CN105222816B - 基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感*** - Google Patents
基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感*** Download PDFInfo
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Abstract
一种基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感***，由单频激光器、任意波形发生器、声光调制器、扰偏器、偏振控制器、光开关、数据采集卡、信号处理单元、紧套传感光纤、松套传感光纤、布里渊散射光纤、两个掺铒光纤放大器、两个环形器、两个双平衡探测器、三个隔离器和五个耦合器组成；本发明的有益技术效果是：提供了一种新的分布式光纤传感***，该***同时具备振动检测、温度检测和应变检测的功能，***成本较低，可以使不同数据之间实现实时互通，有利于***对数据的综合利用，提高定位的准确性和时效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感技术，尤其涉及一种基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感***。
背景技术
在大型建筑结构、航空航天、石油化工、电力***等重大工程和基础设施的健康监测、诊断技术中，分布式光纤传感技术因具备敏感元件小巧、高耐久、绝对测量及分布式监测等特性，有逐步取代电类传感器成为传感健康监测首选敏感元件的趋势。
现有技术中，应用分布式光纤传感技术进行振动、温度和应变三种信息的监测时，需要采用相互独立的三套***来进行监测，这不仅增加了***成本，而且使得***之间不同数据的共享和融合变得十分困难，不利于数据的综合利用。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感***，其创新在于：所述多参数分布式光纤传感***由单频激光器、任意波形发生器、声光调制器、扰偏器、偏振控制器、光开关、数据采集卡、信号处理单元、紧套传感光纤、松套传感光纤、布里渊散射光纤、两个掺铒光纤放大器、两个环形器、两个双平衡探测器、三个隔离器和五个耦合器组成；其中，第一耦合器为1×3耦合器，第二耦合器为1×2耦合器，第三耦合器为2×2耦合器，第四耦合器为1×2耦合器，第五耦合器为2×2耦合器；所述光开关为1×2光开关；
所述单频激光器的输出端与第一耦合器的输入端连接，第一耦合器的第一输出端与第三耦合器的第一输入端连接，第一耦合器的第二输出端与声光调制器的输入端连接，第一耦合器的第三输出端与第二掺铒光纤放大器的输入端连接；
声光调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接，第一掺铒光纤放大器的输出端与扰偏器的输入端连接，扰偏器的输出端与第一环形器的输入端连接，第一环形器的收发复用端与光开关的集束端连接，第一环形器的输出端与第二耦合器的输入端连接；光开关的第一分叉端与紧套传感光纤的一端连接，紧套传感光纤的另一端与第一隔离器的输入端连接，光开关的第二分叉端与松套传感光纤的一端连接，松套传感光纤的另一端与第二隔离器的输入端连接；
第二耦合器的第一输出端与第三耦合器的第二输入端连接，第三耦合器的两个输出端与第一双平衡探测器的两个输入端连接；第二耦合器的第二输出端与第五耦合器的第一输入端连接；
第二掺铒光纤放大器的输出端与第二环形器的输入端连接，第二环形器的收发复用端与偏振控制器的输入端连接，第二环形器的输出端与第三隔离器的输入端连接，第三隔离器的输出端与第四耦合器的输入端连接；偏振控制器的输出端与布里渊散射光纤的一端连接，布里渊散射光纤的另一端与第四耦合器的第一输出端连接；第四耦合器的第二输出端与第五耦合器的第二输入端连接；第五耦合器的两个输出端与第二双平衡探测器的两个输入端连接；
