一種基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，利用光纖中激發(fā)的某一個(gè)光模與對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模之間的互作用產(chǎn)生多峰布里淵增益譜，從多峰布里淵增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的某一特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，獲取布里淵頻移和/或布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的感知靈敏系數(shù)，構(gòu)成系數(shù)矩陣，通過(guò)求解矩陣方程獲取溫度和應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量；本發(fā)明提供的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，在消除溫度和應(yīng)變交叉敏感不利影響的同時(shí)，無(wú)需引入額外的測(cè)量機(jī)制或設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、魯棒性強(qiáng)，測(cè)量準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光纖聲光模互作用的溫 度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖作為傳輸介質(zhì)取代一系列密集的點(diǎn)狀傳感陣列，可 對(duì)光纖各處的溫度和應(yīng)變等傳感量進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量精度高、定位準(zhǔn)確和測(cè)量范圍廣的 優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。其應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是如 何對(duì)溫度和應(yīng)變實(shí)現(xiàn)同時(shí)且相互獨(dú)立的測(cè)量，排除兩者間的交叉影響，如實(shí)現(xiàn)排除溫度影 響的高精度應(yīng)變測(cè)量，以及排除應(yīng)變影響的高精度溫度測(cè)量。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)包括:早期多選用普通單模光纖進(jìn)行，將布里淵效應(yīng)與其它效應(yīng)相結(jié)合 進(jìn)行溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，譬如利用布里淵散射和拉曼散射相結(jié)合實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變同時(shí) 測(cè)量，或者利用保偏光纖的布里淵效應(yīng)和雙折射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。這類方法 需要額外的對(duì)拉曼散射信號(hào)或光纖的雙折射特性進(jìn)行測(cè)量，增加了系統(tǒng)搭建的難度以及實(shí) 際操作的復(fù)雜度。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)還包括:利用布里淵效應(yīng)中布里淵增益譜的多個(gè)不同特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè) 量，譬如通過(guò)對(duì)單模光纖中單個(gè)光模與單個(gè)聲?；プ饔卯a(chǎn)生的單峰布里淵增益譜的布里淵 頻移和布里淵增益系數(shù)兩個(gè)特征量進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的目的，或者利用 少模光纖中多個(gè)光模與單個(gè)聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多個(gè)單峰布里淵增益譜的某一個(gè)特征量進(jìn) 行比對(duì)測(cè)量，達(dá)到溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的目的。這類方法中并未利用光纖中激發(fā)的某一個(gè) 光模與對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模之間的互作用產(chǎn)生多峰布里淵增益譜，且這類方法中對(duì)于溫度和 應(yīng)變的感知靈敏度偏低，制約了溫度和應(yīng)變測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于光纖聲光?；プ饔?的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，具體的是利用光纖中激發(fā)的某一個(gè)光模與其對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲 模之間的互作用產(chǎn)生多峰布里淵增益譜，從多峰布里淵增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的某 一個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量;其目的 在于在溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量中消除溫度與應(yīng)變之間的交叉干擾，提高溫度和應(yīng)變測(cè)量的精 度和準(zhǔn)確度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè) 量方法，包括如下步驟：
[0007] (1)根據(jù)光波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的模式本征方程，以及光纖的結(jié)構(gòu)特性，獲得 光纖中允許激勵(lì)的所有光模的個(gè)數(shù)、種類及光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布；
