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一種分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法與流程

文檔序號:11249143閱讀:992來源:國知局
一種分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法與流程

本發(fā)明涉及分布式監(jiān)測技術領域,尤其涉及一種分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法。



背景技術:

當光纖受到外界環(huán)境(如溫度、壓力、振動等)影響時,光纖中傳輸光的強度、相位、頻率等參量將會相應的變化,通過檢測傳輸光的這些參量便可以獲得相應物理量,這種技術稱為光纖傳感技術。

相對于傳統的電量型傳感器,光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、體積小、價格便宜、可進行遠距離分布式測量的優(yōu)點,因此自20世紀70年代末以來,光纖傳感技術得到廣泛的發(fā)展,出現了基于瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等分布式光纖傳感技術,其中瑞利散射屬于彈性散射,相對于拉曼和布里淵散射有著更高的能量,因此更容易被檢測到,目前有很多基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術方面的研究,基于瑞利散射的相干光時域反射(cotdr)技術和相位敏感光時域反射(φ-otdr)技術是兩種比較常見的分布式光纖傳感技術。

光纖某區(qū)域內的溫度或應力發(fā)生變化時,由于熱膨脹或彈光效應,該區(qū)域內光纖的折射率、密度及散射點之間的距離將發(fā)生變化,從而致使該區(qū)域內的后向瑞利散射光的相位發(fā)生改變。由于光纖變化區(qū)域內的散射光返回到檢測端時,光相位差發(fā)生改變,因此,后向瑞利散射光的強度和功率將會隨之發(fā)生變化。

cotdr技術則是通過檢測后向瑞利散射光強度的變化和入射光脈沖與檢測到的后向瑞利散射信號之間的時延差,就可以確定光纖溫度和應變變化發(fā)生的具體位置以及變化量的分布情況。cotdr技術是目前主要的一種可準確測量光纖應變大小的分布式光纖傳感技術,盡管理論上光纖在受到外界振動影響時會同時產生應變變化,但是由于該技術對應變測量速度較慢,通常需要3分鐘以上,因此,cotdr技術難以用于測量振動。

φ-otdr技術則是利用傳感系統的輸出脈沖寬度區(qū)域內反射回來的瑞利散射光相干干涉結果,因而能夠探測到更微弱的擾動信息,提高系統的響應能力。當外界的擾動導致光纖路徑上某處的折射率發(fā)生變化,從而改變散射光的相位信息,最終使得干涉的光強發(fā)生變化,而擾動點的位置也能通過該光強變化信號與脈沖注入傳感光纖的間隔時間來確定,實現對擾動事件的定位。φ-otdr技術因其優(yōu)良的綜合性能成為目前最主要的入侵和振動分布式傳感監(jiān)測方法之一,但是干涉因素使得光纖容易受環(huán)境噪聲的影響,對于應變、特別是恒定的應變及溫度變化,信號特別容易被淹沒,從而使得檢測不準確。



技術實現要素:

有鑒于此,本發(fā)明的實施例提供了一種既能夠探測振動事件,又能夠檢測應變事件的分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法。

本發(fā)明提供了一種分布式光纖應力及振動的傳感系統,包括激光器、第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器以及第二偏振控制器,所述激光器通過一邊帶調制器與所述第一耦合器的輸入端連接,所述第一耦合器的兩個輸出端分別為a輸出端和b輸出端,其中所述a輸出端與一背向瑞利散射光形成光路的輸入端連接,所述b輸出端與所述第二偏振控制器的輸入端連接,所述背向瑞利散射光形成光路的輸出端與所述第二耦合器的輸入端連接,所述第二耦合器的兩個輸出端分別為c輸出端和d輸出端,其中所述c輸出端與一相位敏感時域反射光路的輸入端連接,所述d輸出端和所述第二偏振控制器的輸出端分別與所述第三耦合器的兩個輸入端連接,所述第三耦合器的兩個輸出端分別與一平衡光電檢測器的兩個輸入端連接,所述平衡光電檢測器的輸出端通過一信號處理單元和一微波合成器與所述邊帶調制器連接,所述相位敏感時域反射光路的輸出端通過一光電檢測器與所述信號處理單元連接。