第一双平衡探测器的输出端与数据采集卡的第一输入端连接，第二双平衡探测器的输出端与数据采集卡的第二输入端连接；数据采集卡的输出端与信号处理单元的输入端连接；
任意波形发生器的调制信号输出端与声光调制器的调制信号输入端连接；任意波形发生器的第一控制信号输出端与光开关的控制部连接，任意波形发生器的第二控制信号输出端与数据采集卡的控制部连接；
所述任意波形发生器能控制声光调制器输出两种检测光信号，两种检测光信号均为脉冲光，二者的频率和占空比相同、但幅值大小不同，其中，幅值较大的检测光信号记为第一检测光，幅值较小的检测光信号记为第二检测光；
进行振动检测时，任意波形发生器控制声光调制器输出第一检测光，同时，任意波形发生器控制光开关选通紧套传感光纤，同时，任意波形发生器控制数据采集卡的第一输入端进行采样操作；
进行温度检测时，任意波形发生器控制声光调制器输出第二检测光，同时，任意波形发生器控制光开关选通松套传感光纤，同时，任意波形发生器控制数据采集卡的第二输入端进行采样操作；
进行应变检测时，任意波形发生器控制声光调制器输出第二检测光，同时，任意波形发生器控制光开关选通紧套传感光纤，同时，任意波形发生器控制数据采集卡的第二输入端进行采样操作。
本发明的原理是：按本发明方案将***搭建好后，通过任意波形发生器的控制作用，***能选择性地将两种检测光信号输出至紧套传感光纤或松套传感光纤中并由数据采集卡上的对应输入端进行采样；本领域技术人员应该清楚，幅值较小的脉冲光所激发出的布里渊散射强度较弱，非线性噪声较小，瑞利散射是其散射光的主要部分，采用现有的基于瑞利后向散射的振动传感原理，就能检测出振动的位置信息和频率信息；幅值较大的脉冲光所激发出的布里渊散射强度较强，布里渊散射是其散射光的主要部分，采用现有的基于布里渊散射的温度检测原理以及应变检测原理，就能检测出温度变化信息和应变变化信息；
采用本发明方案后，就让单套分布式光纤传感***具备了振动检测、温度检测和应变检测三种功能，不仅大大的降低了分布式光纤传感***的搭建成本，而且节省了空间，提高了***的集成度，可以使不同数据之间实现实时互通，有利于***对数据的综合利用，提高定位的准确性和时效性。
本发明的具体原理是：单频激光器作为激光光源，向第一耦合器提供连续稳定的激光束，第一耦合器将激光束分为三路光：
第一路光作为瑞利散射拍频的参考光直接传输至第三耦合器处；
第二路光经第二掺铒光纤放大器放大后，通过第二环形器的收发复用端注入到偏振控制器中，经偏振控制器调制后，光信号进入布里渊散射光纤中并激发出后向传输的布里渊散射光（前向传输的光信号通过第四耦合器进入第三隔离器后就截止了），在布里渊散射光纤中激发出的布里渊散射光反向通过偏振控制器后又从第二环形器的输出端向外输出，从第二环形器的输出端输出的布里渊散射光通过第三隔离器后来到第四耦合器中，第四耦合器将第三隔离器传来的布里渊散射光分为两路，其中一路布里渊散射光又传输至布里渊散射光纤中形成环路起到循环放大作用，另一路布里渊散射光作为布里渊散射拍频的参考光输出至第五耦合器处；
第三路光传输至声光调制器中，声光调制器根据任意波形发生器输出的调制信号对输入光进行调制，从而形成相应的检测光信号，然后，声光调制器将调制好的检测光信号传输至第一掺铒光纤放大器中进行放大处理，放大后的检测光信号又被注入扰偏器中进行处理（扰偏器用于降低检测光信号的偏振度，以减少后续散射光中的偏振噪声），然后，检测光信号通过第一环形器的收发复用端来到光开关中，光开关在任意波形发生器的控制下，就将检测光信号导入至相应的传感光纤中（即紧套传感光纤或松套传感光纤），随后，检测光信号就在传感光纤中激发出相应的后向散射光，前向传输的检测光信号通过隔离器（即第一隔离器或第二隔离器）向外透射并散失了；后向散射光，通过光开关又回到第一环形器中并从第一环形器的输出端传输至第二耦合器，第二耦合器将后向散射光分为两路，其中一路后向散射光传输至第三耦合器处并与瑞利散射拍频的参考光发生拍频干涉，另一路后向散射光传输至第五耦合器处并与布里渊散射拍频的参考光发生拍频干涉，针对振动检测、温度检测和应变检测中的某一者进行检测时，在第三耦合器和第五耦合器中发生的两处拍频干涉中，仅有一者具有检测意义，故，针对振动、温度和应变中的某一具体项目进行检测时，任意波形发生器仅控制数据采集卡上的两个输入端中的一者进行采样操作，获取到采样信号后，数据采集卡就将采样信号输出至信号处理单元进行处理，从而获取到相应的振动信息、温度信息或应变信息；