[0008] (2)從所有允許激勵(lì)的光模中任意選取一個(gè)光模，根據(jù)聲波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿 足的模式本征方程，獲得該光模所對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模的個(gè)數(shù)、種類，以及多聲模在光纖橫截 面上的模場(chǎng)分布；
[0009] (3)根據(jù)所述聲波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的模式本征方程，獲得所述光模與對(duì)應(yīng) 多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多個(gè)布里淵頻移；
[0010]根據(jù)所述光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，以及所述光模所對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模的 個(gè)數(shù)、種類、多聲模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，以及布里淵增益系數(shù)與聲光模的模場(chǎng)耦合 效率的關(guān)系，獲得所述光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多個(gè)布里淵增益系數(shù)；
[0011] 并根據(jù)所述布里淵頻移和布里淵增益系數(shù)，獲得多峰布里淵增益譜；
[0012] (4)根據(jù)光纖橫截面上光波的折射率和聲波的縱向速率隨溫度和應(yīng)變變化的關(guān) 系，以及光波的折射率和聲波的縱向速率與布里淵增益譜的關(guān)系，獲得所述光模與對(duì)應(yīng)多 聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰布里淵增益譜隨溫度和應(yīng)變變化的關(guān)系；
[0013] (5)從所述光模與對(duì)應(yīng)多聲模互作用產(chǎn)生的多峰增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的 某一個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，獲取 布里淵頻移隨溫度的變化系數(shù)cf s、布里淵頻移隨應(yīng)變的變化系數(shù)c；：f、布里淵增益系數(shù) 隨溫度的變化系數(shù)^?^和布里淵增益系數(shù)隨應(yīng)變的變化系數(shù);
[0014] 并根據(jù)所述Cfs γ cf、Cfqpcjf' '建立布里淵頻移和/或布里淵增益系數(shù)與 溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣關(guān)系，通過(guò)求解矩陣方程獲取光纖的溫度和應(yīng)變。
[00?5] 優(yōu)選地，上述基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，光波場(chǎng)在光纖 中傳輸?shù)哪Ｊ奖菊鞣匠虨椋?br>[0017 ]聲波場(chǎng)在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ奖菊鞣匠虨椋?br>[0019]其中，E是指光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，λ是指入射光波長(zhǎng)，n是指光纖橫截 面上折射率分布，ne3ff是指光場(chǎng)基模在光纖中的有效折射率;其中，Um是指第m個(gè)聲模在光纖 橫截面上的模場(chǎng)分布，Ω η是指聲波的特征頻率，Vl是指聲波的縱向速率分布，聲波模式的傳 輸常數(shù)&。= = 2Jinef f/λ是光波模式的傳輸常數(shù)。
[0020] 優(yōu)選地，上述基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其光纖橫截面 上光波的折射率分布η與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為：
[0021] n = n〇[ 1+( 1 X 10-3+3 X 10-6 Δ Τ+1 · 5 X 10-7 Δ ε) X ω Ge
[0022] +(-3.3X10-3+3.6X10-6ΔΤ+7·5Χ10-7Δε)Χ ωΡ];
[0023] 其光纖橫截面上聲波的縱向速率分布Vi與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為：
[0024] V1 = Vi。[卜（7 · 2 X 10-3_4· 7 X 10-5 Δ T-2 · 1 X 10-6 Δ ε) X ω Ge
[0025] -(2.7X10-2-1.8X10-5ΔΤ_3·8Χ10-6Δε)Χ ωΡ];
[0026] 其中，no為光纖包層的折射率，Vio為光纖包層的縱向聲速，△ Τ為溫度變化量，Δ ε 為應(yīng)變變化量，ω&3為Ge的摻雜濃度，Wf*F的摻雜濃度。
[0027] 優(yōu)選地，上述基于光纖聲光模互作用的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，步驟(5)中，對(duì) 這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某兩個(gè)增益峰的布里淵頻移進(jìn)行比 對(duì)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量獲得的系數(shù)，建立這兩個(gè)增益峰的布里淵頻移隨溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣 關(guān)系：
[0029] 其中，ΔΤ為溫度變化量，Δ ￡為應(yīng)變變化量，ABFS1是指這兩個(gè)增益峰中的某一個(gè) 增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵頻移變化量，Δ BFS2是指這兩個(gè)增益峰中的另一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里 淵頻移變化量。
[0030] 優(yōu)選地，上述基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，步驟(5)中，對(duì) 這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某一個(gè)增益峰的布里淵頻移和布里 淵增益系數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量獲得的系數(shù)，建立這一個(gè)增益峰的布里淵頻移和布里 淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的的系數(shù)矩陣關(guān)系：
