CN101290245A - 全传感干涉型光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全传感干涉型光时域反射仪，包括发射和接收光信号处理模块[100]，传感光纤[101]及传感光纤[102]构成全传感干涉型光时域反射仪；发射和接收光信号处理模块[100]包括计算机[1]、光源驱动器[2]、光源[3]、探测器[4]、带探测器的电路处理板[5]和光纤耦合器[6]；两路传感光纤[101]、[102]成缆，实现长距离分布式振动、冲击检测与定位。单个全传感干涉型光时域反射仪加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积振动、冲击现象。多个反射仪联网，实现远程智能监测。

Description

全传感干涉型光时域反射仪

技术领域

本发明公开一种全传感干涉型光时域反射仪，涉及振动、冲击的分布式测量，属于安全预防技术领域。

背景技术

维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。对通信光缆、高压电网、输油管道、输气管道、桥梁、大坝、建筑物等基础设施进行安全监测，以确定健康、维护需求、寿命和其它特性，不仅是这些设施实现技术性功能的保障，更是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。

近年来光纤信息传输的绝对安全性已被打破，针对陆地光缆线路的窃听事件屡有报道，而相关媒体披露的美国中央情报局海底光缆窃听计划更引起人们对海底光缆信息传输安全性的充分重视。如何及时发现并精确定位这些事故更是一种挑战。

随着管道运输行业的发展，各种管道运输安全监测技术也在不断发展，目前已有的管道安全生产监测技术主要有两类。其一：管道泄漏事件发生后的监测技术，这种技术主要有“管内流体力学状态检测技术”。管内流体力学状态检测技术是实时采集管线中流体的流量、温度和压力等信号，进行管道泄漏检测和定位，这种技术受到管道内的流体特性、输送工艺以及测试仪器的性能等因素限制，对管道泄漏监测的灵敏度和定位精度较低，这类技术包括：压力梯度法、负压力波法、流量平衡法。其二，管道破坏事件发生前的预防监测技术，也就是管道破坏预警技术，目前已有的该类技术主要是“声波技术监测”，该技术是利用声波沿管道传输原理，在每隔1km左右安装一个有源传感器，拾取管道沿线的声音信号加以分析，确定事件性质，进而对破坏管道的事件提前发现，但是每一个传感器件必须配备一套供电装置和通信装置，不仅增加设备的投资和维护成本，且这些设施本身也容易遭到破坏，使装置不能正常运行。

随着光纤传感技术的发展，长距离分布式光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测和通信光缆安全监测，主要有光后散射法和光干涉法。光后散射法基于瑞利、拉曼、布里渊、偏振原理，利用外部事件对光纤传输特性的影响，通过定位检测光纤中后散光强变化来判断局部外力、温度变化，进而能评估管线的安全状况。对于管道来说，分布式光纤温度和应力监测技术是利用光纤的非线性特性(拉曼效应和布里渊效应)实时采集管道泄漏的介质对光纤的温度影响和冲击应力来确定泄漏点的位置，这种技术只有布里渊效应返回的光信号最强，可实现单次采集并计算监测数据，其余需上千次平均后才达到计算监测数据的信噪比。

光干涉法具有灵敏度高、动态范围大、响应快、传输距离长，可满足长距离、微小振动检测要求。中国发明专利申请200410020046.6、200410040282.4、200610113044.0、200510023104.5、200610090594.5，200710051004.2等构成某种闭合回路，实现干涉条件来检测微小振动，但这些干涉法只能实现在整个传感路径上检测一个点，传感路径上同时出现两点及两点以上就无能为力了。

发明内容

本发明的目的在于采用全传感干涉型光瑞利后散射法构成低成本的安全监测***，实现长距离分布式振动、冲击检测与定位。为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：包括发射和接收光信号处理模块[100]，传感光纤[101]及传感光纤[102]构成全传感干涉型光时域反射仪(如图1所示)；发射和接收光信号处理模块[100]包括计算机[1]、光源驱动器[2]、光源[3]、探测器[4]、带探测器的电路处理板[5]和光纤耦合器[6]；两路传感光纤[101]、[102]成缆。

本发明的工作原理：如图1所示，计算机[1]控制光源驱动器[2]使光源[3]按一定的频率发射光脉冲，脉宽小于10ns(避免受激布里渊散射)，光脉冲功率使每条光纤线上的光脉冲功率小于等于受激拉曼散阈值。光脉冲输入2×2光纤耦合器[6]，优选耦合器[6]功分比为1∶1，分成两束等量的光脉冲分别在两路传感光纤[101]、[102]中传播，传感光纤[101]上某些点受外界振动、冲击作用后光脉冲功率幅度变小，变化系数S_1i≤1，以及相位变化φ_1i，传感光纤[102]与传感光纤[101]上相同点受同样外界振动、冲击作用后光脉冲功率幅度变小，变化系数S_2i≤1，以及相位变化φ_2i。传感光纤[101]和传感光纤[102]中的光同时进行瑞利散射，其中后散射光沿光纤原路返回到耦合器[6]进行相干干涉，它们继续传播后被光探测器[4]转换为电信号，再由电路处理板[5]转换为数字信号，由计算机[1]处理、计算出传感光纤线路上这些振动、冲击位置。

有利地提高入射光束质量，光源[3]优选脉冲光纤激光器。

有利地传感光纤[102]上设置偏振制控器[7]，保证相干干涉比最大。

有利地电路处理板[5]上的模数转换器的转换时间等于光脉冲脉宽。

有利地光脉冲发射时间间隔大于光在光纤中来回传播时间。

设传感光纤[101]及传感光纤[102]长度为L米，传感光纤[101]、[102]距处理模块[100]长度l米上有m个振动、冲击点，那么返回光功率为：

$P\left(\frac{2\mathrm{nl}}{c}\right)=\frac{1}{4}{\mathrm{Pe}}^{-2\mathrm{\αl}}{r}_1{r}_2(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_{1i}^2+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_{2i}^2+2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_{1i}{S}_{2i}\cos \left(2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{1i}-{\mathrm{\φ}}_{2i})\right))---\left(1\right)$