具体的检测原理是：
振动检测时，任意波形发生器控制声光调制器输出第一检测光，同时，任意波形发生器控制光开关选通紧套传感光纤，同时，任意波形发生器控制数据采集卡的第一输入端进行采样操作；当外界振动作用到紧套传感光纤上时，将会引起脉冲光宽度范围内的后向瑞利散射光的相位发生变化，进而导致后向瑞利散射光与相应参考光在第三耦合器处拍频干涉的光强也发生变化，对多个采样周期采样的得到的信号进行移动平均和移动差分处理，就可以得到振动的位置信息；取出振动位置对应点在不同采样周期中的相应位置的信息排成一行，得到振动位置的时域信息，再对振动位置的时域信息做非均匀傅里叶变换，就可以的得到振动点的振动频率信息。
温度检测时，任意波形发生器控制声光调制器输出第二检测光，同时，任意波形发生器控制光开关选通松套传感光纤，同时，任意波形发生器控制数据采集卡的第二输入端进行采样操作；由于布里渊散射的光频率与温度变化成线性关系，当外界温度变化作用到松套传感光纤上时，将会引起脉冲光宽度范围内后向布里渊散射光的光频移发生变化，布里渊散射光在第五耦合器处与相应参考光拍频干涉后的光频率也会随着温度的变化而呈现出线性变化，按照一定空间分辨率分段对一个采样周期中采集到的布里渊拍频信号进行傅里叶变换，对傅里叶变换的谱线进行洛伦兹拟合，取出频率中心值，再对不同采样周期得到的频率中心进行平均和差分处理，就能得到松套传感光纤的温度变化信息。
应变检测时，任意波形发生器控制声光调制器输出第二检测光，同时，任意波形发生器控制光开关选通紧套传感光纤，同时，任意波形发生器控制数据采集卡的第二输入端进行采样操作；由于后向自发布里渊散射的光频率与应变成线性关系，当外界应变作用到紧套传感光纤上时，将会引起脉冲光宽度范围内后向布里渊散射光的光频移发生变化，布里渊散射光在第五耦合器处与相应参考光拍频干涉后的光频率就会随着应变的变化而线性变化，按照一定空间分辨率分段对一个采样周期中采集到的布里渊拍频信号进行傅里叶变换，对傅里叶变换的谱线进行洛伦兹拟合，取出频率中心值，再对不同采样周期得到的频率中心只进行平均和差分处理，就能得到了长距离传感光纤的应变的变化信息。
前述的三种检测原理均为现有技术，为了便于本领域技术人员实施，故将其赘述如前；由于检测原理并非本发明的重点，因此本发明仅作了简要介绍，如有不尽之处，请参考现有理论。
本发明的有益技术效果是：提供了一种新的分布式光纤传感***，该***同时具备振动检测、温度检测和应变检测的功能，***成本较低，可以使不同数据之间实现实时互通，有利于***对数据的综合利用，提高定位的准确性和时效性。
附图说明
图1、本发明的原理示意图（图中的两根虚线表示任意波形发生器与光开关和数据采集卡之间的电气控制线路）；
图中各个标记所对应的名称分别为：单频激光器1、任意波形发生器2、声光调制器3、扰偏器4、偏振控制器5、光开关6、数据采集卡7、信号处理单元8、紧套传感光纤9、松套传感光纤10、布里渊散射光纤11、第一耦合器12-1、第二耦合器12-2、第三耦合器12-3、第四耦合器12-4、第五耦合器12-5、第一掺铒光纤放大器13-1、第二掺铒光纤放大器13-2、第一环形器14-1、第二环形器14-2、第一隔离器15-1、第二隔离器15-2、第三隔离器15-3、第一双平衡探测器16-1、第二双平衡探测器16-2。
具体实施方式
