本發(fā)明涉及分布式光纖傳感領(lǐng)域，具體是一種基于光頻域反射的混沌拉曼分布式傳感裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、拉曼分布式光纖傳感技術(shù)以光纖作為傳感元件和傳輸介質(zhì)，利用后向拉曼散射信息來探測(cè)傳感光纖沿線不同位置處的溫度場(chǎng)變化。因其具有連續(xù)性測(cè)溫、安全性高、耐腐蝕、本征安全以及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)際重點(diǎn)研究領(lǐng)域。在極地科考、地?zé)豳Y源勘察與開發(fā)、大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重大社會(huì)需求和應(yīng)用前景。

2、拉曼分布式光纖傳感技術(shù)可分為拉曼光時(shí)域反射技術(shù)與拉曼光頻域反射技術(shù)。拉曼光頻域反射技術(shù)使用的光源通常是峰值功率較低(毫瓦量級(jí))的頻率可調(diào)制的連續(xù)光源，相比于使用高峰值功率(瓦量級(jí))脈沖光源的拉曼光時(shí)域反射技術(shù)，其不僅使得激光光源和其他光學(xué)元件不易損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性，還具有成本優(yōu)勢(shì)。除此之外，拉曼光頻域反射技術(shù)使用連續(xù)光源對(duì)光學(xué)反射信號(hào)進(jìn)行窄帶探測(cè)，具有高空間分辨率(毫米級(jí))的優(yōu)勢(shì)。

3、然而傳統(tǒng)拉曼光頻域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)中，使用連續(xù)激光器作為系統(tǒng)光源，由于光纖中不同位置處的后向拉曼散射光頻率相同但相位不同，散射光到達(dá)光電探測(cè)器疊加后會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度相互抵消的現(xiàn)象，因此隨著調(diào)制信號(hào)頻率的增加，后向拉曼散射光功率迅速減小到皮瓦量級(jí)，極大地限制了系統(tǒng)的最大探測(cè)長(zhǎng)度，即長(zhǎng)傳感距離處的有效散射信號(hào)會(huì)淹沒在噪聲中，使得有效傳感距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值。這導(dǎo)致其難以滿足隧道、電力電纜、輸氣管道、大壩等重大基礎(chǔ)設(shè)施工程溫度安全監(jiān)測(cè)提出的長(zhǎng)傳感距離要求。基于以上原因，提高拉曼光頻域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的有效傳感距離，同時(shí)兼顧空間分辨率性能，是該系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸。

4、綜上所述，現(xiàn)有的拉曼光頻域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)在傳感距離上難以突破的技術(shù)瓶頸，極大地限制了拉曼光頻域反射分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用，因此有必要對(duì)現(xiàn)有拉曼光頻域反射分布式光纖傳感裝置和溫度解調(diào)方法進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了突破傳統(tǒng)拉曼光頻域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)中由于長(zhǎng)傳感距離處有效散射信號(hào)淹沒在噪聲中導(dǎo)致傳感距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值的技術(shù)瓶頸，本發(fā)明提出了一種基于光頻域反射的混沌拉曼分布式傳感裝置及方法，以滿足拉曼光頻域分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)長(zhǎng)傳感距離兼顧高空間分辨率的要求。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于光頻域反射的混沌拉曼分布式光纖傳感裝置，包括：混沌光源、光隔離器、電光調(diào)制器、摻餌光纖放大器、分光器、第一光電探測(cè)器、波分復(fù)用器、傳感光纖、第二光電探測(cè)器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計(jì)算機(jī)；

3、所述混沌光源發(fā)出的混沌激光依次經(jīng)光隔離器、電光調(diào)制器、摻餌光纖放大器后，被分光器分為兩束，其中一束作為參考光被第一光電探測(cè)器接收，另一束作為探測(cè)光經(jīng)波分復(fù)用器后進(jìn)入傳感光纖，在傳感光纖沿線各點(diǎn)產(chǎn)生的拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器輸出后，被所述第二光電探測(cè)器接收；

4、所述電光調(diào)制器用于在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的驅(qū)動(dòng)下對(duì)混沌光源輸出的混沌激光進(jìn)行調(diào)制，使其輸出頻率步進(jìn)式的正弦混沌激光，所述第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器用于對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后發(fā)送給所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于采集各個(gè)調(diào)制頻率下的參考光信號(hào)和對(duì)應(yīng)的拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)并發(fā)送給所述計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)用于計(jì)算處理得到傳感光纖沿線的溫度分布。

5、所述計(jì)算機(jī)計(jì)算處理得到傳感光纖沿線的溫度分布的計(jì)算公式為：

6、

7、其中，t表示傳感光纖溫度，δv為拉曼頻移，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，hs(z)和has(z)分別表示拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)函數(shù)，γs、γas分別為拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的捕獲系數(shù)，αs與αas分別表示拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)在傳感光纖中的功率衰減系數(shù)，z表示傳感距離。