進一步地,所述微波合成器是所述邊帶調制器的驅動開關。

進一步地,所述背向瑞利散射光形成光路包括順序連接的脈沖調制模塊、第一偏振控制器、第一光纖放大器和濾波器,所述脈沖調制模塊的輸入端與所述a輸出端連接,所述濾波器的輸出端與一環(huán)形器的第一端口連接,所述環(huán)形器的第二端口和第三端口分別與一傳感光纖和所述第二耦合器的輸入端連接。

進一步地,相位敏感時域反射光路包括一第四耦合器、一非平衡臂干涉結構和一相位調制器,所述第四耦合器具有一第一輸出端和一第二輸出端,所述非平衡臂干涉結構的兩個輸出端分別為e輸出端和f輸出端,所述第四耦合器的輸入端與所述c輸出端連接,所述第一輸出端與所述非平衡臂干涉結構的輸入端連接,所述e輸出端與所述相位調制器連接,所述f輸出端和所述相位調制器分別與一第二frm反射鏡和所述第一frm反射鏡連接,所述第二輸出端通過一第二光纖放大器與所述光電檢測器連接。

進一步地,所述第三耦合器和所述第四耦合器的耦合比均為50:50。

本發(fā)明提供了另一種分布式光纖應力及振動的傳感系統,與上述的分布式光纖應力及振動的傳感系統的區(qū)別在于,所述第二耦合器被一光倒換開關取代,測振動量時,所述光倒換開關導向連接第四耦合器;測應變量時,所述光倒換開關導向連接第三耦合器。

本發(fā)明還提供了一種基于上述的分布式光纖應力及振動的傳感系統的分布式光纖應力及振動的傳感方法,包括以下步驟,

步驟10:通過微波合成器控制關閉邊帶調制器使所述邊帶調制器只執(zhí)行普通光纖的功能;

步驟20:激光器發(fā)射的激光經步驟10中的所述邊帶調制器后進入第一耦合器,被所述第一耦合器分成a路和b路,a路的脈沖光進入背向瑞利散射光形成光路并在所述背向瑞利散射光形成光路中形成背向瑞利散射光,b路的脈沖光進入所述第二偏振控制器經所述第二偏振控制器變成第二偏振態(tài)脈沖光;

步驟30:所述背向瑞利散射光進入第二耦合器,被所述第二耦合器分成c路和d路,c路中的脈沖光進入相位敏感時域反射光路,最終被光電探測器探測,然后所述光電探測器將探測到的光信號轉換成電信號并傳至信號處理單元,d路中的脈沖光和步驟20中的所述第二偏振態(tài)脈沖光分別通過第三耦合器的兩個輸入端進入所述第三耦合器,被所述第三耦合器耦合后的脈沖光經所述第三耦合器的兩個輸出端輸出進入平衡光電檢測器,然后所述平衡光電檢測器將檢測到的光信號轉換成電信號并傳至所述信號處理單元;

步驟40:若檢測到的信號包括振動信號,則所述信號處理單元直接對振動信號進行解調工作,確定光纖中的振動事件發(fā)生的位置;若檢測到的信號包括應變信號,則所述信號處理單元反饋控制所述微波合成器驅動所述邊帶調制器,然后實施掃頻,從而所述信號處理單元確定應變事件發(fā)生的位置。

進一步地,步驟20中,a路的脈沖光進入背向瑞利散射光形成光路后首先經過脈沖調制模塊,被調制成脈寬為100ns的脈沖光;步驟40中,掃頻前,設置所述脈沖調制模塊將經過的脈沖光調制成脈寬為10ns的脈沖光。

