CN105021307A - 一种实现全光纤分布式多参量传感的方法 - Google Patents

一种实现全光纤分布式多参量传感的方法 Download PDF

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陈达如
张徐亮
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Abstract

本发明公开了一种实现全光纤分布式多参量传感的方法。本发明主要适用于长距离的分布式温度和振动传感，利用了拉曼反斯托克斯光对温度的灵敏性、瑞利散射光偏振态对振动的灵敏性，通过两个APD探头和两个PD探头分别测量了拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光、瑞利散射光的光功率强弱以及两个信号到达探头时间差来确定温度、振动信号强弱及对应传感位置，从而实现了分布式温度、振动的多参量传感。本发明不需要采用价格高昂的窄线宽激光器，具有结构简单、成本低廉等优点。

Description

一种实现全光纤分布式多参量传感的方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于光纤拉曼效应和偏振敏感实现温度和振动同时分布式测量的传感方法。
背景技术
全光纤传感技术是传感领域的新一代技术，已经成为物联网技术发展不可或缺的一部分。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，也可以作为光波感知外界环境的介质。当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、振动、应变、磁场、电场、位移等直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。全光纤分布式传感器能够实现沿着数十公里甚至上百公里温度、振动、应力等参量的分布式传感，具有其他传感器无法比拟的传感范围、空间分辨率、传感精度、高稳定性等特性，目前已经被广泛应用于石化、建筑、航天、航空、高铁、桥梁、国防工业等领域。
目前成熟的或在研发中的全光纤分布式传感器主要包括：1、分布式光纤拉曼温度传感器：主要用于实现二三十公里范围内的分布式温度传感，其温度分辨率可达0.1度，空间分辨率可达传感范围的万分之一。然而，该传感器不能同时实现振动传感。2、分布式布里渊传感器：主要用于实现几十公里范围内的温度或应力传感。由于传感器对温度和应力都有反应，所传感的温度和应力信号存在交叉，即当同时存在应力和温度信号的时候，系统不能识别响应信号是源至应力或者温度。3、分布式光纤振动传感器：用于实现分布式振动传感，一般对外界温度不敏感。因此，发明一种能够实现温度和振动等参数同时测量的多参量传感方法具有重要意义。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于光纤拉曼效应和偏振敏感实现温度和振动同时分布式测量的传感方法。
实现本发明的装置包括一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、一个光环形器、一段长度为L的单模光纤、一个四端口波分复用器、两个APD探头、两个PD探头、一个光耦合器、一个偏振分束器、一台具有数据采集处理功能的计算机。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤(1)选择一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、一个光环形器、一段长度为L的单模光纤、一个四端口波分复用器、两个APD探头、两个PD探头、一个光耦合器、一个偏振分束器、一台具有数据采集处理功能的计算机。
步骤(2)将输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源的输出端口和光环形器的第一端口光纤连接；将光环形器的第二端口和长度为L的单模光纤的一个端口光纤连接；将光环形器的第三端口和四端口波分复用器的第一端口光纤连接；将四端口波分复用器的第二端口和第一个APD探头光纤连接；将四端口波分复用器的第三端口和第二个APD探头光纤连接；将四端口波分复用器的第四端口和光耦合器的第一端口光纤连接；将光耦合器的第二端口和第一个PD探头光纤连接；将光耦合器的第三端口和偏振分束器的输入端口光纤连接；将偏振分束器的输出端口和第二PD探头光纤连接；将输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、两个APD探头、两个PD探头与具有数据采集处理功能的计算机电缆连接；
步骤(3)开启具有数据采集处理功能的计算机和输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源，通过计算机控制脉冲光源，实现周期性光脉冲输出；光脉冲进入光环形器的第一端口，从光环形器的第二端口输出，然后进入长度为L的单模光纤；当光脉冲在单模光纤中向前传输时，产生三个后向散射的信号光，分别是瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，其中瑞利散射光的偏振态和光纤受到的振动信号相关，拉曼反斯托克斯光和光纤的温度紧密相关；三个后向散射的信号光进入光环形器的第二端口，从光环形器的第三端口输出，然后进入四端口波分复用器；拉曼斯托克斯光从四端口波分复用器的第二端口输出，进入第一个APD探头；拉曼反斯托克斯光从四端口波分复用器的第三端口输出，进入第二个APD探头；瑞利散射光从四端口波分复用器的第四端口输出，进入光耦合器的第一端口；a％的瑞利散射光从光耦合器的第二端口输出进入第一个PD探头；1-a％的瑞利散射光从光耦合器的第三端口输出进入偏振分束器的输入端口，从偏振分束器的输出端口出来的瑞利散射光注入第二PD探头；进入第二PD探头的瑞利散射光的功率依赖于瑞利散射光偏振态。
以脉冲光源发出光脉冲为计时零点，光纤在位于单模光纤长度方向距离原点位置X处的瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光返回到PD探头、APD探头的时间为t，则
