CN102425995A - 同时测量静态/动态应变、温度的光纤传感器系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统及方法，发明在B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统的基础上，通过光开关，切换工作模式使光纤传感器系统在两种工作模式下跳转，以实现静态应变与动态扰动的同时测量。本发明实现了基于Φ-OTDR技术的动态扰动及应变传感和基于B-OTDA原理的温度分布及静态形变传感的融合，使得一套传感系统兼具Φ-OTDR和B-OTDA的功能，有效解决了传统B-OTDA只能用于静态应变，而对于即时的动态应变或者外界的微弱扰动无法捕获的缺点，同时也解决了传统Φ-OTDR只能检测动态应变而无法实现静态测量的缺点，在长距离分布式传感系统中有极大的应用前景。

Description

同时测量静态/动态应变、温度的光纤传感器系统及方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种能同时进行入侵检测和温度/应变多参数实时测量的光纤传感器系统，构成了具有入侵预警功能和温度应变实时监测功能的复合式光纤传感器系统。

背景技术

随着大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、高速铁路、公路以及重大工程设施如电力通信网络、输油输气管道、能源存储基地、大型电站等的不断建设和普及使用，对它们特别是对大型国防基础工程设施进行安全健康监测以及时发现故障、防灾减灾、确保国家和人民生命财产安全显得越来越重要。但是对这些大型基础工程设施的安全监测具有监测距离长、范围广、结构复杂、部位隐蔽等特点，同时具有精度高、实时性、分布式等要求，使得传统监测手段难以胜任。分布式光纤传感技术因不需制作传感器(只需采用普通光纤)并可同时测量获得沿光纤路径上时间和空间的连续分布信息，完全克服了点式传感器(如光纤光栅传感器)难以对被测场进行全方位连续监测的缺陷。同时还具有光纤损耗低、抗腐蚀、易埋入、抗电磁场干扰、信号数据可多路传输等传统传感器所不具备的优越性能，而成为目前最为理想的大型设施无损监测技术，显示出十分诱人的应用前景。在分布式光纤传感技术中，应用比较广泛的有基于布里渊散射的分布式光纤传感技术、基于拉曼散射的分布式光纤传感技术和基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。

自从1989年，T.Horiguchi等首次提出了B-OTDA传感技术并将其用于对光纤的无损检测以来(见Horiguchi T.BOTDA-nondestructive measurement ofsingle-mode optical fiber attenuation characteristics using Brillouininteraction：theory[J].J.Lightwave Technol.，1989)，由于其在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，使得该技术得到了广泛关注。然而，在一些重要的监测场合，特别是需要在故障未发生或即将发生时就会报警以避免重大安全事故发生或造成严重经济损失的场合(如石油管道、地埋高压线等安防监测)，由于布里渊光纤传感技术只能感知静态应变，当破坏事件发生的初期，光纤线路受到微扰时，很难被捕捉并预警，因此在一些输油管道、地埋高压线等场合，虽然布设了基于布里渊散射的分布式传感器系统，但是盗油、盗电缆事件仍时有发生。基于瑞利散射的分布式传感技术以其高灵敏度、传感距离远、定位准确成为安防领域应用最有前景的分布式光纤传感技术之一。可以实现在事故发生之前通过监测轻微的扰动以达到预警，避免灾难发生的功能，但是它对静态的应变却不敏感。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能进行静态/动态应变与温度同时检测的光纤传感器系统，该系统包括：B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统，其特征在于，在B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统的基础上，还包括光开关，所述光开关用于切换工作模式使光纤传感器系统在两种工作模式下跳转，以实现静态应变与动态扰动的同时测量。

进一步，所述光开关用于切换两种工作模式具体包括：当光开关a端子与b端子接通时，即相位调制器和偏振控制器工作，传感系统回路闭合时，系统工作于B-OTDA模式；当光开关a端子与c端子接通，即相位调制器和偏振控制器不工作，传感系统回路断开时，系统工作于Φ-OTDR模式。

进一步，所述B-OTDA传感器系统具体包括：光纤激光器1、隔离器2、耦合器3、相位调制器4、光开关5、偏振控制器6、波形发生器7、声光调制器8、数据采集处理系统9、扰偏器10、掺铒光纤放大器11、可调谐滤波器12、光环形器13、光电探测器14、波分复用器15、拉曼放大系统16、微波发生器17、电光调制器18。

