CN115371716A - 一种分布式光纤传感器多信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤传感器多信号检测方法，包括如下具体步骤：步骤1）：布置分布式光纤传感器，激光器产生的激光经过光耦合器后产生激励光和本振光；根据检测要求对激励光进行调制处理得到传感激励光；步骤2）：传感激励光传入传感光纤，并得到传感检测光；步骤3）：将本振光移频后得到移频本振光，移频本振光与传感检测光发生相干作用，并通过频谱滤波器分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号；步骤4）：对布里渊散射信号和瑞利散射信号进行分析得到检测结果。本发明中，光纤传感器能够同时获取布里渊散射信号和瑞利散射信号，并通过上述信号分别检测温度、应变、振动等，实现了一条分布式光纤传感器同时检测多种信号的功能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器检测技术领域，特别涉及一种分布式光纤传感器多信号检测方法。
背景技术
分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器，可用于检测振动、应变、温度变化等，被广泛用于隧道、桥梁、大坝等大型工程建筑的监测。
分布式光纤传感器在使用时，通常沿着被测物（例如隧道、桥梁等）的长度方向布设，向分布式光纤传感器中传入传感激励光，再由分布式光纤传感器向传感***返回传感检测光，通过对返回的传感检测光的频率、光功率等参数进行分析，计算得到相应的检测量（如隧道某一处的振动、温度等）。
现有的分布式光纤传感器在使用时，一条分布式光纤传感器只能检测一个信号，得到一种检测结果，也就是说，当需要同时检测多个物理量，比如需要同时检测隧道的振动、温度时，则需要布设多条分布式光纤传感器，通过多条分布式光纤传感器分别对不同的信号进行检测，这样才能满足多信号的检测需求，这种方式在进行多信号检测时，需要安装多条分布式检测传感器，导致分布式传感器的安装成本较高。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中的不足之处，提供一种分布式光纤传感器多信号检测方法，能够通过一条分布式光纤传感器同时对多个不同信号进行接收、分离和检测，降低了分布式传感器的安装成本。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种分布式光纤传感器多信号检测方法，包括如下具体步骤：
步骤1）：布置分布式光纤传感器，激光器产生的激光经过光耦合器后产生激励光和本振光；根据检测要求对激励光进行调制处理得到传感激励光；
步骤2）：传感激励光传入传感光纤，传感激励光在传感光纤各处发生布里渊散射和瑞利散射，形成由布里渊散射光和瑞利散射光混叠的传感检测光；
步骤3）：将本振光移频后得到移频本振光，移频本振光与传感检测光中的布里渊散射光和瑞利散射光发生相干作用，提升布里渊散射光与瑞利散射光的频率差异，并通过频谱滤波器分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号；
步骤4）：对分离后的布里渊散射信号和瑞利散射信号进行分析得到检测结果。
作为优选，步骤1）中，在对激励光进行调制时，先通过声光调制器对激励光的脉宽、脉冲和重复频率进行调制，然后通过掺铒光纤放大器进行光功率放大，再通过光纤布拉格光栅进行滤波，得到传感激励光。
作为优选，所述激光器为分布反馈式半导体激光器。
作为优选，步骤3）中，通过光耦合器将移频本振光分配成两份等功率的分配本振光，光耦合器将传感检测光分配成两份等功率的分配检测光，其中一份分配本振光与其中一份分配检测光输入至第一光电探测器中并发生相干作用，另一份分配本振光与另一份分配检测光传入至第二光电探测器中并发生相干作用，第一光电探测器和第二光电探测器分别产生包含布里渊散射信号和瑞利散射信号的相干光信号，通过频谱滤波器分别对第一光电探测器和第二光电探测器产生的相干光信号中分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号。