t＝Xneff/c                      (1)
其中，neff为单模光纤的有效折射率，c为真空光速。可以推算
X＝ct/neff                      (2)
t时刻第一个APD探头、第二个APD探头接收到的拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光功率分别为
Ps＝fs(t,T)                     (3)
和
Pas＝fas(t,T)                   (4)
其中T为单模光纤X处温度。
t时刻第一个PD探头、第二个PD探头接收到的瑞利散射光功率分别为
Pr1＝fr1(t,v)                   (5)
和
Pr2＝fr2(t,v)                   (6)
其中v为单模光纤X处振动强度。
所述的公式(3)至(6)都为已知的公开知识。为了消除脉冲光源功率抖动的影响，由公式(3)至(6)获得
Ps/Pas＝fs(t,T)/fas(t,T)                  (7)
Pr1/Pr2＝fr1(t,v)/fr2(t,v)                (8)
在计算机采集两个APD探头和两个PD探头的功率信号及对应的时间，可以根据公式(2)获得传感点距离X，根据公式(7)和(8)获得温度和振动信息。
本发明主要适用于长距离的分布式温度和振动传感，利用了拉曼反斯托克斯光对温度的灵敏性、瑞利散射光偏振态对振动的灵敏性，通过两个APD探头和两个PD探头分别测量了拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光、瑞利散射光的光功率强弱以及两个信号到达探头时间差来确定温度、振动信号强弱及对应传感位置，从而实现了分布式温度、振动的多参量传感。本发明不需要采用价格高昂的窄线宽激光器，具有结构简单、成本低廉等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中分布式温度传感信号；
图3为本发明实施例中分布式振动传感信号。
具体实施方式
如图1所示，实现准分布式振动传感的装置包括一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1、一个光环形器2、一段长度为L(16km)的普通单模光纤3、一个4端口波分复用器4、第一个APD探头5、第二个APD探头6、一个光耦合器7、第一个PD探头8、一个偏振分束器9、第二个PD探头10、一台具有数据采集处理功能的计算机11。
具体实现准分布式振动传感的方法包括以下步骤：
(1)选择一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1、一个光环形器2、一段长度为L(16km)的普通单模光纤3、一个4端口波分复用器4、第一个APD探头5、第二个APD探头6、一个光耦合器7、第一个PD探头8、一个偏振分束器9、第二个PD探头10、一台具有数据采集处理功能的计算机11。
(2)将输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1的输出端口和光环形器2的1端口光纤连接；将光环形器2的2端口和长度为20km的普通单模光纤3的一个端口光纤连接；将光环形器2的3端口和4端口波分复用器4的1端口光纤连接；将4端口波分复用器4的2端口和第一个APD探头5光纤连接；将4端口波分复用器4的3端口和第二个APD探头6光纤连接；将4端口波分复用器4的3端口和光耦合器7的1端口光纤连接；将光耦合器7的2端口和第一个PD探头8光纤连接；将光耦合器7的3端口和偏振分束器9的输入端口光纤连接；将偏振分束器9的输出端口和第二PD探头10光纤连接；将输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1、第一个APD探头5、第二个APD探头6、第一个PD探头8、第二个PD探头10、与具有数据采集处理功能的计算机11电缆连接；
(3)开启具有数据采集处理功能的计算机11和输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1，通过计算机11控制脉冲光源1，实现周期性光脉冲输出；光脉冲进入光环形器2的1端口，从光环形器2的2端口输出，然后进入长度为20km的普通单模光纤3；当光脉冲在普通单模光纤3中向前传输时，根据会产生三个后向散射的信号光，分别是瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光；三个后向散射的信号光进入光环形器2的2端口，从光环形器2的3端口输出，然后进入4端口波分复用器4；拉曼斯托克斯光从4端口波分复用器4的2端口输出，进入第一个APD探头5；拉曼反斯托克斯光从4端口波分复用器4的3端口输出，进入第二个APD探头6；瑞利散射光从4端口波分复用器4的4端口输出，进入光耦合器7的1端口；30％的瑞利散射光从光耦合器7的2端口输出进入第一个PD探头8；70％的瑞利散射光从光耦合器7的3端口输出进入偏振分束器9的输入端口，从偏振分束器9的输出端口出来的瑞利散射光注入第二PD探头10。
以输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1输出光脉冲为计时零点，t时刻通过计算机采集第一个APD探头、第二个APD探头、第一个PD探头、第二个PD探头的功率分别为Ps、Pas、Pr1、Pr2，由公式(2)、(7)和(8)获得X处的温度和振动信号。
图2给出了分布式温度传感信号，在光纤长度8km处有个较高温度的信号；图3给出了分布式振动传感信号，在光纤长度14km处有个突变的振动信号。
本发明结合利用了近年来发展起来的分布式光纤传感技术中用到的光纤拉曼效应和脉冲光的偏振振动敏感性，采用普通的线偏振脉冲光源，通过探测在长距离的普通单模光纤产生的瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，实现了分布式温度和振动传感。本发明不需要采用价格高昂的窄线宽激光器，具有结构简单、成本低廉等优点。