一种基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感***，其结构为：所述多参数分布式光纤传感***由单频激光器1、任意波形发生器2、声光调制器3、扰偏器4、偏振控制器5、光开关6、数据采集卡7、信号处理单元8、紧套传感光纤9、松套传感光纤10、布里渊散射光纤11、两个掺铒光纤放大器、两个环形器、两个双平衡探测器、三个隔离器和五个耦合器组成；其中，第一耦合器12-1为1×3耦合器，第二耦合器12-2为1×2耦合器，第三耦合器12-3为2×2耦合器，第四耦合器12-4为1×2耦合器，第五耦合器12-5为2×2耦合器；所述光开关6为1×2光开关；
所述单频激光器1的输出端与第一耦合器12-1的输入端连接，第一耦合器12-1的第一输出端与第三耦合器12-3的第一输入端连接，第一耦合器12-1的第二输出端与声光调制器3的输入端连接，第一耦合器12-1的第三输出端与第二掺铒光纤放大器13-2的输入端连接；
声光调制器3的输出端与第一掺铒光纤放大器13-1的输入端连接，第一掺铒光纤放大器13-1的输出端与扰偏器4的输入端连接，扰偏器4的输出端与第一环形器14-1的输入端连接，第一环形器14-1的收发复用端与光开关6的集束端连接，第一环形器14-1的输出端与第二耦合器12-2的输入端连接；光开关6的第一分叉端与紧套传感光纤9的一端连接，紧套传感光纤9的另一端与第一隔离器15-1的输入端连接，光开关6的第二分叉端与松套传感光纤10的一端连接，松套传感光纤10的另一端与第二隔离器15-2的输入端连接；
第二耦合器12-2的第一输出端与第三耦合器12-3的第二输入端连接，第三耦合器12-3的两个输出端与第一双平衡探测器16-1的两个输入端连接；第二耦合器12-2的第二输出端与第五耦合器12-5的第一输入端连接；
第二掺铒光纤放大器13-2的输出端与第二环形器14-2的输入端连接，第二环形器14-2的收发复用端与偏振控制器5的输入端连接，第二环形器14-2的输出端与第三隔离器15-3的输入端连接，第三隔离器15-3的输出端与第四耦合器12-4的输入端连接；偏振控制器（5）的输出端与布里渊散射光纤11的一端连接，布里渊散射光纤11的另一端与第四耦合器12-4的第一输出端连接；第四耦合器12-4的第二输出端与第五耦合器12-5的第二输入端连接；第五耦合器12-5的两个输出端与第二双平衡探测器16-2的两个输入端连接；
第一双平衡探测器16-1的输出端与数据采集卡7的第一输入端连接，第二双平衡探测器16-2的输出端与数据采集卡7的第二输入端连接；数据采集卡7的输出端与信号处理单元8的输入端连接；
任意波形发生器2的调制信号输出端与声光调制器3的调制信号输入端连接；任意波形发生器2的第一控制信号输出端与光开关6的控制部连接，任意波形发生器2的第二控制信号输出端与数据采集卡7的控制部连接；
所述任意波形发生器2能控制声光调制器3输出两种检测光信号，两种检测光信号均为脉冲光，二者的频率和占空比相同、但幅值大小不同，其中，幅值较大的检测光信号记为第一检测光，幅值较小的检测光信号记为第二检测光；
进行振动检测时，任意波形发生器2控制声光调制器3输出第一检测光，同时，任意波形发生器2控制光开关6选通紧套传感光纤9，同时，任意波形发生器2控制数据采集卡7的第一输入端进行采样操作；
进行温度检测时，任意波形发生器2控制声光调制器3输出第二检测光，同时，任意波形发生器2控制光开关6选通松套传感光纤10，同时，任意波形发生器2控制数据采集卡7的第二输入端进行采样操作；
进行应变检测时，任意波形发生器2控制声光调制器3输出第二检测光，同时，任意波形发生器2控制光开关6选通紧套传感光纤9，同时，任意波形发生器2控制数据采集卡7的第二输入端进行采样操作。
Claims (1)
