CN103727968A - 一种分布式光纤传感装置及同时测量温度、应变、振动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤传感装置，包括：稳频激光器，单边带调制器，光脉冲发生器，光放大单元，扰偏单元，光环形器或者光耦合器，传感光纤，分光单元，第一光探测器，第二光探测器，第三光探测器，高速数据采集单元和系统控制与数据处理单元，系统控制与数据处理单元分别与稳频激光器和光脉冲发生器电连接，系统控制与数据处理单元通过微波发生器与单边带调制器电连接，优点是采用高稳定激光光源与微波调频相结合，经过独特控制与数据处理过程可实现温度、应变、振动的同时测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感装置，尤其是涉及一种分布式光纤传感装置及同时测量温度、应变、振动的方法。
背景技术
石油、化工、冶金、电力等工业是国民经济发展的基础，且和社会经济生活息息相关。这些工业场所一旦发生火灾、泄漏、电力故障等事故，将带来巨大的财产损失，甚至威胁到人的生命安全。对这些基础工业设施的安全监控是社会、经济有序高效运行的重要保障。这就要求竟可能多的获取基础工业设施的运行信息，如温度、应变、振动等。
光纤传感技术就是应用于输油管道，输电线路，桥梁、建筑等基础设施的有效传感手段之一。现有的光纤传感设备发展趋势是对温度、应变、振动等参量进行综合监测。连续改变波长的瑞利散射谱分析技术（CN103162742A）虽然能对温度、应变进行测量，但没有提供解决交叉敏感问题的方案。导致实际应用时，测量温度，需要保持应变不变；测量应变，需要保持温度不变。即只能是单参量测量。结合瑞利散射技术与拉曼散射技术（CN102589620A）能够进行振动与温度传感，但无法对应变进行测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够同时测量温度、应变、振动的分布式光纤传感装置及测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种分布式光纤传感装置，包括：稳频激光器，单边带调制器，光脉冲发生器，光放大单元，扰偏单元，光环形器或者光耦合器，传感光纤，分光单元，第一光探测器，第二光探测器，第三光探测器，高速数据采集单元和系统控制与数据处理单元，所述的系统控制与数据处理单元分别与所述的稳频激光器和所述的光脉冲发生器电连接，所述的系统控制与数据处理单元通过微波发生器与所述的单边带调制器电连接，所述的稳频激光器岀射频率稳定的激光，所述的单边带调制器实现光频率平移，所述的光脉冲发生器和所述的光放大单元将频率移动后的激光转变成低噪声高峰值功率的光脉冲输出，所述的扰偏单元和所述的光环形器或者光耦合器将光脉冲输入所述的传感光纤，所述的分光单元将所述的传感光纤的散射光分为瑞利光，拉曼stokes光以及拉曼anti-stokes光信号输出，所述的第一光探测器探测瑞利光，所述的第二光探测器探测拉曼stokes光，所述的第三光探测器探测拉曼anti-stokes光，所述的高速数据采集单元用于同步采集上述的三个光信号，所述的系统控制与数据处理单元用于计算分析采集数据，实现温度、应变、振动的同时探测。
使用上述的分布式光纤传感装置同时测量温度、应变与振动的方法，包括如下步骤：
（1）系统控制与数据处理单元控制微波发生器扫描频率，对稳频激光器岀射的频率稳定激光进行光频率扫描，在各个光频率点下，第一光探测器与高速数据采集单元均对瑞利光通过多次探测采集与累加获取一条平均的瑞利散射信号，系统控制与数据处理单元将各个光频率点下的瑞利信号记录保存，从而获得传感光纤上各采样点的频谱响应数据，通过对先后两次探测的频谱数据做互相关处理，获得由温度、应变引起的频移数据；
（2）系统控制与数据处理单元在同一光频率点下，对光探测器与高速数据采集单元相邻两次采集的瑞利信号数据做减法处理，获得传感光纤的实时振动信息；