进一步，所述Φ-OTDR传感系统具体包括：光纤激光器1、隔离器2、耦合器3、光开关5、波形发生器7、声光调制器8、数据采集处理系统9、掺铒光纤放大器11、可调谐滤波器12、光环形器13、光电探测器14、波分复用器15、拉曼放大系统16。

进一步，所述拉曼放大系统16包括：14XX/15XX WDM，14XX拉曼泵浦源，其中，所述14XX/15XX WDM用于将布里渊探测波、布里渊泵浦波及所述14XX拉曼泵浦源，即B-OTDA工作模式，或者瑞利脉冲波、拉曼泵浦源，即Φ-OTDR工作模式耦合进传感光纤；所述14XX拉曼泵浦源用于产生分布式拉曼放大，其中，输出功率＞300mW，波长14XXnm。

进一步，所述掺铒光纤放大器11共二只，一只与所述扰偏器10相连，用于放大布里渊泵浦波/瑞利脉冲光，另一只与所述电光调制器18相连，用于放大布里渊探测波。

本发明还公开了一种同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统的方法，包括如下步骤：

A.在B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统的基础上，增设光开关；

B.通过切换所述光开关的工作模式，使光纤传感器系统在两种工作模式下跳转，以实现在一套光纤传感系统中得出动态应变、静态应变以及温度的传感信息。

进一步，步骤B中具体包括：

a.当所述光开关a端子与b端子接通时，系统处于B-OTDA工作模式，对微波发生器进行扫频，利用数据采集处理系统得出被检测对象静态应变及温度的沿光纤分布；

b.当所述光开关a端子与c端子接通时，系统处于Φ-OTDR的工作模式，相干瑞利散射光携带的应变/应力传感信息经带通滤波器滤除放大的自发辐射噪音后由光电探测器检测，得出光纤沿线的即时扰动信息。

本发明的有益结果：通过将两种技术融合后，利用Φ-OTDR进行入侵扰动动态检测，利用B-OTDA进行温度和静态应变检测，可以很好的互补以达到动态、静态同时测量，监测、预警双重功能的传感器系统。

一套光纤传感系统兼具B-OTDA和Φ-OTDR的功能，它能同时进行动态应变、静态应变以及实时温度测量，在不增加成本的前提下，克服了传统B-OTDA只能进行静态应变测量的缺点，为传统的B-OTDA光纤传感系统加入了预警功能。

在一些需要同时监测入侵以及温度/应变的场合，提供了一种简单方便的解决方案，为使用者降低成本的同时也有效遏制了人为事故的发生。

附图说明

图1是本发明一种同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器结构图。

其中1、光纤激光器，2、隔离器，3、耦合器，4、相位调制器，5、光开关，6、偏振控制器，7、波形发生器，8、声光调制器，9、数据采集处理系统，10、扰偏器，11、掺铒光纤放大器，12、可调谐滤波器，13、光环形器，14、光电探测器，15、波分复用器，16、拉曼放大系统，17、微波发生器，18、电光调制器。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案及实施方式：

本发明同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统集成了Φ-OTDR和B-OTDA分布式光纤传感技术，通过将两系统中绝大多数价格昂贵的光电器件的共享，在不影响其性能的前提下最大可能的节约成本，使器件的效率最优化。针对两个系统对光源的不同要求，本技术方案中采用相位调制器将满足Φ-OTDR的窄线宽光源(3KHz)展宽到2MHz，以使其满足B-OTDA系统对光源要求。将Φ-OTDR的动态实时监测优点和B-OTDA能进行静态应变测量的优点结合，在不增加成本的前提下，本发明为同时需要动态、静态测量，监测、预警双重功能的使用场合提供了一种简单的，性价比高的解决方案，为用户节约了投资成本与运营成本。

