光 开关，10—高速CCD波长解调模块，11—拉曼温度解调模块，12—计算机控制单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明的一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置， 包括宽带光源1、高功率激光器2、脉冲发生器5、两个SOA光开关4、9、三端口环形器6、 粗波分复用器7、大容量光纤光栅阵列光纤8、拉曼温度解调模块11、高速CCD波长解调模 块10和计算机控制单元12。宽带光源1和高功率激光器2通过耦合器3与第一SOA光开关 4连接。计算机控制单元12、脉冲发生器5和第一SOA开关4依次连接，用于脉冲信号的调 制。三端口环形器6的三个端口分别与第一SOA光开关4、粗波分复用器7和第二SOA光 开关9连接。大容量光纤光栅阵列光纤8为利用拉丝塔技术在单模光纤上动态连续刻写有多 个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅的光纤，它与粗波分复用器7连接，作为传感探头。 拉曼温度解调模块11的信号输入端与粗波分复用器7连接，用于接收大容量光纤光栅阵列光 纤8的背向拉曼散射信号。高速CCD波长解调模块10的信号输入端与第二SOA光开关9 连接，大容量光纤光栅阵列光纤8的反射信号依次经粗波分复用器7、三端口环形器6和第 二SOA光开关9输入高速CCD波长解调模块10。拉曼温度解调模块11和高速CCD波长解 调模块10的信号输入端分别与计算机控制单元12连接，用于温度和应变测量信号的处理。

结合上述装置，本发明基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的具体操作为：

1）在单模光纤拉丝过程中采用248nm或者193nm的准分子激光器同时以单脉冲激光刻 写N个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅，然后进行二次涂敷和紫外光固化，得到大容 量光纤光栅阵列光纤8，作为传感探头，光纤的插入损耗在0.2～0.4dB/km，其衰减取决于光 纤预制棒的型号，与光纤光栅反射率的大小要求相关。该操作使得光栅的抗机械强度与光纤 相同，不需要光纤熔接，插入损耗小，波长一致性好，传感单元数量大，测量精度高。光纤 光栅的间隔通过拉丝速度和准分子激光器的频率进行控制；

2）将宽带光源1和高功率激光器2的激光经耦合器3后接入第一SOA光开关4，经脉 冲发生器5调制成周期性高消光比（消光比>40dB）的脉冲信号，脉冲信号的脉宽τ对应于 大容量光纤光栅阵列光纤8中全同弱光纤光栅之间的间隔ΔR，ΔR=cτ/2n,其中c为光速， n为大容量光纤光栅阵列光纤8的纤芯折射率，即设置整个拉曼传感系统的空间分辨率与大 容量光纤光栅阵列光纤8的光栅间隔相同。本实施例中，宽带光源1的工作波长在 1554～1560nm，高功率激光器2的中心波长在1548nm附近，其瑞利散射信号、斯托克斯信号 和反斯托克斯信号均不与全同弱光栅的反射信号重叠。调制后的脉冲信号经三端口环形器6、 粗波分复用器7进入大容量光纤光栅阵列光纤8；

3）宽带光源1经大容量光纤光栅阵列光纤8产生的反射信号和高功率激光器2经大容量 光纤光栅阵列光纤8产生的背向拉曼散射信号（斯托克斯信号和反斯托克斯信号）经粗波分 复用器7分别送入高速CCD波长解调模块10和拉曼温度解调模块11；

4）基于OTDR技术，通过拉曼温度解调模块11分布式得到各光纤光栅处的温度分布T_i（i=1，2，……N），i对应于大容量光纤光栅阵列光纤8中每空间分辨率的位置；

5）将反射信号依次经经粗波分复用器7、三端口环形器6送入第二SOA光开关9放大 后，经高速CCD波长解调模块10得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N）。由 于温度与应变对弱光纤光栅的中心波长交叉敏感，并且布拉格反射波长随温度与应变线性变 化，应变对拉曼温度传感则不产生任何影响，根据光纤光栅反射波长λ_i＝λ_i0+C_TΔT_i+ C_εΔε_i，其中λ_i0为初始的第i个光栅的反射波长，C_T、C_ε分别为光纤光栅的温度和应变系数 （两系数在测量之前进行标定）。假设光纤在同一空间分辨率的范围内温度不变，根据拉曼温 度解调模块11得到的温度分布T_i，通过高速CCD波长解调模块10可得到各光纤光栅的反射 波长λ_i，从而得到大容量光纤光栅阵列光纤8上各点的应力变化情况Δε。高速CCD波长解 调模块10根据两个SOA光开关4、9得到的入射光脉冲与反射光脉冲的时间差t_d计算出各光 纤光栅在大容量光纤光栅阵列光纤8中的编号R：R=c·t_d/2n。

本发明的核心一方面在于大容量光纤光栅阵列光纤8的设置，使得光栅本身的抗机械强 度与光纤相同，无焊点，能够提供大应变、高精度传感，传感单元的数量可达数千个；另一 方面在于高速CCD波长解调模块10和拉曼温度解调模块11的配置，能够将拉曼温度解调模 块11的温度测量作为应变测量的温度补偿数据，将高速CCD波长解调模块10的测量数据作 为温度测量的校正，同时精确得到温度场信息和应变信息。所以，其保护范围并不限于上述 实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围 和精神，例如：大容量光纤光栅阵列光纤8中光纤光栅的空间分辨率、数量等参数取决于用 户需求，可通过拉丝速度和准分子激光器的频率进行控制，不限于实施例中的具体数值；宽 带光源1和高功率激光器2的工作波长也不限于上述具体数值，只要避免散射信号与反射信 号重叠影响测量即可等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内， 则本发明也意图包含这些改动和变形在内。