CN106595776A - 一种分布式光纤多物理量传感***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤多物理量传感***，属于传感器技术领域，包括分别与波分复用实现单元的输入端、输出端分别连接的激光脉冲发生单元、传感光缆，波分复用实现单元的输出端还依次与光检测单元的输入端、数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端通过计算机与信号发生器的输入端连接，信号发生器的输出端与激光脉冲发生单元的输入端连接；激光脉冲发生单元包括分别与光纤放大器EDFA环行器的输入端、输出端连接的声光调制器、带通滤波器，声光调制器的输入端分别与1550nm窄线宽激光器以及信号发生器连接。另外提供一种分布式光纤多物理量传感方法。实现了在同一根单模光纤上实现振动和温度两种物理量的同时传感。

Description

一种分布式光纤多物理量传感***及方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种分布式光纤多物理量传感***及方法。

背景技术

随着经济的发展和科技水平的不断提高，诸如桥梁、大坝、隧道、管廊等大型建筑越来越多的在各地涌现。但是由于自然灾害、自身结构的问题或者其他人为的因素引起的突发事件屡有发生，给人们的生命财产安全带来了巨大的损失。因此，对这些大型建筑物的健康状态进行有效监测显得尤为重要，

现行的方法一般是通过监测大型建筑物的多个物理量，如温度、振动、应力应变等的变化来间接反映出建筑物结构的健康状态，并在必要时对潜在的危险进行预警。现在一般通过传感器对物理量进行监测，分布式光纤传感器可以根据不同的原理实现不同物理量的测量，比如基于拉曼散射的温度传感，基于瑞利散射的振动、应力传感，基于布里渊散射的应力、应变、温度传感等。但是，无论是健康监测还是潜在危险监测，单一物理量的分布式光纤传感器并不能满足众多应用的需求。

在2002年，相关报道公开了温度和应变同时测量的技术，但是现有技术中还没有同时测量温度和振动的方法。现有的温度、振动监测的技术多属于单一物理量的点式或者光纤分布式测量方式，如果要实现分布式振动、温度同时测量则需要多台仪器的组合。不仅成本较高，而且使用过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式光纤多物理量传感***及方法，以解决现有技术同时测量温度和振动过程复杂的问题。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：第一方面，提供一种分布式光纤多物理量传感***，包括：分别与波分复用实现单元的输入端、输出端分别连接的激光脉冲发生单元、传感光缆，波分复用实现单元的输出端还与光检测单元的输入端连接，光检测单元的输出端与数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端通过计算机与信号发生器的输入端连接，信号发生器的输出端与激光脉冲发生单元的输入端连接；

其中，所述的激光脉冲发生单元包括分别与光纤放大器EDFA（11）的输入端、输出端连接的声光调制器、带通滤波器，声光调制器的输入端分别与1550nm窄线宽激光器以及信号发生器连接。

第二方面，提供一种分布式光纤多物理量传感方法，包括：

计算机输出控制信号至信号发生器以驱动信号发生器产生调制信号，信号发生器将产生的调制信号输出至声光调制器；

声光调制器根据信号发生器输出的调制电信号将1550nm窄线宽激光器输出的激光脉冲进行编码，得到激光序列脉冲并发送至光纤放大器EDFA；

光纤放大器EDFA对输入的激光序列脉冲进行放大，得到放大后的激光序列脉冲并发送至带通滤波器；

带通滤波器将预期频率范围以外频率的脉冲衰减掉，得到预期频率范围内的激光序列脉冲并发送至波分复用实现单元；

波分复用实现单元对预期频率范围内的激光序列脉冲进行耦合处理并将耦合处理后的激光脉冲发送至传感光缆；

传感光缆的背向散射光沿光纤原路返回并通过波分复用实现单元发送至光检测单元；

光检测单元将传感光缆的背向散射光转化为电信号后通过光检测单元发送至计算机；

计算机对接收的电信号进行处理，得到振动和温度两个物理量。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明采用1550nm窄线宽激光器、声光调制器编码、光纤放大器EDF环行器、带通滤波器和信号发生器的组合方式，将基于相位敏感的分布式光纤振动传感技术和机遇拉曼散射的分布式光纤温度传感技术进行融合，解决了温度、振动同时测量时的激光器兼容问题。选用波长为1550nm的激光器作为光源，该波长在光纤中的传输损耗基本达到理论极限，而且相对于分布式光纤传感常用的探测器的性能也几乎达到探测器本身的极限。通过上述组合方式能够抑制光纤中非线性效应、不减少传感距离、不改变空间分辨率的前提下，通过编码组合的方式同时让多组激光脉冲在光纤中传输，从而间接的提高了在光纤中传输的激光脉冲的能量，最终改善分布式传感***的信噪比。能在同一单模光纤上实现振动和温度的同时测量。