進一步地,步驟30中,相位敏感時域反射光路具體為:c路中的脈沖光首先進入第四耦合器耦合,然后進入非平衡臂干涉結構被其分成e路和f路,e路脈沖光進入相位調制器,與所述相位調制器中加入的載波混合后被與所述相位調制器連接的第一frm反射鏡反射回所述第四耦合器中,f路脈沖光直接被與所述非平衡臂干涉結構連接的第二frm反射鏡反射回所述第四耦合器中,且在與返回的e路脈沖光干涉混合后,由所述第四耦合器輸入到第二光纖放大器放大并由光電探測器探測轉換。

本發(fā)明的實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:本發(fā)明的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法,(1)結合cotdr技術與φ-otdr技術,從而實現對應變及振動事件的綜合測量,大大提高了分布式光纖傳感器的測量功能和應用范圍,并保證測量精度;(2)運用所述非平衡臂干涉結構,使得相位敏感光時域反射(φ-otdr)技術與干涉技術相結合,配合相位生成載波等主流解調方法,使得系統在測量振動信號時,可以將φ-otdr技術的全分布式,結構簡單等優(yōu)勢與干涉技術的測量精確,快速等優(yōu)勢相結合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法的實施例一的結構示意圖;

圖2是本發(fā)明分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法的實施例二的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚,下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地描述。

請參考圖1,實施例一:

當外界可能同時具有應變及振動事件發(fā)生或者不明確目標事件發(fā)生時,可使用本發(fā)明的實施例一提供的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統來綜合測量。本發(fā)明的實施例一提供的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統主要包括激光器1、第一耦合器3、第二耦合器12和第三耦合器13以及第二偏振控制器11。

所述激光器1通過一邊帶調制器2與所述第一耦合器3的輸入端連接,所述第一耦合器3的兩個輸出端分別為a輸出端和b輸出端,其中所述a輸出端與一背向瑞利散射光形成光路a的輸入端連接。所述背向瑞利散射光形成光路a包括順序連接的脈沖調制模塊4、第一偏振控制器5、第一光纖放大器6和濾波器7,所述脈沖調制模4塊的輸入端與所述a輸出端連接,所述濾波器7的輸出端與一環(huán)形器8的第一端口連接,所述環(huán)形器8的第二端口和第三端口分別與一傳感光纖9和所述第二耦合器12的輸入端連接。所述脈沖調制模塊4用于將所述激光器1發(fā)射的激光調制成脈寬為τ、周期為t的脈沖激光。經所述第一偏振控制器5調制后的脈沖光變成了第一偏振態(tài)脈沖光,所述濾波器7用于除去經所述第一光纖放大器6放大后的所述第一偏振態(tài)脈沖光中的噪聲,以提高光路中的信噪比。所述第一偏振態(tài)脈沖光從所述環(huán)形器8的第二端口傳入所述傳感光纖9后在所述傳感光纖9中產生背向瑞利散射光,然后該背向瑞利散射光從所述環(huán)形器8的第二端口返回到所述環(huán)形器8,然后再從所述第三端口進入所述第二耦合器12。

所述第二耦合器12的兩個輸出端分別為c輸出端和d輸出端,其中所述c輸出端與一相位敏感時域反射光路b的輸入端連接,所述相位敏感時域反射光路b包括一第四耦合器14、一非平衡臂干涉結構22和一相位調制器15,所述第四耦合器14具有一第一輸出端和一第二輸出端,所述非平衡臂干涉結構22的兩個輸出端分別為e輸出端和f輸出端,所述第四耦合器14的輸入端與所述c輸出端連接,所述第一輸出端與所述非平衡臂干涉結構22的輸入端連接,所述e輸出端與所述相位調制器15連接,所述f輸出端和所述相位調制器15分別與一第二frm反射鏡17和所述第一frm反射鏡16連接,所述第二輸出端通過一第二光纖放大器19與所述光電檢測器20連接,而所述光電檢測器20與信號處理單元21連接連接。

