CN103115695B - 双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，包括基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统，光OFDM信号发生模块，OFDM检测模块和信号处理模块；其中所述分布式光纤传感系统包括第一激光器和第二激光器、第一光耦合器、第一电光调制器和第二电光调制器、第一放大器和第二放大器、脉冲/随机序列发生器、环形器和作为传感光纤的单模光纤；所述光OFDM发生模块包括OFDM信号发生器、数模转换模块和驱动模块；本发明能够提高测量时间和精度，扩大测量的动态范围，提升分布式传感系统的可靠性和实时性，且适合长距离分布式光纤传感系统的参数测量。

Description

双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置

【技术领域】

本发明涉及光纤的测量技术领域，特别涉及一种双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置。

【背景技术】

在电力系统中，经常会需要对电缆、风电设备等长期暴露在大气中的设备的某些参数进行在线监测，例如，高温、火灾是影响电力系统安全运行的常见事故。所以温度在线监测的质量是影响电力系统安全运行中很重要的一个方面，如果能在安全事故发生早期通过温度测量进行预警并迅速采取措施，就能有效避免此类安全事故。传统的测温方法是将点式感温元件如热电偶装在电缆或电力系统重要部位进行测温，或使用光纤光栅和准分布式测量的方法进行测温。但是这些测温方法只能对电力系统局部位置进行测温，而无法对整个电力系统实现温度在线监测，且在经济性和实用性方面都有一定的缺陷。而分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量。分布式光纤测温系统利用光纤即可感知温度信息又可传输温度信息，具有耐高温、防电磁辐射、高带宽等特点，从而大幅提升了温度分辨率和空间分辨率，有效地解决了长期以来现场出现的高温、燃烧、爆炸等事故应急不备的问题。在电力系统中，在高压电力电缆、电气设备因接触不良易产生发热的部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合，这种光纤传感技术具有广泛应用前景。

在分布式光纤测温技术中，主要有基于拉曼散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感技术和基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术。

在基于BOTDA技术的分布式光纤且采用直接检测方法获取布里渊频移的技术中，如图1所示，从光纤的两端分别注入一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)在光纤的铺设路径上，由于温度、应力等参数不同，相同波长的泵浦光激发的布里渊散射频移也不同。当泵浦光与探测光的频率差与布里渊频移相等时，两束光之间发生能量转移，布里渊波长上的光就会被放大，即在该位置产生了布里渊放大效应。当对一个激光波长进行扫描时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。由于布里渊频移与温度、应力等参数呈线性关系，因此，对激光器的频率进行连续调节的时候，就可以得到需要测量的各种信息，实现分布式测量。实际运用中可以采用电光调制器对探测光或者泵浦光的频率在布里渊频移波段（约为10.8GHz～11.1GHz）进行扫描，以绘制布里渊增益/损耗谱。可是该技术存在以下问题：(1)光源稳频要求高；(2)由于需要分析点数非常多，为提高测试灵敏度，需要多次平均，因此测试时间非常长；(3)增益型传感方式会引起泵浦光能量急剧降低，难以实现长距离检测。

在基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感技术中，参考图2所示的基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感技术的微波外调制BOTDA光纤传感系统示意图，基于微波外调制的BOTDA系统只需要一个激光器作为光源，将激光器输出光分成两路，通过调节探测光调制信号的频率实现对被测光纤区域的扫描，以此确定布里渊频移的改变量并获得温度、应力等参数的传感信息。损耗型是指连续探测光频率高于脉冲光频率，探测光的能量向脉冲光转移，这种传感方式使脉冲光能量升高，不存在泵浦耗尽现象，从而能实现长距离的检测。

参考图2所示的基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感技术的微波外调制BOTDA光纤传感系统示意图，系统基本原理：在传感光纤两端分别入射短脉冲光与连续探测光，当两者的频率差与光纤中某区域的布里渊频移υ_B相等时，则在该区域就会产生受激布里渊散射(SBS)放大效应，两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与需要测量的参数存在线性关系，因此，在对激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的探测光，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。从而得到传感光纤上需测量参数的信息，实现分布式测量。