附图说明

图1是本发明一实施例中一种分布式光纤多物理量传感***的结构示意图；

图2是本发明一实施例中OTDR基本原理图；

图3是本发明一实施例中一种分布式光纤多物理量传感方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图3所示，对本发明做进一步详细叙述。

如图1所示，本实施例公开了一种分布式光纤多物理量传感***，包括：分别与波分复用实现单元20的输入端、输出端分别连接的激光脉冲发生单元10、传感光缆30，波分复用实现单元20的输出端还与光检测单元40的输入端连接，光检测单元40的输出端与数据采集器50的输入端连接，数据采集器50的输出端通过计算机与信号发生器60的输入端连接，信号发生器60的输出端与激光脉冲发生单元10的输入端连接；

其中，所述的激光脉冲发生单元10包括分别与光纤放大器EDFA11的输入端、输出端连接的声光调制器12、带通滤波器13，声光调制器12的输入端分别与1550nm窄线宽激光器14以及信号发生器60连接。

其中，通过激光脉冲发生单元10产生多组激光脉冲，多组激光脉冲在光纤中传输，可以间接提高激光脉冲的强度，改善分布式传感***输出的信噪比，进而提高分布式传感器性能。

在本实施例中，需要说明的是，基于相位敏感的分布式光纤振动传感技术φ-OTDR和基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术ROTDR都是在光时域反射技术OTDR上发展起来的，因此二者在硬件结构上有着相同的结构。其中OTDR技术的原理框图均如图2所示，其工作原理是：脉冲激光光源发出的激光通过波分复用器耦合后进入传感光纤中，脉冲激光在光纤中传输的过程中会发生散射现象，其中，背向散射光包括瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射等散射光沿着原路返回并再次经过波分复用器进入探测器中，探测器将光信号转换为电信号后被数据采集器采集，并最终传输到计算机中进行处理和显示。

但是，对于分布式光纤传感技术来说，激光器输出激光的线宽、脉冲宽度和峰值功率都是决定传感器性能的重要参数。在实际应用中，这些参数进行搭配协作使用的前提是要避免激光在光纤中传输的过程中发生非线性现象。由于φ-OTDR***与ROTDR***最根本的区别在于激光光源特性的差异，φ-OTDR***需要的是超窄线宽脉冲激光，ROTDR***需要的是更高的脉冲功率，以获得更多的拉曼散射光子。因此，在非线性阈值的限制下，窄线宽和和高功率是一对矛盾的参数。

而分布式光纤传感器和其他的光学传感器一样，其性能与探测器输出信号的信噪比直接相关，因此，改善信噪比是提高传感器性能的必要手段。经过分析，探测器输出的信噪比与激光脉冲的强度、光纤的传输损耗以及探测器的性能有关。其中，光纤的传输损耗以及探测器的性能受器件本身性能的制约，那么只能通过改变激光脉冲的强度来改善探测器输出的信噪比。激光脉冲的强度由脉冲峰值功率、脉冲宽度决定。由于光纤中传输的激光脉冲峰值功率受光纤中非线性效用阈值的限制并不能无限提高，当增加光源脉冲宽度来提高检测信噪比时，会导致***的空间分辨率降低，因此，如何通过提高激光脉冲的强度来改善***输出信噪比是本实施例中需要解决的难题。

现行改善***输出信噪比的方法是：通过多次采集信号累加平均的方式来实现信噪比的改善。在实际应用中，对于温度、应力应变等缓变信号的传感，通过多次采集信号累加平均的方式改善信噪比是没什么问题的，但是对于振动这种瞬变的信号传感，累加平均的方式会直接降低传感器的传感性能。与上述现行改善信噪比的方法相比，本实施例采用激光脉冲编码技术通过编码组合的方式同时让多组激光脉冲在光纤中传输，从而间接的提高了激光脉冲的强度，实现***输出信噪比的改善。

进一步地，波分复用实现单元20包括环行器21和波分复用器WDM22；

环行器21的输入端、输出端分别与带通滤波器13的输出端、波分复用器WDM22的输入端连接，波分复用器WDM22的输出端与传感光缆30连接。

进一步地，光检测单元40包括光电二极管41和雪崩光电二极管42；

光电二极管41的输入端、输出端分别与环行器21的输出端、数据采集器50的输入端连接；

雪崩光电二极管42的输入端、输出端分别与波分复用器WDM22的输出端、数据采集器50的输入端连接。

其中，带通滤波器10输出的激光序列脉冲由多组激光脉冲按照一定的宽度间隔组成。激光序列脉冲在光纤中传输产生的背向散射光沿原路返回并通过波分复用实现单元20输出至光检测单元40。具体地，背向散射光包括三种不同波长的光，分别为1550nm、1663nm以及1451nm。其中，环行器21向光电二极管PIN41发送的激光脉冲的波长为1550nm，波分复用器WDM22向雪崩光电二极管APD42发送的两组激光脉冲的波长分别为1663nm以及1451nm。