[0032]其中，Δ T為溫度變化量，Δ ￡為應(yīng)變變化量，Δ BFS是指這一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里 淵頻移變化量，A BGC是指這一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)變化量。
[0033] 優(yōu)選地，上述基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，步驟(5)中，對(duì) 這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某兩個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)進(jìn) 行比對(duì)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量獲得的系數(shù)，建立這兩個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的 系數(shù)矩陣關(guān)系：
[0035] 其中，ΔΤ為溫度變化量，Δ ￡為應(yīng)變變化量，ABGC1是指這兩個(gè)增益峰中的某一個(gè) 增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)變化量，ABGC2是指這兩個(gè)增益峰中的另一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的 布里淵增益系數(shù)變化量。
[0036] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0037] (1)本發(fā)明提供的基于光纖聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量的方法，利用光 纖中激發(fā)的某一個(gè)光模與其對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模之間的互作用產(chǎn)生多峰布里淵增益譜，從多 峰布里淵增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的某一個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增 益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，獲取布里淵頻移和/或布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變 的感知靈敏系數(shù)，構(gòu)成系數(shù)矩陣，通過(guò)求解矩陣方程獲取溫度和應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同 時(shí)測(cè)量；
[0038] (2)本發(fā)明提供的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的方法，不局限于某種特定的光纖種類，由 于可以在光纖允許激勵(lì)的所有光模中任意選取其中某一種光模，并在這個(gè)光模對(duì)應(yīng)的多聲 模所產(chǎn)生的多個(gè)增益峰中任意選取某兩個(gè)增益峰的某一個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選 取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，因此可根據(jù)實(shí)際激勵(lì)的光模與聲模的情況和 需求，選取容易測(cè)得或比對(duì)測(cè)量時(shí)性能更優(yōu)的模式進(jìn)行分析，增加了測(cè)量的靈活性；
[0039] (3)本發(fā)明提供的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法的關(guān)鍵在于從光纖介質(zhì)本身的聲光模 互作用機(jī)理出發(fā)，利用某一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模之間的互作用，使得其布里淵增 益譜具有多峰的特性，并對(duì)這種多峰的布里淵增益譜加以利用實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè) 量，因此并不限制采用何種具體的裝置和方法來(lái)測(cè)量布里淵增益譜，無(wú)論采用連續(xù)或脈沖 的信號(hào)光或栗浦光，采用直接探測(cè)或相干探測(cè)的方法均無(wú)限制，凡是能獲取布里淵增益譜 的裝置或方法均可；
[0040] 另一方面，與現(xiàn)有利用布里淵效應(yīng)結(jié)合上其他效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的技 術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，僅利用布里淵效應(yīng)這一種效應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的 同時(shí)測(cè)量，無(wú)需引入額外的測(cè)量機(jī)制或設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；
[0041] 另一方面，與現(xiàn)有利用布里淵效應(yīng)中一個(gè)或多個(gè)光模和單個(gè)聲模作用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度 和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，通過(guò)對(duì)光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用了 光纖中某一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多種聲模之間的互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量， 具有溫度和應(yīng)變感知靈敏度高、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1是本發(fā)明所提供的基于光纖中聲光?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法的流 程圖；