基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感技术主要有以下技术缺陷：(1)单端方案不能实现远距离传感；(2)为提高测量精度，需要测量多个频点，多次平均，因此测量时间较长；(3)该方案因为要对大量实验数据进行统计分析,对实验设备及环境要求很高。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提供一种双边带分布式光纤传感系统的测量装置，能够提高测量时间和精度，扩大测量的动态范围，提升分布式传感系统的可靠性和实时性，且适合长距离分布式光纤传感系统的参数测量。

本发明提供的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，包括基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统，光OFDM信号发生模块，OFDM检测模块和信号处理模块；其中所述分布式光纤传感系统包括第一激光器和第二激光器、第一光耦合器、第一电光调制器和第二电光调制器、第一放大器和第二放大器、脉冲/随机序列发生器、环形器和作为传感光纤的单模光纤；

所述光OFDM信号发生模块包括OFDM信号发生器、数模转换模块和驱动模块；

所述第一光耦合器将所述第一激光器的激光分成两束，一束进入所述第一电光调制器，所述第一电光调制器将该束激光和脉冲/随机序列发生器产生的电信号进行脉冲或者随机序列调制后作为泵浦光经过所述第一放大器放大，进入所述单模光纤；

所述OFDM信号发生器产生的OFDM信号通过数模转换模块转换成模拟信号，所述驱动模块驱动所述第二电光调制器将所述模拟信号和所述第二激光器产生的激光进行光OFDM调制，经过所述第二放大器放大后作为探测光进入所述单模光纤，并且经历布里渊增益，所述第一激光器的另一束激光作为载波与布里渊增益后的所述探测光一起耦合进入所述OFDM检测模块，处理后获得布里渊频移，所述处理模块将估计得出的布里渊频移转化为所测量的参数值。

作为一个实施例，所述第一放大器和所述第二放大器为掺饵放大器。

作为一个实施例，所述OFDM检测模块包括光电检测器、滤波模块、第二光耦合器、模数转换模块和信道估计模块；

所述环形器输出的探测光经过滤波模块滤除噪声后，与所述第一激光器的另一束作为本振光载波的激光一起通过第二耦合器耦合进入所述光电检测器后，所述光电检测器进行光电转换得到接收OFDM电信号，然后经过所述模数转换模块转换为OFDM数字信号，通过信道估计模块获得布里渊频移。

作为一个实施例，所述滤波模块为光滤波器。

作为一个实施例，所述OFDM检测模块包括光滤波器、相干接收机、模数转换模块和信道估计模块；

所述相干接收机的本振信号来自第一激光器，然后信道估计模块通过OFDM训练序列获得所述第二激光器与所述第一激光器的频偏，进行信道估计布里渊增益谱得到布里渊频移；所述光滤波器用于滤除噪声。

使用本发明相比较于现有技术，解决了现有技术的测量精度低的问题，也可以解决现有技术测量范围受限制的问题，进一步解决了现有技术测量结果的单一性问题。由于本发明使用双边带分布式光纤传感系统取代现有技术中单端方案，因此应用于长距离分布式温度光纤传感。

此外，在本发明采用光OFDM信号取代单束激光作为BOTDA系统中的探测光，其可以大大的增加扫描速度，一次性完成多个频点的扫描，从而解决了现有技术单点单频扫描速度慢和单频扫描精度不高的缺点；可以大大提高测量动态范围。本发明可简化传统方式中的平均过程，降低系统计算复杂度，减少检测时间；解决了现有技术不能进行实时监控的缺点。

【附图说明】

图1是基于BOTDA技术的分布式光纤传感且采用直接检测方法获取布里渊频移的技术的原理图；

图2是基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感技术的微波外调制BOTDA光纤传感系统示意图；

图3是依据本发明双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置的逻辑框图；

图4是依据本发明的相干检测的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置的示意框图；

图5是含有5个子载波的光OFDM信号的示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图来详细说明本发明的分布式光纤传感系统的测量装置，下面仅仅作为示例来说明，本领域技术人员清楚地知晓，只要符合本发明思想的方法及系统均落入本发明之中；另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至采用光OFDM信道估计方式测量布里渊频移技术的具体结构或部件的具体参数。

本发明可以在一个时间单位上完成多个频点的扫描，使得测量速度及测量精度大大增加。相对于基于布里渊散射的分布式光纤传感系统BOTDA中现大多依靠扫频方式获得温度导致布里渊频移的频移测量值以及通过拟合得到测量结果，克服了由于激光器单频扫描速度慢、精度不高、很难实现快速高精度等问题。