1.一种基于调制脉冲和多重散射的多参数分布式光纤传感***，其特征在于：所述多参数分布式光纤传感***由单频激光器（1）、任意波形发生器（2）、声光调制器（3）、扰偏器（4）、偏振控制器（5）、光开关（6）、数据采集卡（7）、信号处理单元（8）、紧套传感光纤（9）、松套传感光纤（10）、布里渊散射光纤（11）、两个掺铒光纤放大器、两个环形器、两个双平衡探测器、三个隔离器和五个耦合器组成；其中，第一耦合器（12-1）为1×3耦合器，第二耦合器（12-2）为1×2耦合器，第三耦合器（12-3）为2×2耦合器，第四耦合器（12-4）为1×2耦合器，第五耦合器（12-5）为2×2耦合器；所述光开关（6）为1×2光开关；
所述单频激光器（1）的输出端与第一耦合器（12-1）的输入端连接，第一耦合器（12-1）的第一输出端与第三耦合器（12-3）的第一输入端连接，第一耦合器（12-1）的第二输出端与声光调制器（3）的输入端连接，第一耦合器（12-1）的第三输出端与第二掺铒光纤放大器（13-2）的输入端连接；
声光调制器（3）的输出端与第一掺铒光纤放大器（13-1）的输入端连接，第一掺铒光纤放大器（13-1）的输出端与扰偏器（4）的输入端连接，扰偏器（4）的输出端与第一环形器（14-1）的输入端连接，第一环形器（14-1）的收发复用端与光开关（6）的集束端连接，第一环形器（14-1）的输出端与第二耦合器（12-2）的输入端连接；光开关（6）的第一分叉端与紧套传感光纤（9）的一端连接，紧套传感光纤（9）的另一端与第一隔离器（15-1）的输入端连接，光开关（6）的第二分叉端与松套传感光纤（10）的一端连接，松套传感光纤（10）的另一端与第二隔离器（15-2）的输入端连接；
第二耦合器（12-2）的第一输出端与第三耦合器（12-3）的第二输入端连接，第三耦合器（12-3）的两个输出端与第一双平衡探测器（16-1）的两个输入端连接；第二耦合器（12-2）的第二输出端与第五耦合器（12-5）的第一输入端连接；
第二掺铒光纤放大器（13-2）的输出端与第二环形器（14-2）的输入端连接，第二环形器（14-2）的收发复用端与偏振控制器（5）的输入端连接，第二环形器（14-2）的输出端与第三隔离器（15-3）的输入端连接，第三隔离器（15-3）的输出端与第四耦合器（12-4）的输入端连接；偏振控制器（5）的输出端与布里渊散射光纤（11）的一端连接，布里渊散射光纤（11）的另一端与第四耦合器（12-4）的第一输出端连接；第四耦合器（12-4）的第二输出端与第五耦合器（12-5）的第二输入端连接；第五耦合器（12-5）的两个输出端与第二双平衡探测器（16-2）的两个输入端连接；
第一双平衡探测器（16-1）的输出端与数据采集卡（7）的第一输入端连接，第二双平衡探测器（16-2）的输出端与数据采集卡（7）的第二输入端连接；数据采集卡（7）的输出端与信号处理单元（8）的输入端连接；
任意波形发生器（2）的调制信号输出端与声光调制器（3）的调制信号输入端连接；任意波形发生器（2）的第一控制信号输出端与光开关（6）的控制部连接，任意波形发生器（2）的第二控制信号输出端与数据采集卡（7）的控制部连接；
所述任意波形发生器（2）能控制声光调制器（3）输出两种检测光信号，两种检测光信号均为脉冲光，二者的频率和占空比相同、但幅值大小不同，其中，幅值较大的检测光信号记为第一检测光，幅值较小的检测光信号记为第二检测光；
进行振动检测时，任意波形发生器（2）控制声光调制器（3）输出第一检测光，同时，任意波形发生器（2）控制光开关（6）选通紧套传感光纤（9），同时，任意波形发生器（2）控制数据采集卡（7）的第一输入端进行采样操作；
进行温度检测时，任意波形发生器（2）控制声光调制器（3）输出第二检测光，同时，任意波形发生器（2）控制光开关（6）选通松套传感光纤（10），同时，任意波形发生器（2）控制数据采集卡（7）的第二输入端进行采样操作；
进行应变检测时，任意波形发生器（2）控制声光调制器（3）输出第二检测光，同时，任意波形发生器（2）控制光开关（6）选通紧套传感光纤（9），同时，任意波形发生器（2）控制数据采集卡（7）的第二输入端进行采样操作。
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