CN101793533A - 光纤辐射传感系统及其传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光纤辐射传感系统及其传感方法，该系统包括光源、光纤环形器、光接收单元、高速AD采集卡和微处理器系统，该方法包括以下步骤：所述光源产生光脉冲和同步信号；所述光脉冲经过光纤环形器进入传感光纤生成后向瑞利散射光；所述瑞利散射光进入光接收单元转换成电信号，最后进入高速AD采集卡；所述同步信号控制高速AD采集卡对瑞利散射光电信号的采集，对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正；所述微处理器系统接收所述高速AD采集卡预处理的数据。本发明提出的光纤辐射传感系统及其传感方法，具有光时域反射技术定位精度高和干辐射导致光纤材料的吸收损耗变化灵敏度好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，且特别涉及一种光纤辐射传感系统及其传感方法。
背景技术
光纤传感器的概念不是新的，早在60年代中期就出现了第一个专利，它包括采用传光束的Fotonic机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是，在更为广阔的领域，即光纤传感技术，取得系列研究却是在10年以后，从那时起光纤技术就突破了那种徘徊不前的状态，进入了一日千里的时代。
光纤传感器的基本原理是：由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。
目前，分布式光纤传感技术是光传感技术领域中最有应用前景的，其中精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感方法通过一次测量，既可获得光纤所经区域辐射强度的完整信息。然而定位型超大长度分布式光纤辐射传感器的探测区域很大，测量光缆越长越好，一般大于50Km，防区空间分辨率1m，所以系统的光接收动态范围很宽(大于50dB)，对光电信号处理系统要求极高，所以需要一种能够做出性能稳定的精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感方法。
发明内容
本发明公开了一种基于光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理的精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感系统及其传感方法，具有光时域反射技术定位精度高和干辐射导致光纤材料的吸收损耗变化灵敏度好的特点。
为了达到上述目的，本发明提出一种光纤辐射传感系统，包括光源、光纤环形器、光接收单元、高速AD采集卡和微处理器系统，
所述光源的光输出端接入所述光纤环形器的光入射端；
所述光纤环形器的反馈端与传感光纤相连；
所述光接收单元与所述光纤环形器的输出端相连，用以光电转换瑞利散射光信号；
所述高速AD采集卡，用以将所述光接收单元的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；
微处理器系统，与所述高速AD采集卡相连，用以对所述预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的辐射强度分布信息。
进一步的，所述光源为窄线宽脉冲光纤激光器。
进一步的，所述光源包括同步信号输出端，用以输出同步信号通知所述高速AD采集卡开始AD信号采集。
进一步的，所述光纤环形器包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与窄线宽脉冲光纤激光器的输出端相连，用于接收窄线宽脉冲光纤激光器输出的光脉冲，其反馈端与传感光纤相连，用于向传感光纤注入所述光脉冲，并接收在传感光纤中产生的后向散射光，其输出端将接收到的后向散射光输出。
进一步的，所述高速AD采集卡包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，完成以现场可编程门阵列为核心的高速数据采集、累加存储的信号预处理。
为了达到上述目的，本发明还提出一种光纤辐射传感系统的传感方法，包括以下步骤：
所述光源产生光脉冲和同步信号；
所述光脉冲经过光纤环形器进入传感光纤生成后向瑞利散射光；
所述瑞利散射光进入光接收单元转换成电信号，最后进入高速AD采集卡；
所述同步信号控制高速AD采集卡对瑞利散射光电信号的采集，对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正；
所述微处理器系统接收所述高速AD采集卡预处理的数据。
进一步的，所述光源为窄线宽脉冲光纤激光器。
进一步的，所述高速AD采集卡包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，完成以现场可编程门阵列为核心的高速数据采集、信号预处理。