[0043]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中光纖中允許激勵(lì)的光模在對(duì)應(yīng)橫截面上的場(chǎng)分布圖；其中， 圖2(a)是光模LP01在光纖橫截面上的場(chǎng)分布圖，圖2(b)是光模LP11在光纖橫截面上的場(chǎng)分 布圖；
[0044]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中光纖中允許激勵(lì)的聲模A0m、Alm和A2m族對(duì)應(yīng)橫截面上的場(chǎng) 分布圖；
[0045]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中選取LP01或LP11光模時(shí)，光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲?；プ?用產(chǎn)生的多峰布里淵增益譜;其中，圖4(a)是選取LP01光模時(shí)對(duì)應(yīng)的多峰布里淵增益譜，圖 4 (b)是選取LP11光模時(shí)對(duì)應(yīng)的多峰布里淵增益譜；
[0046] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中選取LP11光模時(shí)，光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲?；プ饔卯a(chǎn)生 的多峰布里淵增益譜隨溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系圖；其中，圖5(a)是多峰布里淵增益譜隨應(yīng) 變的變化關(guān)系圖，圖5(b)是多峰布里淵增益譜隨溫度的變化關(guān)系圖；
[0047] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中選取LP11光模時(shí)，多峰布里淵增益譜的多個(gè)布里淵頻移和 布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系圖；其中，圖6(a)是多個(gè)布里淵頻移隨應(yīng)變的變 化關(guān)系圖，圖6(b)是多個(gè)布里淵頻移隨溫度的變化關(guān)系圖，圖6(c)是多個(gè)布里淵增益系數(shù) 隨應(yīng)變的變化關(guān)系圖，圖6(d)是多個(gè)布里淵增益系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼 此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0049] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于光纖中聲光 ?；プ饔玫臏囟群蛻?yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其流程如圖1所示，具體包括如下步驟：
[0050] (1)根據(jù)光波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的模式本征方程，以及光纖的具體結(jié)構(gòu)特性， 獲得光纖中允許激勵(lì)的所有光模的個(gè)數(shù)、種類及其在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布；
[0051] (2)從所有允許激勵(lì)的光模中選取任意的某一個(gè)光模，根據(jù)聲波場(chǎng)在光纖中傳輸 所滿足的模式本征方程，獲得這個(gè)光模所對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模的個(gè)數(shù)、種類及其光纖橫截面 上的模場(chǎng)分布；
[0052] (3)根據(jù)所述聲波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的模式本征方程，獲得這個(gè)光模與對(duì)應(yīng) 多聲模互作用產(chǎn)生的多個(gè)布里淵頻移;根據(jù)所述這個(gè)光模及其對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模的個(gè)數(shù)、 種類及其光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，以及布里淵增益系數(shù)與聲光模的模場(chǎng)耦合效率的關(guān) 系，獲得這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲模互作用產(chǎn)生的多個(gè)布里淵增益系數(shù);并根據(jù)所述布里淵頻 移和布里淵增益系數(shù)，獲得多峰布里淵增益譜；
[0053] (4)根據(jù)光纖橫截面上光波的折射率和聲波的縱向速率隨溫度和應(yīng)變變化的關(guān) 系，以及光波的折射率和聲波的縱向速率與布里淵增益譜的關(guān)系，獲得這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多 聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰布里淵增益譜隨溫度和應(yīng)變變化的關(guān)系；
[0054] (5)從這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的 某一個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，獲取 布里淵頻移隨溫度的變化系數(shù)cfs、布里淵頻移隨應(yīng)變的變化系數(shù)C；f、布里淵增益系數(shù) 隨溫度的變化系數(shù)cfe和布里淵增益系數(shù)隨應(yīng)變的變化系數(shù)c；：f 3并根據(jù)所述 cfs、c；f、cf6和cy，建立布里淵頻移和/或布里淵增益系數(shù)與溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩 陣關(guān)系，通過(guò)求解矩陣方程獲取光纖的溫度和應(yīng)變。