再另一實施例中,為了進一步提高信噪比和檢測精度,所述第二光纖放大器19通過一濾波器與所述光電檢測器20連接。

所述b輸出端與所述第二偏振控制器11的輸入端連接,脈沖光經所述第二偏振控制器11調制成第二偏振態(tài)脈沖光。所述d輸出端和所述第二偏振控制器11的輸出端分別與所述第三耦合器13的兩個輸入端連接,所述第三耦合器13的兩個輸出端分別與一平衡光電檢測器18的兩個輸入端連接,所述平衡光電檢測器18的輸出端通過所述信號處理單元21和一微波合成器10與所述邊帶調制器2連接。

其中,所述第三耦合器13和所述第四耦合器14的耦合比均為50:50。

運用所述非平衡臂干涉結構22,使得相位敏感光時域反射(φ-otdr)技術與干涉技術相結合,配合相位生成載波等主流解調方法,使得系統在測量振動信號時,可以將φ-otdr技術的全分布式、結構簡單等優(yōu)勢與干涉技術的測量精確、快速等優(yōu)勢相結合得到:優(yōu)勢1,使記錄的目標振動信號波形、頻率、振幅、波形等都得以放大;優(yōu)勢2:使振動信號的全方位信息都得以解調,包括振幅、波形、頻率、位置等。

使用時,包括以下步驟:

步驟10:通過微波合成器10控制關閉邊帶調制器2使所述邊帶調制器2只執(zhí)行普通光纖的功能。

所述微波合成器10是所述邊帶調制器2的驅動開關,可以在所述信號處理單元21的相關反饋信號的作用下控制所述邊帶調制器2使其發(fā)揮邊帶調制功能,該邊帶調制包括單邊帶調制和/或雙邊帶調制,具體根據實際情況而定。所述微波合成器10在沒有收到所述信號處理單元21的相關反饋信號時,所述邊帶調制器2的邊帶調制功能處于關閉狀態(tài),只發(fā)揮普通光纖的作用。

步驟20:激光器1發(fā)射的激光經步驟10中的所述邊帶調制器2后進入第一耦合器3,被所述第一耦合器3分成a路和b路,a路的脈沖光進入背向瑞利散射光形成光路a并在所述背向瑞利散射光形成光路a中形成背向瑞利散射光,b路的脈沖光進入所述第二偏振控制器11經所述第二偏振控制器11變成第二偏振態(tài)脈沖光。

a路的脈沖光進入背向瑞利散射光形成光路a后首先經過脈沖調制模塊4,被調制成脈寬為100ns的脈沖光。再經所述第一偏振控制器5被調制成第一偏振態(tài)脈沖光,然后經過所述第一光纖放大器6放大和所述濾波器7濾波降噪后,從所述環(huán)形器8的第一端口進入所述環(huán)形器8,所述第一偏振態(tài)脈沖光從所述環(huán)形器8的第二端口傳入所述傳感光纖9后在所述傳感光纖9中產生背向瑞利散射光,然后該背向瑞利散射光從所述環(huán)形器8的第二端口返回到所述環(huán)形器8,然后再從所述第三端口進入所述第二耦合器12。

步驟30:所述背向瑞利散射光進入第二耦合器12,被所述第二耦合器12分成c路和d路,c路中的脈沖光進入相位敏感時域反射光路b,最終被光電探測器20探測,然后所述光電探測器20將探測到的光信號轉換成電信號并傳至信號處理單元21,d路中的脈沖光和步驟20中的所述第二偏振態(tài)脈沖光分別通過第三耦合器13的兩個輸入端進入所述第三耦合器13,被所述第三耦合器13耦合后的脈沖光經所述第三耦合器13的兩個輸出端輸出進入平衡光電檢測器18,然后所述平衡光電檢測器18將檢測到的光信號轉換成電信號并傳至所述信號處理單元21。

c路中的脈沖光首先進入第四耦合器14耦合,然后進入非平衡臂干涉結構22且被其分成e路和f路,e路脈沖光進入相位調制器15,與所述相位調制器15中加入的載波混合后被與所述相位調制器15連接的第一frm反射鏡反射16回傳至所述第四耦合器14中;f路脈沖光直接被與所述非平衡臂干涉結構22連接的第二frm反射鏡17反射回至所述第四耦合器14中,且在與返回的e路脈沖光干涉混合后,由所述第四耦合器14輸入到第二光纖放大器19放大并由光電探測器20探測轉換。