8、拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算公式為：

9、hs(z)＝re{ifft(hs(ωm))}；

10、has(z)＝re{ifft(has(ωm))}；

11、其中，re表示取實(shí)部運(yùn)算，ifft表示快速傅里葉逆變換，hs(ωm)和has(ωm)分別表示拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)頻率域的傳輸函數(shù)，其構(gòu)造公式為：

12、

13、其中，pms(ω)和pmas(ω)表示一個(gè)周期q內(nèi)的采集到的拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的強(qiáng)度的最大值，和表示拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的相對(duì)相位，。

14、相對(duì)相位的計(jì)算公式為：

15、

16、其中，表示參考光的相位，和分別表示拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位。

17、所述混沌光源包括：分布反饋激光器、環(huán)形器、光耦合器、偏振控制器、第一衰減器；所述分布反饋激光器經(jīng)環(huán)形器入射至光耦合器，光耦合器的第一輸出端輸出的激光經(jīng)偏振控制器、第一衰減器依次調(diào)節(jié)偏振和強(qiáng)度后返回所述環(huán)形器，經(jīng)環(huán)形器返回所述分布反饋激光器，擾動(dòng)其光場(chǎng)使其輸出混沌激光，光耦合器的第二輸出端用于作為混沌光源的輸出端，輸出混沌激光至所述光隔離器。

18、所述的一種基于光頻域反射的混沌拉曼分布式光纖傳感裝置，還包括第二衰減器，所述第二衰減器設(shè)置在第一光電探測(cè)器與分光器之間，用于衰減進(jìn)入第一光電探測(cè)器的光。

19、所述第二光電探測(cè)器為雪崩光電探測(cè)器，其包括兩個(gè)測(cè)量探頭，分別用于測(cè)量拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)。

20、此外，本發(fā)明還提供了一種基于光頻域反射的混沌拉曼分布式光纖傳感裝置的傳感方法，包括以下步驟：

21、步驟：控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使其輸出頻率步進(jìn)式的調(diào)制信號(hào)；

22、步驟：通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器探測(cè)的參考光、拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)；

23、步驟3：計(jì)算各個(gè)周期內(nèi)拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的相對(duì)相位，并構(gòu)造出拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)頻率域的傳輸函數(shù)，構(gòu)造公式為：

24、

25、其中，pms(ω)和pmas(ω)表示一個(gè)周期q內(nèi)的采集到的拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的強(qiáng)度的最大值，和表示拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的相對(duì)相位；hs(ωm)和has(ωm)分別表示拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)頻率域的傳輸函數(shù)；

26、步驟4：根據(jù)頻率域的傳輸函數(shù)，計(jì)算拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)時(shí)域響應(yīng)函數(shù)，計(jì)算得到傳感光纖沿線的溫度分布，計(jì)算公式為：

27、

28、其中，t表示傳感光纖溫度，δv為拉曼頻移，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，hs(z)和has(z)分別表示拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)函數(shù)，γs、γas分別為拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的捕獲系數(shù)，αs與αas分別表示拉曼后向stokes散射信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)在傳感光纖中的功率衰減系數(shù)，z表示傳感距離。

29、所述步驟3中，相對(duì)相位的計(jì)算公式為：

30、

31、其中，表示參考光的相位，和分別表示拉曼后向stokes散射光信號(hào)和拉曼后向anti-stokes散射光信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位。

32、所述步驟4中，拉曼后向stokes散射信號(hào)與拉曼后向anti-stokes散射信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算公式為：

33、hs(z)＝re{ifft(hs(ωm))}；

34、has(z)＝re{ifft(has(ωm))}；

35、其中，re表示取實(shí)部運(yùn)算，ifft表示快速傅里葉逆變換。

36、與現(xiàn)有拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)相比，本發(fā)明提出的一種基于光頻域反射的混沌拉曼分布式傳感裝置及方法，具有以下優(yōu)勢(shì)：

37、本發(fā)明用混沌光代替?zhèn)鹘y(tǒng)連續(xù)光，混沌光具有大幅度類噪聲的特點(diǎn)。混沌光寬帶和寬頻譜的特性使得噪聲對(duì)于該拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)的影響大大降低，從而提高了系統(tǒng)的信噪比，即在長(zhǎng)傳感距離仍然可以檢測(cè)到有效信號(hào)，且由于混沌光時(shí)序大幅度起伏的特性，可以極大增加拉曼自發(fā)散射信號(hào)的受激閾值，從而極大程度增加拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)在較低的激光功率(約50mw)下，兼顧分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)傳感距離(100km)上分布式溫度傳感的有效傳感。