[0055] 以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0056] 光波場(chǎng)與聲波場(chǎng)在光纖中傳輸各自所滿足的模式本征方程分別如下式所;^:
[0059] 其中，E是指光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，λ是指入射光波長(zhǎng)，n是指光纖橫截 面上折射率分布，ne3ff是指光場(chǎng)基模在光纖中的有效折射率;其中，Um是指第m個(gè)聲模在光纖 橫截面上的模場(chǎng)分布，Ωη是指聲波的特征頻率，Vl是指聲波的縱向速率分布，聲波模式的傳 輸常數(shù)&。= = 2Jinef f/λ是光波模式的傳輸常數(shù)。
[0060] 當(dāng)通過(guò)調(diào)控具體的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如其相對(duì)折射率差、纖芯材料、纖芯直徑和包 層結(jié)構(gòu)等，通過(guò)將光波長(zhǎng)λ和光纖橫截面上折射率分布n(x，y)帶入公式（1)中，計(jì)算獲得光 纖中允許激勵(lì)的所有光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布E(x，y)及其對(duì)應(yīng)的有效折射率n eff; 從所有允許激勵(lì)的光模中選取任意的某一個(gè)光模，將這個(gè)光模對(duì)應(yīng)的有效折射率nrff帶入 公式(2)中，進(jìn)一步計(jì)算獲得光纖中這個(gè)光模對(duì)應(yīng)激勵(lì)的所有聲模在光纖橫截面上的模場(chǎng) 分布u m(x，y)及其對(duì)應(yīng)的布里淵頻移Pj = Ω," / 2;r。
[0061] 在本發(fā)明實(shí)施例中，以某一種漸變折射率結(jié)構(gòu)的少模光纖舉例來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其中 允許存在的光模有LP01和LP11模式。當(dāng)選取的光模為L(zhǎng)P01模式時(shí)，主要參與作用的聲模為 AOm族;當(dāng)選取的光模為L(zhǎng)P11模式時(shí)，主要參與作用的聲模為AOm和A2m族。
[0062 ]每個(gè)傳導(dǎo)聲模用Akm來(lái)表不，其中k表不場(chǎng)量沿圓周方向分布的整個(gè)駐波的個(gè)數(shù)， 也表示貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，m表示場(chǎng)量沿半徑方向最大值的個(gè)數(shù)，k和m決定了相應(yīng)模式在橫 截面上的場(chǎng)分布。
[0063]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，光纖中允許激勵(lì)的光模LP0ULP11在對(duì)應(yīng)橫截面上的場(chǎng)分 布圖，其中LP01光模為圓對(duì)稱模場(chǎng)分布，LP11光模為非圓對(duì)稱模場(chǎng)分布，由此可任意選取其 中的一種光模進(jìn)行后續(xù)分析。
[0064]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中，光纖中允許激勵(lì)的聲模A0m、Alm和A2m族對(duì)應(yīng)橫截面上的 場(chǎng)分布圖，其中A01族聲模為圓對(duì)稱模場(chǎng)分布，Aim和A2m族聲模為非圓對(duì)稱模場(chǎng)分布，具體 存在的聲模有AOm族的401^02^03 41111族的411^12^13和42111族的421^22^23等。
[0065]對(duì)于多個(gè)聲模參與的受激布里淵效應(yīng)，每個(gè)聲波模式的聲光耦合系數(shù)13°可以表示 為：
[0067]光場(chǎng)的有效模場(chǎng)面積Aeff可以表示為：
[0069]其中，El和E2分別為信號(hào)光與栗浦光的模場(chǎng)分布，Aa°表不聲光?；プ饔糜行娣e， 其與光場(chǎng)的有效模場(chǎng)面積Aeff之間的關(guān)系為Aa°=Aeff/I a°，則布里淵增益系數(shù)可以表示為：
[0071] 根據(jù)以上布里淵增益系數(shù)與聲光模的模場(chǎng)交疊有效面積的關(guān)系，即可獲得這一個(gè) 光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的布里淵增益系數(shù)，結(jié)合布里淵頻移構(gòu)成多峰布里 淵增益譜。
[0072] 布里淵增益譜與布里淵頻移和布里淵增益系數(shù)的關(guān)系如下式所示：
[0074]其中，Na。是這個(gè)光模對(duì)應(yīng)激勵(lì)的聲模的個(gè)數(shù)，ΔνΒ是每個(gè)增益單峰的譜寬，6?和 BFSm*別是第m個(gè)聲模作用產(chǎn)生的布里淵增益系數(shù)和布里淵頻移。
[0075]圖4為本發(fā)明提供的選取LP01或LP11光模時(shí)，這一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模 互作用產(chǎn)生的多峰布里淵增益譜。當(dāng)選取LP01光模時(shí)，布里淵增益譜包含三個(gè)增益單峰，分 別由聲模A0UA02和A03作用產(chǎn)生；當(dāng)選取LP11光模時(shí)，布里淵增益譜包含四個(gè)增益單峰，分 別由聲模A01、A02、A03和A21、A22、A23作用產(chǎn)生，其中A02和A21、A03和A22作用產(chǎn)生的增益 單峰相互重疊，因此構(gòu)成四峰布里淵增益譜。
[0076]根據(jù)光纖橫截面上光波的折射率分布η和聲波的縱向速率分布Vi受到熱光效應(yīng)和 彈光效應(yīng)而隨溫度和應(yīng)變發(fā)生變化的關(guān)系，建立多峰布里淵增益譜隨溫度和應(yīng)變的關(guān)系， 其中光纖橫截面上光波的折射率分布η和聲波的縱向速率分布Vi與溫度和應(yīng)變的關(guān)系式 為：
[0079] 其中，no和Vio分別為光纖包層的折射率與縱向聲速，△ T為溫度變化量，△ ε為應(yīng)變 變化量，ω dP ω汾別表示Ge和F的參雜濃度。
[0080] 隨著光纖橫截面上光波的折射率分布n(x，y)和聲波的縱向速率分布Vi(x，y)的變 化，光纖中允許存在的光模與聲模的模場(chǎng)分布也隨之變化，從而引起布里淵頻移和布里淵 增益系數(shù)的變化。