Claims (1)

1.一种实现全光纤分布式多参量传感的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)选择一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、一个光环形器、一段长度为L的单模光纤、一个四端口波分复用器、两个APD探头、两个PD探头、一个光耦合器、一个偏振分束器、一台具有数据采集处理功能的计算机；
步骤(2)将输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源的输出端口和光环形器的第一端口光纤连接；将光环形器的第二端口和长度为L的单模光纤的一个端口光纤连接；将光环形器的第三端口和四端口波分复用器的第一端口光纤连接；将四端口波分复用器的第二端口和第一个APD探头光纤连接；将四端口波分复用器的第三端口和第二个APD探头光纤连接；将四端口波分复用器的第四端口和光耦合器的第一端口光纤连接；将光耦合器的第二端口和第一个PD探头光纤连接；将光耦合器的第三端口和偏振分束器的输入端口光纤连接；将偏振分束器的输出端口和第二PD探头光纤连接；将输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、两个APD探头、两个PD探头与具有数据采集处理功能的计算机电缆连接；
步骤(3)开启具有数据采集处理功能的计算机和输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源，通过计算机控制脉冲光源，实现周期性光脉冲输出；光脉冲进入光环形器的第一端口，从光环形器的第二端口输出，然后进入长度为L的单模光纤；当光脉冲在单模光纤中向前传输时，产生三个后向散射的信号光，分别是瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，其中瑞利散射光的偏振态和光纤受到的振动信号相关，拉曼反斯托克斯光和光纤的温度紧密相关；三个后向散射的信号光进入光环形器的第二端口，从光环形器的第三端口输出，然后进入四端口波分复用器；拉曼斯托克斯光从四端口波分复用器的第二端口输出，进入第一个APD探头；拉曼反斯托克斯光从四端口波分复用器的第三端口输出，进入第二个APD探头；瑞利散射光从四端口波分复用器的第四端口输出，进入光耦合器的第一端口；a％的瑞利散射光从光耦合器的第二端口输出进入第一个PD探头；1-a％的瑞利散射光从光耦合器的第三端口输出进入偏振分束器的输入端口，从偏振分束器的输出端口出来的瑞利散射光注入第二PD探头；进入第二PD探头的瑞利散射光的功率依赖于瑞利散射光偏振态；
以脉冲光源发出光脉冲为计时零点，光纤在位于单模光纤长度方向距离原点位置X处的瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光返回到PD探头、APD探头的时间为t，则
t＝Xneff/c         (1)
其中，neff为单模光纤的有效折射率，c为真空光速；可以推算
X＝ct/neff          (2)
t时刻第一个APD探头、第二个APD探头接收到的拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光功率分别为
Ps＝fs(t,T)          (3)
和
Pas＝fas(t,T)(4)
其中T为单模光纤X处温度；
t时刻第一个PD探头、第二个PD探头接收到的瑞利散射光功率分别为
Pr1＝fr1(t,v)         (5)
和
Pr2＝fr2(t,v)         (6)
其中v为单模光纤X处振动强度；
为了消除脉冲光源功率抖动的影响，由公式(3)至(6)获得
Ps/Pas＝fs(t,T)/fas(t,T)          (7)
Pr1/Pr2＝fr1(t,v)/fr2(t,v)         (8)
在计算机采集两个APD探头和两个PD探头的功率信号及对应的时间，根据公式(2)获得传感点距离X，根据公式(7)和(8)获得温度和振动信息。
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