图1是本发明一种同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器结构图，如图所示，本发明的所述同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器，包括光纤激光器1、隔离器2、耦合器3、相位调制器4、光开关5、偏振控制器6、波形发生器7、声光调制器8、数据采集处理系统9、扰偏器10、掺铒光纤放大器11、可调谐滤波器12、光环形器13、光电探测器14、波分复用器15、拉曼放大系统16、微波发生器17、电光调制器18。其中光纤激光器1、隔离器2、耦合器3、相位调制器4、光开关5、偏振控制器6、波形发生器7、声光调制器8、数据采集处理系统9、扰偏器10、掺铒光纤放大器11、可调谐滤波器12、光环形器13、光电探测器14、波分复用器15、拉曼放大系统16、微波发生器17、电光调制器18构成了B-OTDA传感器，光纤激光器1、隔离器2、耦合器3、光开关5、波形发生器7、声光调制器8、数据采集处理系统9、掺铒光纤放大器11、可调谐滤波器12、光环形器13、光电探测器14、波分复用器15、拉曼放大系统16构成了Φ-OTDR传感系统。用光开关来转换传感器的工作模式。

所述光开关用于切换两种工作模式：当三个光开关a端子与b端子接通时(相位调制器和偏振控制器工作，传感系统回路闭合)时，此时系统工作于B-OTDA模式。当三个光开关a端子与c端子接通(相位调制器和偏振控制器不工作，传感系统回路断开)时，系统工作于Φ-OTDR模式。

所述拉曼放大系统16包括14XX/15XX WDM，14XX拉曼泵浦源。其中，所述14XX/15XX WDM用于将布里渊探测波、布里渊泵浦波及所述14XX拉曼泵浦源(B-OTDA工作模式)或者瑞利脉冲波、拉曼泵浦源(Φ-OTDR工作模式)耦合进传感光纤；所述14XX拉曼泵浦源用于产生分布式拉曼放大，其中，输出功率＞300mW，波长14XXnm。

所述光纤激光器1，用于产生Φ-OTDR传感系统所需要的激光，其中，光源线宽＜3KHz，功率大于10dBm；光隔离器2，与所述激光器1相连，用于避免反射光对激光器造成的损伤；耦合器3；相位调制器4，与所述光隔离器2相连，用于产生B-OTDA传感系统所需要的激光，其中，展宽后的光源线宽＞2MHz；光开关5、偏振控制器6，与所述耦合器3相连，用于克服声光调制器8的偏振相关性；波形发生器7，与声光调制器8相连，用于产生方波信号以驱动所述声光调制器8，其中，脉冲重复频率＜1KHz，脉宽＜1μs；声光调制器8，与偏振控制器6相连，用于调制产生布里渊泵浦波(B-OTDA工作模式)或者用于调制产生Φ-OTDR系统的脉冲光(Φ-OTDR工作模式)；扰偏器10，与所述声光调制器8相连，用于抑制布里渊增益的偏振相关性，提高测量分辨率，扰偏速率＞1KHz，输出偏振度＜5％；可调谐滤波器12，与光环形器13相连，用于滤除放大的自发辐射噪音，提高信噪比，其中，3dB带宽＜0.1nm；光环形器13，用于将布里渊泵浦波/瑞利脉冲光耦合进传感光纤，同时将经放大的布里渊探测波/瑞利散射光耦合进所述可调谐滤波器；微波发生器17，与所述10GHz电光调制器18相连，用于产生10-11GHz微波信号以驱动所述10GHz电光调制器18，其中，载波频率10-11GHz；电光调制器18，与微波发生器17相连，用于产生频移约10-11GHz的布里渊探测波，其中，带宽为10GHz；数据采集处理系统9与所述可调谐滤波器12相连，其中，数据采集处理系统9包括数据采集卡及信号处理系统，用于完成数据采集、处理及对所述波形发生器7、微波发生器17的控制。

本发明的静态/动态应变与温度检测光纤时域分析系统的实现方式包括以下步骤：

a.所述三个光开关a端子与b端子接通时，此时系统处于B-OTDA工作模式，对微波发生器进行扫频，利用数据采集处理系统得出被检测对象静态应变及温度的沿光纤分布。

b.所述三个光开关a端子与c端子接通时，此时系统处于Φ-OTDR的工作模式，相干瑞利散射光携带的应变/应力传感信息经带通滤波器滤除放大的自发辐射噪音后由光电探测器检测，得出光纤沿线的即时扰动信息。