[0081] 圖5為本發(fā)明提供的選取LP11光模時(shí)，這一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲?；プ饔?產(chǎn)生的多峰布里淵增益譜隨溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系圖，當(dāng)選取LP01光模時(shí)的情況與之類 似，在此不再贅述。
[0082]圖5(a)是選取LP11光模時(shí)，這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模互作用產(chǎn)生的多峰布里 淵增益譜隨應(yīng)變的變化關(guān)系圖，從該圖中可見(jiàn)隨著應(yīng)變的逐漸增大，多峰布里淵增益譜向 著高頻方向移動(dòng)，各個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)也隨之增大或減??；
[0083]圖5(b)是選取LP11光模時(shí)，這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模互作用產(chǎn)生的多峰布里 淵增益譜隨溫度的變化關(guān)系圖，從該圖中可見(jiàn)隨著溫度的逐漸增大，多峰布里淵增益譜也 向著高頻方向移動(dòng)，各個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)也隨之增大或減小，這與光纖的具體結(jié) 構(gòu)參數(shù)以及參與作用的光模和聲模的場(chǎng)分布均有關(guān)系。
[0084] 通過(guò)在溫度不變的條件下改變光纖應(yīng)變，并在應(yīng)變?yōu)榱愕臈l件下改變光纖溫度， 選取某一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的聲?；プ饔孟庐a(chǎn)生的多峰布里淵增益譜的多個(gè)布里淵頻 移和多個(gè)布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的關(guān)系，獲得布里淵頻移隨溫度的變化系數(shù)C TBFS、 布里淵頻移隨應(yīng)變的變化系數(shù)C〗f、布里淵增益系數(shù)隨溫度的變化系數(shù)和布里淵增益 系數(shù)隨應(yīng)變的變化系數(shù)C，。
[0085] 圖6為本發(fā)明提供的選取LP11光模時(shí)，多峰布里淵增益譜的多個(gè)布里淵頻移和布 里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系圖，其中圖6(a)是多峰布里淵增益譜中四個(gè)增益峰 的布里淵頻移隨應(yīng)變的變化關(guān)系圖，圖6(b)是多峰布里淵增益譜中四個(gè)增益峰的布里淵頻 移隨溫度的變化關(guān)系圖，圖6(c)是多峰布里淵增益譜中四個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)隨應(yīng) 變的變化關(guān)系圖，圖6(d)是多峰布里淵增益譜中四個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)隨溫度的變 化關(guān)系圖。
[0086] 由圖6分析得知，多峰布里淵增益譜的多個(gè)布里淵頻移和布里淵增益系數(shù)隨溫度 和應(yīng)變的變化均呈現(xiàn)線性關(guān)系，且某一個(gè)光模對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多個(gè)不同的聲模作用產(chǎn)生的布里 淵頻移和布里淵增益系數(shù)隨溫度或應(yīng)變的變化系數(shù)均不相同，因此能夠通過(guò)建立布里淵頻 移和布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣關(guān)系，求解矩陣方程實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí) 測(cè)量，分離溫度和應(yīng)變的交叉影響。
[0087]具體而言，根據(jù)選擇的布里淵增益譜中測(cè)量特征量的不同，又可細(xì)分為三種不同 的對(duì)比測(cè)量方法：
[0088] (1)選取這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某兩個(gè)增益峰的布 里淵頻移進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，即建立這兩個(gè)增益峰的布里淵頻移隨溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣公 式：
[0090] 其中，ΔΤ為溫度變化量，Δ ￡為應(yīng)變變化量，ABFS1是指這兩個(gè)增益峰中的某一個(gè) 增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵頻移變化量，Δ BFS2是指這兩個(gè)增益峰中的另一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里 淵頻移變化量。
[0091] (2)選取這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲模互作用產(chǎn)生的多峰增益譜中的某一個(gè)增益峰的布 里淵頻移和布里淵增益系數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，即建立這一個(gè)增益峰的布里淵頻移和布里淵增 益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣公式：
[0093]其中，Δ T為溫度變化量，Δ ￡為應(yīng)變變化量，Δ BFS是指這一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里 淵頻移變化量，A BGC是指這一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)變化量。
[0094] (3)選取這個(gè)光模與對(duì)應(yīng)多聲模互作用產(chǎn)生的多峰增益譜中的某兩個(gè)增益峰的布 里淵增益系數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，即建立這兩個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的系數(shù) 矩陣公式：