本发明的有益效果在于：本发明针对以往辐射传感器设计的不能定位和精度不高等缺陷，提出了一种基于光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理的精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感方法，该传感器结构通过利用光波在光纤中传输时产生的瑞利散射效应，采用光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理，对目标区域内的辐射强度分布信息进行测量，系统具有定位精度高和测量范围大的特点。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的光纤辐射传感系统结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的光纤辐射传感方法的流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图说明如下。
本发明公开了一种基于光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理的精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感系统及其传感方法，具有光时域反射技术定位精度高和干辐射导致光纤材料的吸收损耗变化灵敏度好的特点。
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的光纤辐射传感系统结构示意图。本发明提出一种光纤辐射传感系统，包括光源11、光纤环形器22、光接收单元33、高速AD采集卡44和微处理器系统46，所述光源11的光输出端接入所述光纤环形器22的光入射端；所述光纤环形器22的反馈端与传感光纤50相连；所述光接收单元33与所述光纤环形器22的输出端相连，用以输出瑞利散射光信号；所述高速AD采集卡44，用以将所述光接收单元33的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；微处理器系统46，与所述高速AD采集卡44相连，用以对所述预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的辐射强度分布信息。微处理器系统46将各个模块有机的联系起来，实现环境辐射强度分布的实时在线监测和报警控制输出。本发明的光学系统与调制频率：光源中心波长1550nm，线宽小于500KHz，传感光纤长度50km，光脉冲重复频率1k，光脉冲宽度10ns，高速AD采集卡采样率100MHz，AD采样精度14位。系统的最大测量距离达50Km，光纤直线布放空间分辨率为1m。辐射信号在顶层处理，可在现场通过桌面进行报警阈值的测试和设定。
根据本发明较佳实施例，所述光源11为窄线宽脉冲光纤激光器，其是一种激光光源，本发明选用其输出窄线宽脉冲光。所述光源11包括同步信号输出端，用以输出同步信号通知所述高速AD采集卡44开始AD信号采集，触发模式可分为外同步模式。
进一步的，所述光纤环形器22包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与窄线宽脉冲光纤激光器的输出端相连，用于接收窄线宽脉冲光纤激光器输出的光脉冲，其反馈端与传感光纤50相连，用于向传感光纤50注入所述光脉冲，并接收在传感光纤50中产生的后向散射光，其输出端将接收到的后向散射光输出。
所述高速AD采集卡44包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，完成以现场可编程门阵列为核心的高速数据采集、信号预处理。其主要技术指标：
采样速率：100MSPS
位数：14位
功能：数字累加功能、滤波功能、抽点功能、运算处理功能。
本实施例所述系统采用后向散射探测方法，由窄线宽脉冲光纤激光器(光源)产生很窄的光脉冲，即光探测脉冲。光探测脉冲的宽度确定了精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感方法的空间分辨率，光探测器在某个时刻探测到的光能量是与光脉冲宽度对应的一段光纤的后向散射光能量的贡献总和，因此由光脉冲宽度就决定了一个空间分辨率。
本发明还提出一种光纤辐射传感系统的传感方法，包括以下步骤：
步骤S100：所述光源产生光脉冲和同步信号；
步骤S200：所述光脉冲经过光纤环形器进入传感光纤生成后向瑞利散射光；
步骤S300：所述瑞利散射光进入光接收单元转换成电信号，最后进入高速AD采集卡；
步骤S400：所述同步信号控制高速AD采集卡对瑞利散射光电信号的采集，对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正；
步骤S500：所述微处理器系统接收所述高速AD采集卡预处理的数据。
本发明提供一种基于光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理的精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感方法。根据后向散射光原理，由窄线宽脉冲光纤激光器(光源)输出大功率窄脉冲光，大功率窄脉冲光经光纤环形器注入到50Km传感铅玻璃光纤中，在传感铅玻璃光纤中将产生后向散射光，包括瑞利散射光。该传感铅玻璃光纤受到核辐射的作用，X射线、γ射线等的辐射会使传感铅玻璃光纤的吸收损耗增加，瑞利散射光经过传感元件被辐射光作用发生损耗，自此便完成了携带辐射强度分布信息光信号的提取工作；从光纤环行形器分离出来的瑞利散射光再分别进入光接收模块APD进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作；此时信号已由光信号转换成电信号，再分别进入放大匹配电路1对电信号进行后级放大，而后由同步信号高速AD采集器进行模数转换，从而得到数字信号，并进行信号预处理，数据预处理结果通信输出到对应微处理器，便最终监测分析处理系统的分析得到整个防区的辐射强度信息，微处理器的分析数据结果输入主控器系统进行联动报警。因此，发出大功率窄线宽光脉冲后，对后向瑞利散射光信号进行高速的多点采样，就可获得沿光纤轴向的辐射强度分布，实现分布式辐射测量。
本发明的有益效果在于：本发明针对以往辐射传感器设计的不能定位和精度不高等缺陷，提出了一种基于光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理的精确定位型超大长度分布式光纤辐射传感方法，该传感器结构通过利用光波在光纤中传输时产生的瑞利散射效应，采用光时域反射和辐射导致光纤材料的吸收损耗变化的测量原理，对目标区域内的辐射强度分布信息进行测量，系统具有定位精度高和测量范围大的特点。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。
Claims (8)
1.一种光纤辐射传感系统，其特征在于，包括光源、光纤环形器、光接收单元、高速AD采集卡和微处理器系统，
所述光源的光输出端接入所述光纤环形器的光入射端；
所述光纤环形器的反馈端与传感光纤相连；
所述光接收单元与所述光纤环形器的输出端相连，用以光电转换瑞利散射光信号；
所述高速AD采集卡，用以将所述光接收单元的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；
微处理器系统，与所述高速AD采集卡相连，用以对所述预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的辐射强度分布信息。
2.根据权利要求1所述的光纤辐射传感系统，其特征在于，所述光源为窄线宽脉冲光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的光纤辐射传感系统，其特征在于，所述光源包括同步信号输出端，用以输出同步信号通知所述高速AD采集卡开始AD信号采集。
4.根据权利要求1所述的光纤辐射传感系统，其特征在于，所述光纤环形器包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与窄线宽脉冲光纤激光器的输出端相连，用于接收窄线宽脉冲光纤激光器输出的的光脉冲，其反馈端与传感光纤相连，用于向传感光纤注入所述光脉冲，并接收在传感光纤中产生的后向散射光，其输出端将接收到的后向散射光输出。
5.根据权利要求1所述的光纤辐射传感系统，其特征在于，所述高速AD采集卡包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，完成以现场可编程门阵列为核心的高速数据采集、累加存储的信号预处理。
6.根据权利要求1所述的光纤辐射传感系统的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述光源产生光脉冲和同步信号；
所述光脉冲经过光纤环形器进入传感光纤生成后向瑞利散射光；
所述瑞利散射光进入光接收单元转换成电信号，最后进入高速AD采集卡；
所述同步信号控制高速AD采集卡对瑞利散射光电信号的采集，对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正；
所述微处理器系统接收所述高速AD采集卡预处理的数据。
7.根据权利要求6所述的光纤辐射传感系统的传感方法，其特征在于，所述光源为窄线宽脉冲光纤激光器。
8.根据权利要求6所述的光纤辐射传感系统的传感方法，其特征在于，所述高速AD采集卡包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，完成以现场可编程门阵列为核心的高速数据采集、信号预处理。
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| CN103823175A (zh) * | 2014-01-10 | 2014-05-28 | 上海波汇通信科技有限公司 | 一种基于otdr的光电探测电路频响特性测试方法 |
| CN106643842A (zh) * | 2017-02-10 | 2017-05-10 | 华南师范大学 | 一种分布式传感器及传感方法 |
| CN107329162A (zh) * | 2017-08-04 | 2017-11-07 | 上海交通大学 | 基于布拉格光栅的伽马辐射实时测量装置及其系统 |
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