在本发明的采用光OFDM信道估计方式测量布里渊频移技术中，由于需要测量的参数（例如温度、应力等）会导致不同的布里渊频移，测量出不同的频移量即可分析出沿光纤轴向分布的参数值，为此，利用光正交频分复用O-OFDM通信系统中的信道估计技术可以精确估计出布里渊频移量。OFDM信号是一种含有多个子载波的宽带信号。

如图3所示，图3所示的直接检测双边带分布式光纤传感系统，由于本发明使用双边带分布式光纤传感系统取代现有技术中单端方案，因此应用于长距离分布式温度光纤传感，该直接检测双边带分布式光纤传感系统包括基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统，光OFDM信号发生模块，OFDM检测模块和信号处理模块。其中基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统包括第一激光器和第二激光器、第一光耦合器、第一电光调制器和第二电光调制器、第一放大器和第二放大器（作为一个实施例，可以是EDFA掺铒光纤放大器）、一个脉冲/随机序列发生器、一个环形器和作为传感光纤的单模光纤；光OFDM发生模块包括OFDM信号发生器、数模转换模块和一个驱动模块，驱动第二电光调制器调制光OFDM；OFDM检测模块包括一个光电检测器、一个模数转换、第二耦合器、一个滤波模块（在一个实施例中可以使用光滤波器）和一个信道估计模块。在整个发明装置中，第一激光器101和第二激光器102分别在光纤两端，光纤长度为几公里到几十公里不等，第一激光器101为泵浦光光源，首先利用第一耦合器1061将第一激光器101分成两束，一束进入第一电光调制器1031，第一电光调制器1031将该束激光和脉冲/随机序列发生器104产生的电信号进行脉冲或者随机序列调制，该脉冲或随机序列由主控设备113控制脉冲/随机序列发生器104产生，调制之后的脉冲光作为泵浦光经过第一EDFA1081放大之后从环形器105端口1到端口2进入单模光纤107。另一边，第二激光器102与第一激光器101有大约11GHz的频差，第二激光器102为探测光的光源激光器，数模转换模块114将OFDM信号发生器生成的OFDM信号转换成模拟信号，驱动模块116驱动第二电光调制器1032将OFDM模拟信号和第二激光器102产生的激光进行光OFDM调制，即探测光的调制信号为OFDM电信号，该信号一般调制在抑制载波点，经过第二EDFA1082放大之后从光纤另一端进入单模光纤107，并且经历布里渊增益，携带信息的探测光从环形器105端口2到端口3进入光滤波器117，然后与作为载波的第一激光器101的另一束激光一起通过第二耦合器1062耦合进入光电探测器109进行光电转换，得到接收OFDM电信号，通过训练序列来精确得到第二激光器102与第一激光器101的频偏，然后通过信道估计技术得到布里渊增益谱，找到峰值之后得到布里渊频移，并由时隙的划分得出沿光纤轴向分布的各个点的参数值。主控设备112中的处理模块将估计得出的布里渊频移进行对时间和距离上的微分运算，通过对待测参数（例如温度参数和应力参数等）进行微分得到的结果进行区分温度和应力等参数。

如图4所示的相干检测双边带分布式光纤传感系统，其在如图3所示的直接检测双边带分布式光纤传感系统的基础上给出一种检测模块采用相干检测方法的双边带分布式光纤传感系统的测量装置，包括基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统，光OFDM信号发生模块，OFDM检测模块和信号处理模块。其中基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统包括第一激光器和第二激光器、一个耦合器、第一电光调制器和第二电光调制器、第一EDFA和第二EDFA、一个产生脉冲/随机序列的发生器、一个环形器和作为传感光纤的单模光纤；光OFDM发生模块包括OFDM信号发生器、数模转换模块和一个驱动电光调制器调制光OFDM的驱动模块；OFDM检测模块包括一个光滤波器、一个相干接收机、一个模数转换模块和一个信道估计模块。在整个发明装置中，第一激光器401和第二激光器402分别设置在光纤两端，光纤长度为几公里到几十公里，第一激光器401为泵浦光光源，首先利用耦合器406将第一激光器401发出的激光分成两束激光，一束激光进入第一电光调制器4031进行脉冲或者随机序列调制为脉冲光，脉冲/随机序列发生器产生的脉冲或随机序列信号的调制由一个主控设备412控制，调制之后的脉冲光作为泵浦光经过第一EDFA（掺铒光纤放大器）4081放大之后再通过环形器405端口1到端口2后进入单模光纤407；另一边，第二激光器402与第一激光器401有大约11GHz的频差，第二激光器402为探测光的光源激光器，进行光OFDM调制，即探测光的调制信号为OFDM信号，将该OFDM信号调制在抑制载波点，经过第二EDFA4082放大之后从光纤另一端进入单模光纤407，并且经历布里渊增益，探测光携带着传感光纤中产生的布里渊散射信号经过环形器405端口2到端口3后进入光滤波器417，这里光滤波器417起到滤除噪声的作用。相干接收机420的本振信号来自第一激光器401，通过OFDM训练序列来精确得到第二激光器402与第一激光器401的频偏，然后信道估计模块进行信道估计布里渊增益谱得到布里渊频移，并且由处理模块进行对时间和距离上的微分运算，通过待测参数（温度参数和应力参数等）进行微分得到的结果进行区分待测参数值。