步驟40:所述信號處理單元21分析所述光電探測器20探測和所述平衡光電檢測器18的探測和檢測結果,若檢測到的信號包括振動信號,則所述信號處理單元21直接對振動信號進行解調工作,確定光纖中的振動事件發(fā)生的位置;若檢測到的信號包括應變信號,則所述信號處理單元21反饋控制所述微波合成器10驅動所述邊帶調制器2,然后實施掃頻,從而所述信號處理單元21確定應變事件發(fā)生的位置。

應變或振動事件發(fā)生時,理論上所述光電探測器20與所述平衡光電檢測器18皆能感測到變化,此時由事件發(fā)生位置s可由s=cδt/2n得知,其中c=3x108m/s為真空中的光速,δt為從計時開始到接收到所需定位的背向瑞利散射光所經過的時間。對于長度為l的所述傳感光纖9,兩個探測脈沖光的時間間隔δt應大于2nl/c,即脈沖光在光纖中往返一次需要的時間。但因為測量時間限制,優(yōu)先通過所述信號處理單元21對振動事件分析判斷,如果是振動事件,則直接解調,如果不是,隨后所述信號處理單元21反饋控制所述微波合成器10,同時設置所述脈沖調制模塊4將脈沖光調制成脈寬為10ns的脈沖光,精確空間分辨率,從而實現掃頻對應變事件進行測量分析。

當兩者皆有或者不明確具體目標事件出現時,按照先振動后應變測量順序依次測量,隨后綜合分析。

請參考圖2,實施例二:

當外界不同時具有應變及振動事件發(fā)生或者明確目標事件發(fā)生時,可使用本發(fā)明的實施例二提供的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統來綜合測量。本發(fā)明的實施例二提供的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統與實施例一提供的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統的區(qū)別在于,所述第二耦合器12被一光倒換開關12′取代,測振動量時,所述光倒換開關12′導向連接第四耦合器14所在的一端23;測應變量時,所述光倒換開關12′導向連接第三耦合器13所在的一端24。

即:當明確具體需要測量的目標事件時,我們可以將所述光倒換開關12′倒到不同的領域,例如需要測量振動事件時,則將所述光到換開關12′導向連接所述第四耦合器14一端23,反之,需要測量應變事件時,則將所述光到換開關12′導向連接第三耦合器13一端24,對應變進行相關掃頻測量。這樣便于消除耦合器對光功率的衰減,從而強化目標信號,使得監(jiān)測更加精準,同時也降低相關系統的功耗。

本發(fā)明在測量應變的時候特別容易受到溫度的影響,也就是說應變測量的結果其實是溫度和應變的共同結果,所以為了避免出現溫度交叉敏感的問題,本發(fā)明中光纖采用特種光纖,比如隔熱光纖等避免溫度影響。

本發(fā)明的實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:本發(fā)明的一種分布式光纖應力及振動的傳感系統及其傳感方法,(1)結合cotdr技術與φ-otdr技術,從而實現對應變及振動事件的綜合測量,大大提高了分布式光纖傳感器的測量功能和應用范圍,并保證測量精度;(2)運用所述非平衡臂干涉結構22,使得相位敏感光時域反射(φ-otdr)技術與干涉技術相結合,配合相位生成載波等主流解調方法,使得系統在測量振動信號時,可以將φ-otdr技術的全分布式,結構簡單等優(yōu)勢與干涉技術的測量精確,快速等優(yōu)勢相結合。

在不沖突的情況下,本文中上述實施例及實施例中的特征可以相互結合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。

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