如图3所示，本实施例公开了分布式光纤多物理量传感方法，包括如下步骤S1至S8：

S1、计算机输出控制信号至信号发生器60以驱动信号发生器60产生调制信号，信号发生器将产生的调制信号输出至声光调制器12；

S2、声光调制器12根据信号发生器60输出的调制电信号将1550nm窄线宽激光器14输出的激光脉冲进行编码，得到激光序列脉冲并发送至光纤放大器EDFA11；

S3、光纤放大器EDFA11对输入的激光序列脉冲进行放大，得到放大后的激光序列脉冲并发送至带通滤波器13；

S4、带通滤波器13将预期频率范围以外频率的脉冲衰减掉，得到预期频率范围内的激光序列脉冲并发送至波分复用实现单元20；

需要说明的是，本实施例中预期频率范围指的是激光序列脉冲的频率范围，带通滤波器13将激光序列脉冲的频率范围以外频率的脉冲即光纤放大器EDFA11进行放大处理时产生的噪声去掉。

S5、波分复用实现单元20对预期频率范围内的激光序列脉冲进行耦合处理并将耦合处理后的激光脉冲发送至传感光缆30；

S6、传感光缆30的背向散射光沿光纤原路返回并通过波分复用实现单元20发送至光检测单元40；

S7、光检测单元40将传感光缆30的背向散射光转化为电信号后通过光检测单元40发送至计算机；

S8、计算机对接收的电信号进行处理，得到振动和温度两个物理量。

需要说明的是，本实施例公开方案保护的发明思想是将激光脉冲编码技术融入到分布式光纤振动和温度同时传感技术中，以实现两种物理量的同时传感。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式光纤多物理量传感***，其特征在于，包括：分别与波分复用实现单元（20）的输入端、输出端分别连接的激光脉冲发生单元（10）、传感光缆（30），波分复用实现单元（20）的输出端还与光检测单元（40）的输入端连接，光检测单元（40）的输出端与数据采集器（50）的输入端连接，数据采集器（50）的输出端通过计算机与信号发生器（60）的输入端连接，信号发生器（60）的输出端与激光脉冲发生单元（10）的输入端连接；

其中，所述的激光脉冲发生单元（10）包括分别与光纤放大器EDFA（11）的输入端、输出端连接的声光调制器（12）、带通滤波器（13），声光调制器（12）的输入端分别与1550nm窄线宽激光器（14）以及信号发生器（60）连接。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的波分复用实现单元（20）包括环行器（21）和波分复用器WDM（22）；

环行器（21）的输入端、输出端分别与带通滤波器（13）的输出端、波分复用器WDM（22）的输入端连接，波分复用器WDM（22）的输出端与传感光缆（30）连接。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述的光检测单元（40）包括光电二极管（41）和雪崩光电二极管（42）；

光电二极管（41）的输入端、输出端分别与环行器（21）的输出端、数据采集器（50）的输入端连接；

雪崩光电二极管（42）的输入端、输出端分别与波分复用器WDM（22）的输出端、数据采集器（50）的输入端连接。

4.一种分布式光纤多物理量传感方法，其特征在于，包括：

S1、计算机输出控制信号至信号发生器（60）以驱动信号发生器（60）产生调制信号，信号发生器将产生的调制信号输出至声光调制器（12）；

S2、声光调制器（12）根据信号发生器（60）输出的调制电信号将1550nm窄线宽激光器（14）输出的激光脉冲进行编码，得到激光序列脉冲并发送至光纤放大器EDFA（11）；

S3、光纤放大器EDFA（11）对输入的激光序列脉冲进行放大，得到放大后的激光序列脉冲并发送至带通滤波器（13）；

S4、带通滤波器（13）将预期频率范围以外频率的脉冲衰减掉，得到预期频率范围内的激光序列脉冲并发送至波分复用实现单元（20）；

S5、波分复用实现单元（20）对预期频率范围内的激光序列脉冲进行耦合处理并将耦合处理后的激光脉冲发送至传感光缆（30）；

S6、传感光缆（30）的背向散射光沿光纤原路返回并通过波分复用实现单元（20）发送至光检测单元（40）；

S7、光检测单元（40）将传感光缆（30）的背向散射光转化为电信号后通过光检测单元（40）发送至计算机；

S8、计算机对接收的电信号进行处理，得到振动和温度两个物理量。