作为优选，所述移频本振光相对于本振光的频率改变量接近布里渊频移。
作为优选，经过频谱滤波器后得到的布里渊散射信号与相同频率的射频信号进行乘法混频，通过滤波器得到低频的基带信号；对基带信号进行高速数-模转换，并采用数字采样累加平均器进行叠加处理来提高信噪比。
作为优选，步骤4）中，根据布里渊散射信号的频移以及温度计算公式计算得到测量温度；根据布里渊散射信号的频移以及应变计算公式计算得到测量应变；根据瑞利散射信号得出被测物所受的振动。
作为优选，所述温度计算公式为：
其中，T为测量温度，T r 为参考温度，C T 为温度比例系数，f B(T)为测量温度，f B(T)为在测量温度状态下的布里渊频移，f B(T=T r )为在参考温度状态下的布里渊频移；
所述应变计算公式为：
其中，E为测量应变，f B(E)为在测量应变状态下的布里渊频移，f B(E=0)为应变为零时布里渊频移，C E 为应变比例系数。
本发明的有益效果是：本发明中，通过一条分布式光纤传感器能够同时获取布里渊散射信号和瑞利散射信号，能够实现上述信号在频域上的分离，并通过上述信号分别检测温度、应变、振动等多个物理量，实现了一条分布式光纤传感器同时检测多种信号的功能，降低了分布式光纤传感器的布设数量和安装成本。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图。
图2为激励光信号处理模块示意图。
图3为传感检测光产生的示意图。
图4为本振光处理模块与频谱分离模块示意图。
图5为光相干外差检测实现频谱分离的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1至图5所示，一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1）：布置分布式光纤传感器，激光器产生的激光经过光耦合器后产生激励光和本振光；根据检测要求对激励光进行调制处理得到传感激励光。
本步骤中，采用线宽小于1MHz的分布反馈式半导体激光器( DFB- LD )作为光源，激光器产生的激光频率f P ≈193THz，激光通过光耦合器分配为本振光和激励光，本振光和激励光的频率也均为f P 。
如图1所示，激励光进入激励光信号处理模块并对激励光进行调制处理，激励光信号处理模块包括声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环行器A、光纤布拉格光栅,先由声光调制器(AOM)形成脉宽50ns、重复频率为2kHz的激励光脉冲，脉宽大于光在光纤中传输时间的2倍，从而保证传感光纤中仅有单一频率的激励光脉冲信号传播。
声光调制器(AOM)同时对激励光脉冲进行脉冲调制，每个光脉冲信号与布里渊传感检测信号处理模块和相位敏感传感检测信号处理模块中的每个电脉冲信号一一对应，进而实现光脉冲扫频。
经调制后的激励光脉冲传入掺铒光纤放大器( EDFA )进行光功率的放大后，再通过光纤布拉格光栅( FBG)进行滤波；光纤布拉格光栅能反射特定波长范围的光信号并将其余波长的信号透射出去，从而实现光学滤波器的作用。
在激励光信号处理模块中，光纤环行器A上的端口1与掺铒光纤放大器串联，光纤环行器A上的端口3与光纤布拉格光栅(FBG)串联，光纤环行器A上的端口2则输出处理后的传感激励光。
经过掺铒光纤放大器功率放大后的激励光从环行器端口1输入并到达至端口3上的光纤布拉格光栅(FBG)；光纤布拉格光栅(FBG)将频率在fP附近的光信号进行反射，并将其余频率的光沿另一方向透射出去，从而实现对掺铒光纤放大器产生的放大器自发辐射噪声的过滤；光纤布拉格光栅(FBG)的反射光由环行器的端口3到达端口2并向外输出调制处理后的传感激励光。