c.切换上述两种工作状态，即可在一套光纤传感系统中得出动态应变、静态应变以及温度的传感信息。

本发明公开的具备动态入侵检测、静态应变测量以及实时温度测量的光纤传感器系统及方法，实现了基于Φ-OTDR技术的动态扰动及应变传感和基于B-OTDA原理的温度分布及静态形变传感的融合，使得一套传感系统兼具Φ-OTDR和B-OTDA的功能，有效解决了传统B-OTDA只能用于静态应变，而对于即时的动态应变或者外界的微弱扰动无法捕获的缺点，同时也解决了传统Φ-OTDR只能检测动态应变而无法实现静态测量的缺点。通过这两种技术的的巧妙融合，很大程度上实现了技术的互补，以达到动态、静态同时测量，监测、预警双重功能的传感器系统。为同时需求静态/动态应变及温度监测的场合提供了可靠、低成本的解决方案，在长距离分布式传感系统中有极大的应用前景。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。

Claims (8)

1.一种同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统，该系统包括：B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统，其特征在于，在B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统的基础上，还包括光开关，所述光开关用于切换工作模式使光纤传感器系统在两种工作模式下跳转，以实现静态应变与动态扰动的同时测量。

2.如权利要求1所述的同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统，其特征在于，所述光开关用于切换两种工作模式具体包括：当光开关a端子与b端子接通时，即相位调制器和偏振控制器工作，传感系统回路闭合时，系统工作于B-OTDA模式；当光开关a端子与c端子接通，即相位调制器和偏振控制器不工作，传感系统回路断开时，系统工作于Φ-OTDR模式。

3.如权利要求1或2所述的同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统，其特征在于，所述B-OTDA传感器系统具体包括：光纤激光器(1)、隔离器(2)、耦合器(3)、相位调制器(4)、光开关(5)、偏振控制器(6)、波形发生器(7)、声光调制器(8)、数据采集处理系统(9)、扰偏器(10)、掺铒光纤放大器(11)、可调谐滤波器(12)、光环形器(13)、光电探测器(14)、波分复用器(15)、拉曼放大系统(16)、微波发生器(17)、电光调制器(18)。

4.如权利要求1至3之一所述的同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统，其特征在于，所述Φ-OTDR传感系统具体包括：光纤激光器(1)、隔离器(2)、耦合器(3)、光开关(5)、波形发生器(7)、声光调制器(8)、数据采集处理系统(9)、掺铒光纤放大器(11)、可调谐滤波器(12)、光环形器(13)、光电探测器(14)、波分复用器(15)、拉曼放大系统(16)。

5.如权利要求3或4所述的同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统，其特征在于，所述拉曼放大系统(16)包括：14XX/15XX WDM，14XX拉曼泵浦源，其中，所述14XX/15XX WDM用于将布里渊探测波、布里渊泵浦波及所述14XX拉曼泵浦源，即B-OTDA工作模式，或者瑞利脉冲波、拉曼泵浦源，即Φ-OTDR工作模式耦合进传感光纤；所述14XX拉曼泵浦源用于产生分布式拉曼放大，其中，输出功率＞300mW，波长14XXnm。

6.如权利要求3或4所述的同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统，其特征在于，所述掺铒光纤放大器(11)共二只，一只与所述扰偏器(10)相连，用于放大布里渊泵浦波/瑞利脉冲光，另一只与所述电光调制器(18)相连，用于放大布里渊探测波。

7.一种同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.在B-OTDA传感器系统和Φ-OTDR传感系统的基础上，增设光开关；

B.通过切换所述光开关的工作模式，使光纤传感器系统在两种工作模式下跳转，以实现在一套光纤传感系统中得出动态应变、静态应变以及温度的传感信息。

8.如权利要求7所述同时测量静态/动态应变与温度的光纤传感器系统的方法，其特征在于，步骤B中具体包括：

a.当所述光开关a端子与b端子接通时，系统处于B-OTDA工作模式，对微波发生器进行扫频，利用数据采集处理系统得出被检测对象静态应变及温度的沿光纤分布；

b.当所述光开关a端子与c端子接通时，系统处于Φ-OTDR的工作模式，相干瑞利散射光携带的应变/应力传感信息经带通滤波器滤除放大的自发辐射噪音后由光电探测器检测，得出光纤沿线的即时扰动信息。

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