[0096] 其中，ΔΤ為溫度變化量，Δ ￡為應(yīng)變變化量，ABGC1是指這兩個(gè)增益峰中的某一個(gè) 增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)變化量，ABGC2是指這兩個(gè)增益峰中的另一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的 布里淵增益系數(shù)變化量。
[0097] 需要特別指出的是，發(fā)明實(shí)施例中，可在光纖允許激勵(lì)的多種光模中任意選取其 中某一種光模進(jìn)行分析，從這個(gè)光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模的互作用產(chǎn)生的多峰布里淵增 益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的某一個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩 個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，即不僅可以利用低階的光模與對(duì)應(yīng)多聲模的互作用產(chǎn)生多峰布里 淵增益譜，還可以利用高階的光模與對(duì)應(yīng)多聲模的互作用產(chǎn)生多峰布里淵增益譜。
[0098]本發(fā)明實(shí)施例中，在這一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模之間的互作用產(chǎn)生的多峰 布里淵增益譜中，相鄰兩個(gè)增益峰的頻率間隔(約為140MHz)遠(yuǎn)大于每個(gè)增益單峰的增益譜 寬（約35MHz)，因此不同的聲模參與作用所產(chǎn)生的增益單峰不會(huì)在頻譜上相互重疊，從而形 成可分辨的多峰增益譜譜型。
[0099]本發(fā)明實(shí)施例中，在這一種光模及其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模之間的互作用產(chǎn)生的多峰 布里淵增益譜中，相鄰兩個(gè)增益峰的峰值增益系數(shù)之差均在10dB以內(nèi)，有利于在實(shí)際測(cè)量 過(guò)程中提高對(duì)布里淵頻移和布里淵增益系數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0100] 需要特別說(shuō)明的是，本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所作的說(shuō)明是描述性而不是限定性的，例 如圖2和圖3中允許激勵(lì)的光模和聲模的種類并不局限于只有LP01、LP11和AO 1、AOm、A2m族， 根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，其中允許激勵(lì)的光模與聲模種類會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。圖4中某一種 光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰布里淵增益譜的譜型，具體包括增益峰的個(gè) 數(shù)、每個(gè)增益峰的增益系數(shù)以及不同增益峰之間的頻率間隔等都會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。
[0101] 通過(guò)本發(fā)明所述方法，利用光纖中某一種光模與其對(duì)應(yīng)激勵(lì)的多聲模之間的互作 用產(chǎn)生多峰布里淵增益譜，從多峰布里淵增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的某一個(gè)特征量進(jìn) 行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變 的同時(shí)測(cè)量，消除溫度和應(yīng)變交叉敏感的不利影響，并且無(wú)需引入額外的測(cè)量機(jī)制或設(shè)備， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、魯棒性強(qiáng)，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0102] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光纖聲光模互作用的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步 驟： (1) 根據(jù)光波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的模式本征方程，以及光纖的結(jié)構(gòu)特性，獲得光纖 中允許激勵(lì)的所有光模的個(gè)數(shù)、種類及光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布； (2) 從所有允許激勵(lì)的光模中任意選取一個(gè)光模，根據(jù)聲波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的 模式本征方程，獲得所述光模所對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模的個(gè)數(shù)、種類，以及多聲模在光纖橫截面 上的模場(chǎng)分布； (3) 根據(jù)所述聲波場(chǎng)在光纖中傳輸所滿足的模式本征方程，獲得所述光模與對(duì)應(yīng)多聲 模互作用產(chǎn)生的多個(gè)布里淵頻移； 根據(jù)所述光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，以及所述光模所對(duì)應(yīng)激發(fā)的多聲模的個(gè) 數(shù)、種類、多聲模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，以及布里淵增益系數(shù)與聲光模的模場(chǎng)耦合效 率的關(guān)系，獲得所述光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多個(gè)布里淵增益系數(shù)； 并根據(jù)所述布里淵頻移和布里淵增益系數(shù)，獲得多峰布里淵增益譜； (4) 根據(jù)光纖橫截面上光波的折射率和聲波的縱向速率隨溫度和應(yīng)變變化的關(guān)系，以 及光波的折射率和聲波的縱向速率與布里淵增益譜的關(guān)系，獲得所述光模與對(duì)應(yīng)多聲?；?