步骤2）：传感激励光传入传感光纤，传感激励光在传感光纤各处发生布里渊散射和瑞利散射，形成由布里渊散射光和瑞利散射光混叠的传感检测光。
如附图2所示，本步骤中，传感激励光通过光分路模块传入分布式光纤传感器上的传感光纤中。其中，光分路模块为光纤环形器B，步骤1）中经过调制处理后得到传感激励光从光纤环形器B上的端口1输入，光纤环行器B上的端口2与传感光纤串联，光纤环形器B上的端口3则与频谱分离模块相连。
传感激励光从光纤环形器B上的端口1输入后到达端口2并进而传入传感光纤，传感激励光在传感光纤中各处发生布里渊散射和瑞利散射，形成由布里渊散射光和瑞利散射光混叠的传感检测光，传感检测光返回至端口2后到达端口3上的频谱分离模块。
布里渊散射光中包含温度/应变信息，瑞利散射光中包含振动信息。其中光纤中的布里渊散射过程可描述为激励光波、散射光波通过声波进行的非线性互作用。布里渊散射光的频移与散射角有关，散射角由温度、应变决定，在单模光纤中只有前、后向两传输方向；通常情况下，布里渊散射仅为后向散射，其布里渊频移f B 为：
式中，v A 为声波在传感光纤中的声速，n为传感光纤的折射率，λ为入射光波长；若取v A =5.96km/s，则对于石英光纤n=1.45，当激励光的波长λ=1.55μm在附近时，布里渊频移f B ≈11GHz；由于激励光频率为f P ，布里渊频移为f B ，故传感光纤中自发布里渊散射产生的布里渊后向散射光频率为f P －f B 。
瑞利散射是由光纤中的介质密度起伏引起介质折射率起伏，进而产生的弹性散射；由于其为弹性散射，故瑞利散射光的频率与传感激励光的频率相同且均为f P 。
瑞利散射发生在传感光纤的各处，当传感光纤的某一点位置发生振动时，此处瑞利散射光受到相位调制，使得此处瑞利散射信号光的幅值发生显著变化，因此瑞利后向散射光包含传感光纤各位置的振动信息。
由于本方法采用单光源、单光纤对传感光纤各位置的两种散射光同时进行检测，瑞利散射光的频率为f P ，布里渊散射光的频率为f P －f B ，故两散射光频率差为布里渊频移f B ，约为11Ghz，而两散射光都为几百太赫兹的高频光，故两散射光之间的频率差远小于两散射光的自身频率。
步骤3）：将本振光移频后得到移频本振光，移频本振光与传感检测光中的布里渊散射光和瑞利散射光发生相干作用，增大布里渊散射光与瑞利散射光的频率差异，并通过频谱滤波器分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号。
本步骤通过频谱分离模块和本振光信号处理模块来实现。本振光信号处理模块为一个微波电光调制器（EOM）,频谱分离模块包括光耦合器、平衡探测器和频谱分离器，平衡探测器由第一光电探测（PD1）、第二光电探测器（PD1）和电容组成，其中电容采用隔直电容。
本振光输入至微波电光调制器（EOM）中，微波电光调制器（EOM）对本振光进行频移处理，使得本振光的频率发生可控的偏移并得到移频本振光，频移本振光相对于原来的本振光的频率的改变量为f m， 故移频本振光的频率为f P －f m ；其中，频移本振光相对于原来的本振光的频率的改变量f m 接近于布里渊频移f B ；本发明中，f m 设置为与11GHz相差几十兆赫兹到几百兆赫兹，这样使得相干后的布里渊散射信号的频率为f m －f B 为一个较低的频率数值；然后移频本振光传入至光耦合器，光耦合器将移频本振光分配成两份等功率的分配本振光，分配本振光的光功率均为原先移频本振光功率的百分之50；同时，传感检测光也传入光耦合器中，通过光耦合器将传感检测光分配成两份等功率的分配检测光，分配检测光的光功率为原先的传感检测光的光功率的百分之50。其中一份移频本振光与其中一份传感检测光输入至第一光电探测器中并发生相干作用，另一份分配本振光与另一份分配检测光传入至第二光电探测器中并发生相干作用，第一光电探测器和第二光电探测器分别产生包含布里渊散射信号和瑞利散射信号的相干光信号。