如图5所示。图5给出了一个含有5个子载波的光OFDM信号，其中，中心光载波的频率为f0。假设子载波的带宽固定，即频点间隔固定，通过增加子载波的个数，使得光OFDM信号的带宽增加，则一次扫频扫过的带宽越大，测量速度越高。通过调节子载波的带宽，可调节频点间隔。

本发明的基于LabView、Matlab/C/C++等软件产生数字OFDM信号，通过示波器实现模数转换模块的功能，通过示波器得到的数字信号送入LabView、Matlab/C/C++等计算机软件进行检测，从而分析出布里渊频移得到需要测量的参数值值。利用LabView开发周期短，观测效果好。利用Matlab/C/C++等软件产生OFDM信号以及对传输后的信号进行处理，可根据需要选择合适的算法，提高测量精度。其可以利用较复杂的算法来提高系统性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，其特征在于，包括基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统，光OFDM信号发生模块，OFDM检测模块和信号处理模块；其中所述分布式光纤传感系统包括第一激光器和第二激光器、第一光耦合器、第一电光调制器和第二电光调制器、第一放大器和第二放大器、脉冲/随机序列发生器、环形器和作为传感光纤的单模光纤；

所述光OFDM信号发生模块包括OFDM信号发生器、数模转换模块和驱动模块；

所述第一光耦合器将所述第一激光器的激光分成两束，一束进入所述第一电光调制器，所述第一电光调制器将该束激光和脉冲/随机序列发生器产生的电信号进行脉冲或者随机序列调制后作为泵浦光经过所述第一放大器放大，进入所述单模光纤；

所述OFDM信号发生器产生的OFDM信号通过数模转换模块转换成模拟信号，所述驱动模块驱动所述第二电光调制器将所述模拟信号和所述第二激光器产生的激光进行光OFDM调制，经过所述第二放大器放大后作为探测光进入所述单模光纤，并且经历布里渊增益，所述第一激光器的另一束激光作为载波与布里渊增益后的所述探测光一起耦合进入所述OFDM检测模块，处理后获得布里渊频移，所述处理模块将估计得出的布里渊频移转化为所测量的参数值。

2.根据权利要求1所述的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，其特征在于，

所述第一放大器和所述第二放大器为掺饵放大器。

3.根据权利要求1所述的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，其特征在于，

所述OFDM检测模块包括光电检测器、滤波模块、第二光耦合器、模数转换模块和信道估计模块；

所述环形器输出的探测光经过滤波模块滤除噪声后，与所述第一激光器的另一束作为本振光载波的激光一起通过第二耦合器耦合进入所述光电检测器后，所述光电检测器进行光电转换得到接收OFDM电信号，然后经过所述模数转换模块转换为OFDM数字信号，通过信道估计模块获得布里渊频移。

4.根据权利要求3所述的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，其特征在于，所述滤波模块为光滤波器。

5.根据权利要求4所述的双边带分布式光纤传感系统的参数测量装置，其特征在于，

所述OFDM检测模块包括光滤波器、相干接收机、模数转换模块和信道估计模块；

所述相干接收机的本振信号来自第一激光器，然后信道估计模块通过OFDM训练序列获得所述第二激光器与所述第一激光器的频偏，进行信道估计布里渊增益谱得到布里渊频移；所述光滤波器用于滤除噪声。