基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于光频域反射的分布式应变温度测量系统，该系统包括可调谐激光器、1:99光分束器、主干涉仪系统、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统和计算机处理单元；其中主干涉仪系统包括两个马赫曾德尔干涉仪，位于采用两种不同直径包层的两种光纤并列在一起为传感光纤，由于同直径包层的光纤温度、应变系数不同，利用矩阵运算可以得到在温度应变同时变化的温度和应变值，实现了消除光频域反射中温度应变传感交叉敏感的效果。

主权项

一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置，其特征在于，该装置包括可调谐激光器、1:99光分束器、主干涉仪系统、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、采集装置和计算机处理单元；其中：所述可调谐激光器，用于为装置提供光源，实现线性扫描；所述1:99光分束器，将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助干涉仪的光相位监测系统和主干涉仪系统；所述基于辅助干涉仪的光源相位监测系统，用于实时采集输出光的相位信息，其结构包括隔离器、50:50耦合器、第一、第二法拉第旋转镜、延迟光纤和探测器，其中：隔离器，用于防止来自50:50耦合器的反射光进入可调谐激光器；50:50耦合器，用于光干涉；光通过隔离器后进入50:50耦合器的端口二，从50:50耦合器的端口三、四出射，分别被基于辅助干涉仪的光源相位监测系统的两臂的第一、第二法拉第旋转镜反射，并返回到50:50耦合器的端口三、四，两束光在50:50耦合器中发生干涉，干涉光从与50:50耦合器的端口一出射，出射光由探测器采集；所述主干涉仪系统(33)，采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射，其结构包括两个马赫曾德尔干涉仪分别用于测量一种传感光纤中背向瑞利散射，利用分束器分开，其中：每个马赫曾德尔干涉仪分别包括环行器、50:50分束器、50:50耦合器、偏振控制器、传感光纤和第一、第二偏振分束器以及第一、第二平衡探测器；所述采集装置将两个马赫曾德尔干涉仪中第一、第二平衡探测器、第一、第二偏振分束器输出模拟电信号转换数字信号传送到计算机处理单元；所述计算机处理单元，对采集的干涉信号进行数据处理，得到应变测量结果；其中，马赫曾德尔干涉仪的结构包括：光从50:50分束器的端口一进入，经过50:50分束器的端口二进入设置于参考臂的偏振控制器，经过50:50分束器的端口三进入设置于测试臂的环行器的端口一，从环行器的端口三进入作为待测光纤的传感光纤，而传感光纤的背向瑞利散射光从环行器的端口三进入，从环行器的端口二出射；参考臂上的参考光与测试臂上传感光纤的背向瑞利散射光通过50:50耦合器的端口一、二进入该耦合器进行合束，形成拍频干涉，并从50:50耦合器的端口三、四出射；出射光信号分别接入第一、第二偏振分束器的c端，第一、第二偏振分束器的s端接入第一平衡探测器，第一、第二偏振分束器的p端接入第二平衡探测器；所述传感光纤采用两种不同包层直径的两种光纤构成，并且产生瑞利散射光谱频移，当实际测量中温度、应变同时变化时，温度变化ΔT和应变变化Δε，依据下面关系得到：$\left[\begin{array}{c}\Delta T\\ \Delta ϵ\end{array}\right]=\frac{1}{K_{S1}{K}_{T2}-K_{T1}{K}_{S2}}\left[\begin{array}{cc}{K}_{T2}& -K_{T1}\\ -K_{S2}& K_{S1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\Delta f_1\\ \Delta f_2\end{array}\right]$其中，传感光纤的温度传感系数K_T1和K_T2，应变传感系数K_S1和K_S2，第一、第二传感光纤的瑞利散射光谱频移分别为ΔΔf₁和Δf₂。