分配检测光中的布里渊散射光与分配本振光产生相干作用后得到相干后的布里渊散射信号，分配检测光中的瑞利散射光与分配本振光产生相干作用后得到相干后的瑞利散射信号，相干后的布里渊散射信号的频率为f m －f B ，相干后的瑞利散射信号的频率为f m 。其中，移频本振光相对于本振光的频率改变量接近布里渊频移f B 。以本实施例为例，布里渊频移f B ≈11GHz，激光器产生频率为f P ≈193THz，在相干作用发生前，瑞利散射光的频率为f P ，布里渊散射光的频率为f P －f B ，瑞利散射光与布里渊散射光的频率均接近193THz，因此两者的频率差值f B 远小于两者自身的频率，瑞利散射光与布里渊散射光都为高频信号，导致瑞利散射信号与布里渊散射信号难以在频域上进行分离。
经过相干处理后，布里渊散射信号的频率为f m －f B ，瑞利散射信号的频率为f m ，虽然经过相干处理后，布里渊散射信号与瑞利散射信号的频率差不变且仍为布里渊频移f B ，但是布里渊散射信号和瑞利散射信号的频率分别变为f m －f B 和 f m ，前者属于低频信号，后者属于中频信号，两型号信号在频域差异明显，使用带通滤波器即可将瑞利散射信号与布里渊散射信号在频域上进行分离。
第一光电探测器和第二光电探测器分别产生的相干光信号经过隔直电容后到达频谱滤波器，通过频谱滤波器分别对第一光电探测器和第二光电探测器产生的相干光信号中分离得到布里渊散射信号（BOTDR信号）和瑞利散射信号（Φ-OTDR信号）。
步骤4）：对分离后的布里渊散射信号和瑞利散射信号进行分析得到检测结果。
本步骤中，将步骤3）中分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号后，布里渊散射信号通入布里渊传感检测信号处理模块中进行检测，瑞利散射信号通入相位敏感传感检测信号处理模块中进行检测。
其中，经过步骤3）频谱分离得到的布里渊散射信号是一带通的幅度调制信号, 包含有丰富的噪声，在进入布里渊传感检测信号处理模块中进检测前，先将经过频谱滤波器后得到的布里渊散射信号与相同频率的射频信号进行乘法混频再通过滤波器得到低频的基带信号；对基带信号进行高速数-模转换，并采用数字采样累加平均器进行叠加处理来提高信噪比。
温度的测量方法如下：据布里渊散射信号的频移以及温度计算公式计算得到测量温度，温度计算公式为：
其中，T为测量温度，T r 为参考温度，C T 为温度比例系数，为一常数，C T =9.6×10-5/K，f B(T)为测量温度，f B(T)为在测量温度状态下的布里渊频移，f B(T=T r )为在参考温度状态下
的布里渊散频移。在实际检测时，可以事先设定一个参考温度T r， 并测定出该参考温度下的
布里渊频移f B(T=T r )，并将获得的T r 和f B(T=T r )作为常数值代入上述公式中，故在测量温度
时，只需测得布里渊频移f B(T)，便能计算出测量温度
。
应变的测量方法如下：根据布里渊散射信号的频移以及应变计算公式计算得到测量应变，应变计算公式为：
其中，E为测量应变，f B(E)为在测量应变状态下的布里渊频移，f B(E=0)为应变为零时布里渊频移，C E 为应变比例系数，为一个常数，C E =4.61/LE。在实际检测时，可以事先测得应变为零时布里渊频移f B(E=0)，并将测得的f B(E=0)的值作为常数代入应变计算公式中，故在测量应变时，只需测得布里渊频移f B(E)，便能计算出测量应变E。
通过瑞利散射信号得出被测物所受的振动，原理如下：
由于传感激励光为脉冲光，当位置Z发生振动引起瑞利后向散射光信号的幅值显著变化，通过检测发出传感激励光到接收位置Z产生的瑞利散射光信号的时间间隔t，结合光在光纤中的传播速度c，可求得此次光传递过程走过的距离L z，进而确定位置Z；其公式为：
L z=ct；
由于传感光纤中存在损耗，光波在光纤中传输时功率会不断衰减，对于接收到的瑞利散射光信号，其光功率P R 为：
式中：P 0为传感激励光的峰值功率，e为自然常数，a为光纤的衰减系数，
为后向散射光功率捕获因子，w为高斯型有效场模面积，α s 为瑞利散射系数，W为传感激励光线宽。