（3）系统控制与数据处理单元对第二光探测器探测的拉曼stokes光信号在各个光频率点下做累加平均，对第三光探测器探测的拉曼anti-stokes光信号也做同样处理，根据二者的平均值数据计算光纤温度分布，对各个频率点下的测量所得的温度数据再做累加平均，得到一次完整测量的最终温度；
（4）由瑞利散射谱频移量与拉曼散射得到的光纤温度分布解调出传感光纤的应变分布。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.采用高稳定激光光源与微波调频相结合，经过独特控制与数据处理过程可实现温度、应变、振动的同时测量。各个光频率下，瑞利光的两次测量值做减法，可以获取振动信息；对测量信号进行累加平均可构成瑞利散射谱；同时分离的拉曼散射光可测量温度分布。整个测量系统结构紧凑，器件效用极大化，有效降低成本。
2.瑞利散射谱对温度、应变均敏感，为了将二者分离，结合只对温度敏感的拉曼散射光，实现温度、应变分离。而且该实现方案相对于其他应变、温度分离技术（CN102221421A，CN102607621A）而言，有如下优点：采用同一传感光纤，统一的信号采集系统，避免了光纤物理定位上的差异。相同的岀射脉冲宽度，能够实现相同的空间分辨率，避免由于空间分辨率的差异造成应变解调畸变。
3.对于单模的传感光纤，在环形器或耦合器前设置扰偏单元，对入射光进行偏振扰动，有助于消除拉曼光偏振衰落噪声。如图所示，未进行偏振扰动，由拉曼散射测量的温度存在周期性震荡，而增加偏振扰动之后，震荡消失。
附图说明
图1为本发明一种同时测量温度、应变、振动的分布式光纤传感装置示意图；
其中1为稳频激光器，2为单边带调制器(SSB)，21为微波发生器，3为光脉冲调制器，4为光放大单元，5为扰偏单元，6为光环形器或光耦合器，7为传感光纤，8为分光单元，81为瑞利光，82为拉曼stokes光，83为拉曼anti-stokes光，9为高速数据采集单元，91为第一光探测器，92为第二光探测器，93为第三光探测器，10为系统控制与数据处理单元
图2为扰偏单元的作用说明；
图3为一种分布式光纤传感装置同时测量温度、应变与振动的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图所示，一种分布式光纤传感装置，包括：稳频激光器1，单边带调制器2，光脉冲发生器3，光放大单元4，扰偏单元5，光环形器或者光耦合器6，传感光纤7，分光单元8，第一光探测器91，第二光探测器92，第三光探测器93，高速数据采集单元9和系统控制与数据处理单元10，系统控制与数据处理单元10分别与稳频激光器1和光脉冲发生器3电连接，系统控制与数据处理单元10通过微波发生器21与单边带调制器2电连接，稳频激光器1岀射频率稳定的激光，单边带调制器2实现光频率平移，光脉冲发生器3和光放大单元4将频率移动后的激光转变成低噪声高峰值功率的光脉冲输出，扰偏单元5和光环形器或者光耦合器6将光脉冲输入传感光纤7，分光单元8将传感光纤7的散射光分为瑞利光81，拉曼stokes光82以及拉曼anti-stokes光信号83输出，第一光探测器91探测瑞利光81，第二光探测器92探测拉曼stokes光82，第三光探测器93探测拉曼anti-stokes光83，高速数据采集单元9用于同步采集上述的三个光信号，系统控制与数据处理单元10用于计算分析采集数据，实现温度、应变、振动的同时探测。
具体方法如下：
频率稳定性小于5MHz/min,线宽3MHz的稳频激光器1岀射1550nm连续光，经过单边带调制器2之后，激光频率（波长）发生偏移，激光频率扫描步进与范围由微波发生器21控制，如微波扫描步进100MHz，范围0～10GHz。在第n个频率步进期间，在系统控制与数据处理单元10控制下完成以下工作：
1.系统控制与数据处理单元10控制光脉冲调制器3将入射的连续光调制成周期的脉冲光，脉冲周期>2*传感光纤长度/光纤中的光速。一般周期数N=1000～10000。
2.脉冲光经过光放大单元4放大与扰偏单元5扰偏之后，由光环形器或光耦合器6接入传感光纤7。传感光纤7中的后向散射光，进入分光单元8分为瑞利光81，拉曼stokes光82以及拉曼anti-stokes光83。