作用產(chǎn)生的多峰布里淵增益譜隨溫度和應(yīng)變變化的關(guān)系； (5) 從所述光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中任意選取兩個(gè)增益峰的某一 個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，或任意選取一個(gè)增益峰的某兩個(gè)特征量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，獲取布里 淵頻移隨溫度的變化系數(shù)Cf s、布里淵頻移隨應(yīng)變的變化系數(shù)、布里淵增益系數(shù)隨溫 度的變化系數(shù)Cf ^和布里淵增益系數(shù)隨應(yīng)變的變化系數(shù)C；：f ; 并根據(jù)所述Cfs、C；f、建立布里淵頻移和/或布里淵增益系數(shù)與溫度 和應(yīng)變的系數(shù)矩陣關(guān)系，通過(guò)求解矩陣方程獲取光纖的溫度和應(yīng)變。2. 如權(quán)利要求1所述的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，光波場(chǎng)在光纖中傳輸?shù)?模式本征方程為：聲波場(chǎng)在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ奖菊鞣匠虨椋浩渲?，E是指光模在光纖橫截面上的模場(chǎng)分布，λ是指入射光波長(zhǎng)，n是指光纖橫截面上 折射率分布，ne3ff是指光場(chǎng)基模在光纖中的有效折射率;其中，Um是指第m個(gè)聲模在光纖橫截 面上的模場(chǎng)分布，Ω m是指聲波的特征頻率是指聲波的縱向速率分布，聲波模式的傳輸常 數(shù)= 2β〇ρ?；，Popt = 2Jinef f/λ是光波模式的傳輸常數(shù)。3. 如權(quán)利要求1或2所述的的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，所述光纖橫截面 上光波的折射率分布η與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為： n = n〇[ 1+( 1 X 10-3+3 X 10-6 Δ Τ+1 · 5 X 10-7 Δ ε) X ω Ge + (-3 · 3 X 10-3+3 · 6 X 10-6 Δ T+7 · 5 X 10-7 Δ ε) X ω F]; 所述光纖橫截面上聲波的縱向速率分布Vi與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為： Vi = Vio[l-(7.2X10-3-4.7X10-5ΔΤ-2·1Χ10-6Δ ε)Χ coGe -(2 · 7 X 10-2-1 · 8 X 10-5 Δ T-3 · 8 X 10-6 Δ ε) X ω F]; 其中，no為光纖包層的折射率，Vio為光纖包層的縱向聲速，△ Τ為溫度變化量，△ ε為應(yīng) 變變化量，為Ge的摻雜濃度，cof*F的摻雜濃度。4. 如權(quán)利要求1所述的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，步驟(5)具體為:對(duì)所述 光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某兩個(gè)增益峰的布里淵頻移進(jìn)行比對(duì)測(cè) 量，根據(jù)測(cè)量獲得的系數(shù)cfsl、c，、CfS2和C；：f，建立所述兩個(gè)增益峰的布里淵頻移隨 溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣關(guān)系：，. 其中，A T為溫度變化量，△ ε為應(yīng)變變化量，△ BFS1是指所述兩個(gè)增益峰中的某一個(gè)增 益峰對(duì)應(yīng)的布里淵頻移變化量，△ BFS2是指所述兩個(gè)增益峰中的另一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的布里 淵頻移變化量。5. 如權(quán)利要求1所述的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，步驟(5)具體為:對(duì)所述 光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某個(gè)增益峰的布里淵頻移和布里淵增益 系數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量獲得的系數(shù)cfs、c；f、cflpcf，建立所述增益峰的布 里淵頻移和布里淵增益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣關(guān)系：其中，A T為溫度變化量，△ ε為應(yīng)變變化量，△ BFS是指所述增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵頻移 變化量，A BGC是指所述增益峰對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)變化量。6. 如權(quán)利要求1所述的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，步驟(5)具體為:對(duì)所述 光模與對(duì)應(yīng)多聲?；プ饔卯a(chǎn)生的多峰增益譜中的某兩個(gè)增益峰的布里淵增益系數(shù)進(jìn)行比 對(duì)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量獲得的系數(shù)CfC1、和C〗f2，建立所述兩個(gè)增益峰的布里淵增 益系數(shù)隨溫度和應(yīng)變的系數(shù)矩陣關(guān)系：其中，AT為溫度變化量，△ ε為應(yīng)變變化量，ABGC1是指所述兩個(gè)增益峰中的某一個(gè)增 益峰對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)變化量，ABGC2是指所述兩個(gè)增益峰中的另一個(gè)增益峰對(duì)應(yīng)的 布里淵增益系數(shù)變化量。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK105865655SQ201610352865
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】柯昌劍, 周欣, 邢晨, 羅志祥, 劉德明
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)