由上述公式可知，光纤沿线的瑞利后向散射信号的光功率曲线为一条指数衰减的洛伦兹形状曲线，该曲线表示出了光纤沿线的损耗情况；通过计算机分析该曲线即可求得传感光纤振动的位置和功率信息。
本发明中，通过一条分布式光纤传感器能够同时获取布里渊散射信号和瑞利散射信号，能够实现上述信号在频域上的分离，并通过上述信号分别检测温度、应变、振动等多个物理量，实现了一条分布式光纤传感器同时检测多种信号的功能，降低了分布式光纤传感器的布设数量和安装成本。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1）：布置分布式光纤传感器，激光器产生的激光经过光耦合器后产生激励光和本振光；根据检测要求对激励光进行调制处理得到传感激励光；
步骤2）：传感激励光传入传感光纤，传感激励光在传感光纤各处发生布里渊散射和瑞利散射，形成由布里渊散射光和瑞利散射光混叠的传感检测光；
步骤3）：将本振光移频后得到移频本振光，移频本振光与传感检测光中的布里渊散射光和瑞利散射光发生相干作用，提升布里渊散射光与瑞利散射光的频率差异，并通过频谱滤波器分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号；
步骤4）：对分离后的布里渊散射信号和瑞利散射信号进行分析得到检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，步骤1）中，在对激励光进行调制时，先通过声光调制器对激励光的脉宽、脉冲和重复频率进行调制，然后通过掺铒光纤放大器进行光功率放大，再通过光纤布拉格光栅进行滤波，得到传感激励光。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，所述激光器为分布反馈式半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，步骤3）中，通过光耦合器将移频本振光分配成两份等功率的分配本振光，光耦合器将传感检测光分配成两份等功率的分配检测光，其中一份分配本振光与其中一份分配检测光输入至第一光电探测器中并发生相干作用，另一份分配本振光与另一份分配检测光传入至第二光电探测器中并发生相干作用，第一光电探测器和第二光电探测器分别产生包含布里渊散射信号和瑞利散射信号的相干光信号，通过频谱滤波器分别对第一光电探测器和第二光电探测器产生的相干光信号中分离得到布里渊散射信号和瑞利散射信号。
5.根据权利要求4所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，所述移频本振光相对于本振光的频率改变量接近布里渊频移。
6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，经过频谱滤波器后得到的布里渊散射信号与相同频率的射频信号进行乘法混频，通过滤波器得到低频的基带信号；对基带信号进行高速数-模转换，并采用数字采样累加平均器进行叠加处理来提高信噪比。
7.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，步骤4）中，根据布里渊散射信号的频移以及温度计算公式计算得到测量温度；根据布里渊散射信号的频移以及应变计算公式计算得到测量应变；根据瑞利散射信号得出被测物所受的振动。
8.根据权利要求7所述的一种分布式光纤传感器多信号检测方法，其特征在于，所述温度计算公式为：
其中，T为测量温度，T r 为参考温度，C T 为温度比例系数，f B(T)为测量温度，f B(T)为在测量温度状态下的布里渊频移，f B(T=T r )为在参考温度状态下的布里渊频移；
所述应变计算公式为：
其中，E为测量应变，f B(E)为在测量应变状态下的布里渊频移，f B(E=0)为应变为零时布里渊频移，C E 为应变比例系数。
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