3.每个脉冲周期内，高速数据采集单元9通过第一光探测器91，第二光探测器92，第三光探测器93三通道同步采集瑞利光81，拉曼stokes光82与拉曼anti-stokes光83。
3.1.对拉曼stokes光82与拉曼anti-stokes光83的N个周期的信号分别进行累加平均，利用二者平均值的比值则可获得温度数据Tn。
3.2.相邻两个周期的瑞利光信号进行减法操作，得到随距离分布的差值数据DR(z)，z为距离。若DR为零，表明该区域为受振动影响，若DR不为零，则说明该区域受振动影响，DR的绝对值越大，振动影响越明显。
3.3.另外，对N个脉冲周期的瑞利散射光81作累加平均，该平均值Rn即为该光频率点下的瑞利散射谱强度。
当微波发生器21扫描完所有频率点，则完成一次完整的测量。得到一组温度数据Tn,n=0,1,2,3...，与一组瑞利散射谱分布Rn,n=0,1,2,3...。对这组温度数据进行累加平均，则可以获得该测量得最终温度数据T。该组瑞利散射谱分布Rn与上一次完整测量所得瑞利散射谱分布Rn'作互相关运算，可以获得由温度和应变改变所引起的频率移动量。结合温度数据T，则可以求得应变的改变量。
Claims (2)
1.一种分布式光纤传感装置，其特征在于包括：稳频激光器（1），单边带调制器（2），光脉冲发生器（3），光放大单元（4），扰偏单元（5），光环形器或者光耦合器（6），传感光纤（7），分光单元（8），第一光探测器（91），第二光探测器（92），第三光探测器（93），高速数据采集单元（9）和系统控制与数据处理单元（10），所述的系统控制与数据处理单元（10）分别与所述的稳频激光器（1）和所述的光脉冲发生器（3）电连接，所述的系统控制与数据处理单元（10）通过微波发生器（21）与所述的单边带调制器（2）电连接，所述的稳频激光器（1）岀射频率稳定的激光，所述的单边带调制器（2）实现光频率平移，所述的光脉冲发生器（3）和所述的光放大单元（4）将频率移动后的激光转变成低噪声高峰值功率的光脉冲输出，所述的扰偏单元（5）和所述的光环形器或者光耦合器（6）将光脉冲输入所述的传感光纤（7），所述的分光单元（8）将所述的传感光纤（7）的散射光分为瑞利光（81），拉曼stokes光（82）以及拉曼anti-stokes光信号（83）输出，所述的第一光探测器（91）探测瑞利光（81），所述的第二光探测器（92）探测拉曼stokes光（82），所述的第三光探测器（93）探测拉曼anti-stokes光（83），所述的高速数据采集单元（9）用于同步采集上述的三个光信号，所述的系统控制与数据处理单元（10）用于计算分析采集数据，实现温度、应变、振动的同时探测。
2.一种使用权利要求1所述的分布式光纤传感装置同时测量温度、应变与振动的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）系统控制与数据处理单元（10）控制微波发生器（21）扫描频率，对稳频激光器（1）岀射的频率稳定激光进行光频率扫描，在各个光频率点下，第一光探测器（91）与高速数据采集单元（9）均对瑞利光（81）通过多次探测采集与累加获取一条平均的瑞利散射信号，系统控制与数据处理单元（10）将各个光频率点下的瑞利信号记录保存，从而获得传感光纤（7）上各采样点的频谱响应数据，通过对先后两次探测的频谱数据做互相关处理，获得由温度、应变引起的频移数据；
（2）系统控制与数据处理单元（10）在同一光频率点下，对光探测器（91）与高速数据采集单元（9）相邻两次采集的瑞利信号数据做减法处理，获得传感光纤（7）的实时振动信息；
（3）系统控制与数据处理单元（10）对第二光探测器（92）探测的拉曼stokes光信号（82）在各个光频率点下做累加平均，对第三光探测器（93）探测的拉曼anti-stokes光信号（83）也做同样处理，根据二者的平均值数据计算光纤温度分布，对各个频率点下的测量所得的温度数据再做累加平均，得到一次完整测量的最终温度；
（4）由瑞利散射谱频移量与拉曼散射得到的光纤温度分布解调出传感光纤（7）的应变分布。
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