式(1)中P为入射功率，r₁为散射系数，r₂为后散射因子，n为光纤折射率，c为光在真空中速度。如果去掉传感光纤[101]，返回光功率只是：

$P_1\left(\frac{2\mathrm{nl}}{c}\right)=\frac{1}{4}{\mathrm{Pe}}^{-2\mathrm{\αl}}{r}_1{r}_2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_{1i}^2---\left(2\right)$

式(1)除以式(2)得：

$P\left(\frac{2\mathrm{nl}}{c}\right)\backslash P_1\left(\frac{2\mathrm{nl}}{c}\right)=1+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{\left(\frac{S_{2i}}{S_{1i}}\right)}^2+2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}\frac{S_{2i}}{S_{1i}}\cos \left(2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{1i}-{\mathrm{\φ}}_{2i})\right)---\left(3\right)$

由于S_1i≈S_2i≤1及 $\left|\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{1i}-{\mathrm{\φ}}_{2i})\right|\→0,$ 显然干涉型公式(1)比直接型公式(2)的光信噪比提高6dB，电信噪比提高12dB。

在每条传感光纤上传播的光脉冲功率都接近受激拉曼散阈值时，有利地提高返回光功率，传感光纤并行铺设两条以上，只需数字平均几十次就能检测振动、冲击位置及相对强度，这样每次反射仪工作时间大大减少，提高了反射仪寿命。所有传感光纤条数优选为2的整数倍，便于使用数个2×2光纤耦合器来连接这些光纤。

单个全传感干涉型光时域反射仪加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积振动、冲击现象。多个反射仪联网，实现远程智能监测。

本发明优点：

①、应用广泛：即可应用于管线的安全监测，又可以应用于大面积的安全监测。

②、检测灵敏度高、监测距离远：设置光源[3]发射时间间隔大于光在光纤中来回传播时间，返回相干光脉冲不能混杂，反射仪信噪比得到保证；电路处理板[5]上的模数转换器的转换时间等于光脉冲持续时间使得电信号无失真现象。随着传感光纤条数增加，总入射光功率增加，同时后散射返回来的光相干叠加，其检测灵敏度和检测距离相应增加。

③、定位精度高：采用小于10ns的短脉冲激光，理论上可以获得小于2m的定位误差。

④、同时定位多点振动、冲击位置：采用光时域反射仪具有同时检测多点特征点功能。

⑤、本发明数字平均次数大大减少，，每次反射仪工作时间就较少，提高仪器的使用寿命。

附图及附图说明

图1本发明原理结构图；

图2本发明四条传感光纤结构图；

图3本发明图2实施例采集的光电信号后散射图；

本发明说明书和附图中参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。

具体实施方式

为了概括本发明起见，本文描述了本发明的某些方面、优点以及新颖特征。应该理解，没必要根据本发明的特定实施例来实现所有这些优点。因此，本发明不限于所公开的任何特定实施例。

本发明的实施例如下：

实施方案为安全监测长距离建筑物走廊5000米，本例是一实验样机，其构成如图2所示。图中粗连接线为光纤，由成都中住光缆公司提供，细连接线为电线。计算机[1]是PC104***，光源驱动器[2]、带探测器的电路处理板[5]是1个100MHz10bitA/D芯片、1个PIN探测器、驱动电路、处理电路、缓冲区集成在一个板卡中，由我们实验室制作完成，光源[3]也是自制的光纤激光器，980nm泵浦掺铒光纤输出1550nm光脉冲，线宽2nm，脉宽10ns，峰值功率6W，重复频率20kHz，盘绕在板卡上层，板卡***PC104***的插槽中。耦合器[6]由上海翰宇公司提供；***软件由我们实验室编制完成，包括***驱动、采集、分析、显示存储。计算机[1]控制光源驱动器[2]使光源[3]按20kHz重复频率发射光脉冲。光脉冲输入4个2×2光纤耦合器组成的耦合器阵列，分成四束等量的光脉冲分别在四个传感光纤中传播并后散射返回被光电探测器[4]转换为电信号，再由电路处理板[5]转换为数字信号，数字平均次数400，每次监测时间为250ms，由计算机[1]处理、计算出传感线路上振动位置。实施例中的采集的光电信号后散射图(如图3所示)，发现传感光纤上有三个振动、冲击点与实际振动的位置符合。

Claims (5)

1、一种全传感干涉型光时域反射仪，包括发射和接收光信号处理模块[100]，传感光纤[101]及传感光纤[102]构成全传感干涉型光时域反射仪；发射和接收光信号处理模块[100]包括计算机[1]、光源驱动器[2]、光源[3]、探测器[4]、带探测器的电路处理板[5]和光纤耦合器[6]；两路传感光纤[101]、[102]成缆，实现长距离分布式振动、冲击检测与定位。

2、按权利要求1所述反射仪，其特征在于：传感光纤[102]上设置偏振制控器[7]。

3、按权利要求1所述反射仪，其特征在于：使用的耦合器[6]优选为熔锥型光纤耦合器，功分比优选均分。

4、根据权利要求1所述反射仪，其特征在于：传感光纤两条及两条以上，使用的光纤是单模光纤，或者是多模光纤，或者保偏光纤。

5、根据权利要求1所述反射仪，其特征在于：单个全传感干涉型光时域反射仪加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积振动、冲击现象，多个反射仪联网，实现远程智能监测。

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