基于一种高精度解调法的布里渊温度传感系统

　　0　引言

　　分布式光纤传感器可以测量沿光纤轴向分布的每一点的被测信息,具有良好的应用前景。其通常采用一窄光脉冲在光纤中传输,并在光纤的发送端接收瑞利、布里渊和拉曼等背向散射信号,通过对散射信号强度、频率或相位等参数进行解调以获取测量信息,属于典型的光纤智能蒙皮技术。随着分布式光纤温度传感器在电力设备、土木工程、水利设施和通信光缆等领域的温度监控和定位中的广泛应用,近些年来日本、美国、加拿大和瑞典等一些发达国家对其进行了大量的理论及实验研究[1-6]。目前,基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器技术相对成熟,而布里渊散射也具有温度敏感性(其温度灵敏度为0.3%℃-1)[7],且其强度比拉曼散射信号高一个数量级,信噪比相对较高。因此,基于布里渊散射的分布式温度传感技术越来越受到关注。对于强度解调的光纤布里渊传感系统,若直接采用布里渊散射与瑞利散射强度比值来计算温度大小的传统解调方法往往不能抑制光源和探测器的温漂、光纤应力及光路中引入的噪声[6],且长时间的测量将导致测温精度越来越低,不能准确反映传感光纤的当前状态。本文在所设计的布里渊温度传感系统中,将测量温度范围分成多个正交区域,并通过传统解调方法获取待测温度曲线后,首先确定其所处温度区域,然后采用与该区域对称的数个区域的边界标定温度解调出偶数个测量温度,取其平均值作为测量值。该方法可以有效地消除上述影响,提高测量精度,不需要恒温槽定标就可以获得良好的结果,降低系统成本。实验表明测温精度可达±0.07 K。

　　1　传感原理及解调方法

　　分布式光纤布里渊温度传感器系统中,温度信号能对布里渊散射信号的频率或强度产生调制[8],通过采用OTDR(光时域反射仪)方法获得沿光纤的温度分布,其原理图如图1所示。在信号解调时,由于基于强度的解调系统光路结构简单,因此被广泛采用。研究表明,光纤自发布里渊散射信号中斯托克斯和反斯托克斯两个分量的总强度可由式(1)表示[6]:

式中,IB(l)与IR(l)分别为光纤中的自发布里渊散射与瑞利散射强度,T(l)为光纤中某点的温度,Tf为材料构型平衡温度,βT为等温压缩系数,ρ为材料密度,va为声速。其中ρ与va均为应变的函数[9]。式(1)表明,自发布里渊散射强度为温度和应变的函数,但是应变对强度的影响远远小于温度的影响[8]。当光纤所受应变均匀或为零时,则可以采用光纤的瑞利散射OTDR曲线解调布里渊散射OTDR曲线,得到沿光纤的温度分布,即

然而,在实际测量系统中,沿光纤的应力分布往往并不完全相等或为零。因此,要减小应力对温度测量的影响,可以采用预先测得的温度曲线T0(l)来解调测量温度曲线T(l),即通过式(3)来确定光纤上的温度分布: