CN101793659A - 一种分布式光纤盐密传感器及传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤盐密传感器及传感方法。所述分布式光纤盐密传感器包括光发射单元、光调制单元、光接收单元以及信号处理单元，使用本发明所提供的分布式光纤盐密传感器通过一次测量，即可获得传感光纤所经区域盐密强度的完整信息，并且，系统监测距离长，定位精度高。同时，本发明还提供了一种分布式光纤盐密传感器的传感方法，该方法步骤简单，可方便地对目标区域内的盐密强度分布信息进行测量。

Description

一种分布式光纤盐密传感器及传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种分布式光纤盐密传感器及传感方法。

背景技术

早在60年代中期就出现了第一个有关光纤传感器的专利，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。

盐度是海洋动力学以及海洋与大气相互作用中起关键作用的重要参数。盐度的变化与海洋环境及气候的变化有很强的内在联系。因此，对其精确的检测，对研究海洋学、海洋环境和气候的监测及预测、军事、沿海采油、以及海洋渔业等具有十分重要的实用意义和社会、经济效益。

为了能实时监测海水的盐度，各种盐密传感器应运而生。近年来，在各种盐密传感技术中，光纤盐密传感技术越来越受到关注，其地位变得越来越重要，这是因为相对于其它盐密传感技术而言，光纤盐密传感技术具有大量而突出的优点，例如，传感元件无需电子单元、防燃防爆防腐蚀、灵敏度高、柔性易弯曲、防电磁干扰、可在高温高压下工作、传感器结构简单小巧、易实现远距离信号传输并且信号损耗小等。然而，目前的光纤盐密传感器存在不能定位，并且精度不高等缺点。

发明内容

本发明提供一种分布式光纤盐密传感器及传感方法，以解决现有的光纤盐密传感器不能定位、精度不高的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种分布式光纤盐密传感器，所述分布式光纤盐密传感器包括依次串连的：

光发射单元，用于发射一大功率窄线宽脉冲光信号；

光调制单元，用于传输所述大功率窄线宽脉冲光信号，并产生瑞利散射光信号，所述瑞利散射光信号受到盐密作用发生损耗，产生携带盐密强度分布信息的光信号；

光接收单元，用于接收光调制单元输出的携带盐密强度分布信息的光信号，并将所述光信号转换为电信号；以及

信号处理单元，用于对所述电信号进行处理并获得对应点的盐密强度分布信息。

可选的，所述光发射单元包括依次串连的窄线宽脉冲光源和光放大器，所述窄线宽脉冲光源为一种激光光源，用于输出大功率窄脉冲光信号，所述光放大器对所述窄线宽脉冲光源输出的大功率窄脉冲光信号进行放大。

可选的，所述激光光源为窄线宽脉冲光纤激光器，所述窄线宽脉冲光纤激光器包括输出端及同步信号输出端，所述输出端用于输出大功率窄线宽脉冲光信号，所述同步信号输出端用于输出同步电脉冲信号使所述信号处理单元开始信号采集。

可选的，所述光调制单元包括光纤环形器和传感光纤，所述传感光纤为低损耗传感铅玻璃光纤，所述光纤环形器包括输入端、反馈端及输出端，所述输入端用于输入经光放大器放大的大功率窄线宽脉冲光信号，所述反馈端与所述传感光纤相连，向所述传感光纤注入大功率窄线宽脉冲光信号，所述大功率窄线宽脉冲光信号在所述传感光纤中产生后向散射光，所述后向散射光包括瑞利散射光，所述传感光纤受到盐密的作用使所述瑞利散射光成为携带盐密强度分布信息的光信号，所述携带盐密强度分布信息的光信号再通过所述反馈端传输到所述光纤环形器，并通过输出端定向输出。

可选的，所述光接收单元包括依次串连的雪崩光电二极管高压温控模块、雪崩光电二极管光接收模块及放大匹配电路，所述雪崩光电二极管光接收模块的输入端与所述光纤环形器的输出端相连，用于输入所述携带盐密强度分布信息的光信号，并将所述光信号转换为电信号输出到所述放大匹配电路，所述放大匹配电路将所述电信号进行后级放大，所述雪崩光电二极管高压温控模块与所述雪崩光电二极管光接收模块相连，用于获得所述雪崩光电二极管光接收模块中雪崩光电二极管的恒增益电压控制。

可选的，所述雪崩光电二极管光接收模块包括依次串连的光电探测器及前级放大电路，所述光电探测器用于输入从光纤环形器的输出端输出的携带盐密强度分布信息的光信号，将所述光信号转换成电信号，并输出到所述前级放大电路，所述前级放大电路将所述电信号进行前级放大。

可选的，所述信号处理单元包括依次串连的高速AD采集器及微处理器系统，所述高速AD采集器的输入端与放大匹配电路的输出端相连，在所述同步信号的触发下，高速AD采集器对所述放大匹配电路输出的电信号进行采集，并对所述电信号进行模数转换，转换成数字电信号，所述微处理器系统读入所述数字电信号，并对所述数字电信号进行信号处理及分析计算，获得对应点的振动信息，实现环境盐密强度分布的实时在线监测和报警控制输出。

可选的，所述高速AD采集器包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，所述AD前置放大器对所述放大匹配电路输出的电信号进行前置放大，所述AD转换器对所述AD前置放大器前置放大后的电信号进行模数转换，转换成数字电信号，所述现场可编程门阵列为所述高速AD采集器提供时序控制。

可选的，所述信号处理单元还包括与所述微处理器系统相连的显示系统、报警系统、存储系统及主控器系统，所述显示系统对对应点的盐密强度进行实时在线监测，所述报警系统用于对对应点的盐密强度分布进行报警控制，所述存储系统用于对对应点的盐密强度分布信息进行存储，所述主控器系统用于实现信息共享。

为解决上述问题，本发明还提出一种分布式光纤盐密传感器的传感方法，所述传感方法包括以下步骤：

窄线宽光纤激光器产生大功率窄脉冲光信号和同步信号；

所述光脉冲放大后经过光纤环形器进入传感光纤生成瑞利散射光；

所述瑞利散射光进入雪崩光电二极管光接收模块转换成电信号，然后进入高速AD采集器；

所述高速AD采集器在所述同步信号的触发下对所述电信号进行采集，并对所述电信号进行模数转换、数据定标、数据解调及数据修正；

微处理器系统接收所述高速AD采集卡处理后的电信号，并对所述电信号进行信号处理及分析计算，获得对应点的振动信息，实现环境盐密强度分布的实时在线监测和报警控制输出。

本发明所提供的分布式光纤盐密传感器由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明所提供的分布式光纤盐密传感器是基于光时域反射和盐密导致光纤材料的吸收和散射损耗变化的测量原理，对目标区域内的核盐密强度进行测量，系统监测距离长，定位精度高；

2、本发明采用的传感光纤为低损耗传感铅玻璃光纤，所述低损耗传感铅玻璃光纤的吸收和散射损耗变化灵敏度好；

3、本发明所提供的分布式光纤盐密传感器通过一次测量，即可获得低损耗传感铅玻璃光纤所经区域盐密强度的完整信息，简化了操作；

4、本发明所提供的分布式光纤盐密传感器可在现场通过显示系统进行报警阈值的测试和设定，使用方便。

同时，本发明所提供的分布式光纤盐密传感器的传感方法步骤简单，可方便地对目标区域内的盐密强度分布信息进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分布式光纤盐密传感器基本结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的分布式光纤盐密传感器及传感方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种分布式光纤盐密传感器及传感方法，所述分布式光纤盐密传感器基于光时域反射和盐密导致光纤材料的吸收和散射损耗变化的测量原理，对目标区域内的核盐密强度进行测量，系统监测距离长，定位精度高，并且通过一次测量，即可获得低损耗传感铅玻璃光纤所经区域盐密强度的完整信息，简化了操作。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的分布式光纤盐密传感器基本结构示意图，如图1所示，该分布式光纤盐密传感器包括依次串连的光发射单元10、光调制单元20、光接收单元30以及信号处理单元40。所述光发射单元10用于发射一大功率窄线宽脉冲光信号；所述光调制单元20用于传输所述大功率窄线宽脉冲光信号，并产生瑞利散射光信号，所述瑞利散射光信号受到盐密作用发生损耗，产生携带盐密强度分布信息的光信号；所述光接收单元30用于接收光传输单元输出的携带盐密强度分布信息的光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述信号处理单元40用于对所述电信号进行处理并获得对应点的盐密强度分布信息。

下面将详细描述光发射单元10、光调制单元20、光接收单元30以及信号处理单元40，从而使本发明更为清晰。

如图1所示，所述光发射单元10包括依次串连的窄线宽脉冲光源11和光放大器12，所述窄线宽脉冲光源11包括输出端及同步信号输出端，所述输出端用于输出大功率窄线宽脉冲光信号，所述同步信号输出端用于输出同步信号使所述信号处理单元40开始信号采集，所述同步信号是与所述大功率窄脉冲光信号同步输出的电脉冲信号。所述窄线宽脉冲光源11的输出端与所述光放大器12相连，所述光放大器12对所述窄线宽脉冲光源11输出的大功率窄脉冲光信号进行放大。

光调制单元20包括光纤环形器21和传感光纤22，所述光纤环形器21包括输入端、反馈端及输出端，所述输入端用于输入经光放大器12放大的大功率窄线宽脉冲光信号，所述反馈端与所述传感光纤22相连，向所述传感光纤22注入大功率窄线宽脉冲光信号，所述大功率窄线宽脉冲光信号在所述传感光纤22中产生后向散射光，所述后向散射光包括瑞利散射光，所述传感光纤22受到盐密的作用使所述瑞利散射光成为携带盐密强度分布信息的光信号，所述携带盐密强度分布信息的光信号再通过所述反馈端传输到所述光纤环形器21，并通过输出端定向输出。

所述光接收单元30包括依次串连的雪崩光电二极管高压温控模块31、雪崩光电二极管光接收模块32及放大匹配电路33，所述雪崩光电二极管光接收模块32的输入端与所述光纤环形器21的输出端相连，用于输入所述携带盐密强度分布信息的光信号，并将所述光信号转换为电信号输出到所述放大匹配电路33，所述放大匹配电路33将所述电信号进行后级放大，所述雪崩光电二极管高压温控模块31与所述雪崩光电二极管光接收模块32相连，用于获得所述雪崩光电二极管光接收模块32中雪崩光电二极管的恒增益电压控制。所述雪崩光电二极管光接收模块32包括依次串连的光电探测器及前级放大电路，所述光电探测器用于输入从光纤环形器21的输出端输出的携带盐密强度分布信息的光信号，将所述光信号转换成电信号，并输出到所述前级放大电路，所述前级放大电路将所述电信号进行前级放大。

所述信号处理单元40包括依次串连的高速AD采集器41及微处理器系统42，所述高速AD采集器41的输入端与放大匹配电路33的输出端相连，在所述同步信号的触发下，高速AD采集器41对所述放大匹配电路33输出的电信号进行采集，并对所述电信号进行模数转换，转换成数字电信号，所述微处理器系统42读入所述数字电信号，并对所述数字电信号进行信号处理及分析计算，获得对应点的振动信息，从而可获得沿传感光纤22轴向的盐密强度分布，实现环境盐密强度分布的实时在线监测和报警控制输出。

所述高速AD采集器41包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，所述AD前置放大器对所述放大匹配电路输出的电信号进行前置放大，所述AD转换器对所述AD前置放大器前置放大后的电信号进行模数转换，转换成数字电信号，所述现场可编程门阵列为所述高速AD采集器41提供时序控制。

同时，所述信号处理单元40还包括与所述微处理器系统42相连的显示系统43、报警系统44、存储系统45及主控器系统46，所述显示系统43对对应点的盐密强度进行实时在线监测，所述报警系统44用于对对应点的盐密强度分布进行报警控制，所述存储系统45用于对对应点的盐密强度分布信息进行存储，所述主控器系统46用于实现信息共享。

在本发明的一个具体实施例中，所述窄线宽脉冲光源11为一种激光光源。优选的，所述激光光源为窄线宽脉冲光纤激光器。所述窄线宽脉冲光纤激光器的中心波长为1550nm，线宽小于500KHz，光脉冲重复频率1k，光脉冲宽度10ns。

在本发明的一个具体实施例中，所述光放大器12的增益为30dB。

在本发明的一个具体实施例中，所述传感光纤22为50Km低损耗传感铅玻璃光纤，所述传感光纤的直线布放空间分辨率为1m。

在本发明的一个具体实施例中，所述高速AD采集器41的采样率为100MHz，AD采样精度为14位。

利用本发明所提供的分布式光纤盐密传感器的传感方法包括以下步骤：

窄线宽脉冲光源11产生大功率窄线宽脉冲光信号和同步信号；

所述光脉冲放大后经过光纤环形器21进入传感光纤22生成瑞利散射光；

所述瑞利散射光进入雪崩光电二极管光接收模块32转换成电信号，然后进入高速AD采集器41；

所述高速AD采集器41在所述同步信号的触发下对所述电信号进行采集，并对所述电信号进行模数转换、数据定标、数据解调及数据修正；

微处理器系统42接收所述高速AD采集器41处理后的电信号，并对所述电信号进行信号处理及分析计算，获得对应点的振动信息，实现环境盐密强度分布的实时在线监测和报警控制输出。

综上所述，本发明提供了一种分布式光纤盐密传感器，该分布式光纤盐密传感器包括光发射单元、光调制单元、光接收单元以及信号处理单元，本发明所提供的分布式光纤盐密传感器通过一次测量，即可获得传感光纤所经区域盐密强度的完整信息，并且，系统监测距离长，定位精度高。

同时，本发明还提供了一种分布式光纤盐密传感器的传感方法，该方法步骤简单，可方便地对目标区域内的盐密强度分布信息进行测量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种分布式光纤盐密传感器，其特征在于，包括依次串连的：

光发射单元，用于发射一大功率窄线宽脉冲光信号；

光调制单元，用于传输所述大功率窄线宽脉冲光信号，并产生瑞利散射光信号，所述瑞利散射光信号受到盐密作用发生损耗，产生携带盐密强度分布信息的光信号；

光接收单元，用于接收光调制单元输出的携带盐密强度分布信息的光信号，并将所述光信号转换为电信号；以及

信号处理单元，用于对所述电信号进行处理并获得对应点的盐密强度分布信息。

2.如权利要求1所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述光发射单元包括依次串连的窄线宽脉冲光源和光放大器，所述窄线宽脉冲光源为一种激光光源，用于输出大功率窄脉冲光信号，所述光放大器对所述窄线宽脉冲光源输出的大功率窄脉冲光信号进行放大。

3.如权利要求2所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述激光光源为窄线宽脉冲光纤激光器，所述窄线宽脉冲光纤激光器包括输出端及同步信号输出端，所述输出端用于输出大功率窄线宽脉冲光信号，所述同步信号输出端用于输出同步电脉冲信号使所述信号处理单元开始信号采集。

4.如权利要求2所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述光调制单元包括光纤环形器和传感光纤，所述传感光纤为低损耗传感铅玻璃光纤，所述光纤环形器包括输入端、反馈端及输出端，所述输入端用于输入经光放大器放大的大功率窄线宽脉冲光信号，所述反馈端与所述传感光纤相连，向所述传感光纤注入大功率窄线宽脉冲光信号，所述大功率窄线宽脉冲光信号在所述传感光纤中产生后向散射光，所述后向散射光包括瑞利散射光，所述传感光纤受到盐密的作用使所述瑞利散射光成为携带盐密强度分布信息的光信号，所述携带盐密强度分布信息的光信号再通过所述反馈端传输到所述光纤环形器，并通过输出端定向输出。

5.如权利要求1所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述光接收单元包括依次串连的雪崩光电二极管高压温控模块、雪崩光电二极管光接收模块及放大匹配电路，所述雪崩光电二极管光接收模块的输入端与所述光纤环形器的输出端相连，用于输入所述携带盐密强度分布信息的光信号，并将所述光信号转换为电信号输出到所述放大匹配电路，所述放大匹配电路将所述电信号进行后级放大，所述雪崩光电二极管高压温控模块与所述雪崩光电二极管光接收模块相连，用于获得所述雪崩光电二极管光接收模块中雪崩光电二极管的恒增益电压控制。

6.如权利要求5所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述雪崩光电二极管光接收模块包括依次串连的光电探测器及前级放大电路，所述光电探测器用于输入从光纤环形器的输出端输出的携带盐密强度分布信息的光信号，将所述光信号转换成电信号，并输出到所述前级放大电路，所述前级放大电路将所述电信号进行前级放大。

7.如权利要求6所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括依次串连的高速AD采集器及微处理器系统，所述高速AD采集器的输入端与放大匹配电路的输出端相连，在所述同步信号的触发下，高速AD采集器对所述放大匹配电路输出的电信号进行采集，并对所述电信号进行模数转换，转换成数字电信号，所述微处理器系统读入所述数字电信号，并对所述数字电信号进行信号处理及分析计算，获得对应点的振动信息，实现环境盐密强度分布的实时在线监测和报警控制输出。

8.如权利要求7所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述高速AD采集器包括AD前置放大器、AD转换器以及现场可编程门阵列，所述AD前置放大器对所述放大匹配电路输出的电信号进行前置放大，所述AD转换器对所述AD前置放大器前置放大后的电信号进行模数转换，转换成数字电信号，所述现场可编程门阵列为所述高速AD采集器提供时序控制。

9.如权利要求8所述的分布式光纤盐密传感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括与所述微处理器系统相连的显示系统、报警系统、存储系统及主控器系统，所述显示系统对对应点的盐密强度进行实时在线监测，所述报警系统用于对对应点的盐密强度分布进行报警控制，所述存储系统用于对对应点的盐密强度分布信息进行存储，所述主控器系统用于实现信息共享。

10.一种分布式光纤盐密传感器的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

窄线宽光纤激光器产生大功率窄线宽脉冲光信号和同步信号；

所述光脉冲放大后经过光纤环形器进入传感光纤生成瑞利散射光；

所述瑞利散射光进入雪崩光电二极管光接收模块转换成电信号，然后进入高速AD采集器；

所述高速AD采集器在所述同步信号的触发下对所述电信号进行采集，并对所述电信号进行模数转换、数据定标、数据解调及数据修正；

微处理器系统接收所述高速AD采集卡处理后的电信号，并对所述电信号进行信号处理及分析计算，获得对应点的振动信息，实现环境盐密强度分布的实时在线监测和报警控制输出。

Images