CN106768278A - 一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统 - Google Patents

一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统，是基于双Mach‑Zehnder干涉和Raman背向散射，该系统包括光源、光环形器、波分复用器WDM、光电探测器、光纤耦合器、传感光缆、数据采集卡、光隔离器和计算机；其中，光源使用了两个不同波长的激光器、采用波分复用技术，利用Mach‑Zehnder干涉仪中的一个传感臂上实现温度传感，同时与用于震动传感的光信号互不影响，最终在最少两条传感光纤中实现振动和温度两个物理量的传感和定位，并且该方法能有效的减少对光纤链路中传感光纤的占用。相比分别利用两种技术去探测振动信号和温度信号，本方法有效节约了光纤资源，并且可以实现不间断的实时传感。

Description

一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统
技术领域
本发明属于传感及检测技术领域，特别涉及一种基于干涉和拉曼散射的分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统。
背景技术
随着社会的不断发展，油库、发电厂、输油管道等重要场所和设施的安全检测显得尤为重要。其中，分布式光纤传感具有不带电、耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰等诸多特性，日益成为安全检测领域的重要手段和方法。其中，人们对于振动感知和温度变化这两项物理量的监测显得尤为重要，比如振动检测可以用来实现入侵检测，温度感知可以用来进行火灾或者设备故障预防。而要同时实现这两者的监测的方法很少，并且还不成熟，如OFDR，还无法实现工程化的实际应用。
目前光纤网络铺设较为完善，当利用固有网络来集成光纤传感系统，更少的占用光纤资源就变得尤为重要。因此实现更多物理量感知相融合的分布式光纤传感系统，可以更高效的用于工程化，从而更广泛的应用于全社会。
发明内容
本发明目的是解决现有分布式光纤传感系统传感知物理量单一，为更好的实现工程化应用，更少的占用光纤链路资源，提供了一种基于双Mach-Zehnder干涉和Raman背向散射的分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统。利用双波长光源和波分复用技术，使干涉光和散射光互不干扰，从而有效的实现振动和温度的双物理量同时感知。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统是基于双Mach-Zehnder干涉和Raman背向散射，该系统包括：光源、光环形器、波分复用器WDM、光电探测器、光纤耦合器、传感光缆、数据采集卡、光隔离器和计算机；其中：光源是包括一个光源为中心波长在1310nm附近的窄带连续光激光器，用于实现光纤振动传感，另一个光源为中心波长在1550nm附近的脉冲激光器；光环形器用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，并且隔绝对向光进入到激光器；波分复用器WDM用于过滤出背向拉曼散射光，包括1450附近的斯托克斯散射光和1660附近的反斯托克斯散射光并传送给两个雪崩光电探测器，同时保证1310nm和1550nm的光波不受影响的通过；光电探测器包括两个铟砷化镓的光电探测器和两个雪崩光电探测器，两个铟砷化镓的光电探测器用来接收1310nm波长的正反两个方向的干涉光，两个雪崩光电探测器，用来接受1550nm波长的脉冲光在传感光纤中产生的在1450nm附近和1660nm附近的拉曼背向散射光；光纤耦合器包括窗口中心波长在1300nm的50:50的光纤耦合器，用于1:2分光，以及窗口中心波长在1300/1550nm双窗口的1:99的光纤耦合器，用于合并两个波长的连续光和脉冲光，并且保证对向的连续光能够在低损耗的情况话返回入射端与另一路连续光干涉；传感光缆采用G.652D通信光缆，用于干涉外界扰动和温度场信息及传导光信号；数据采集卡包括两路10MSPS和两路100MSPS并且带硬件累加功能的采集卡，实现对四个光电探测器的电压信号进行采集，并送入计算机处理；光隔离器用于保证光的单项通行性，保证激光器不受损伤；计算机用于实现对数据采集卡送入的采集信号的处理，以实现振动信号和温度信号的解调和显示。
进一步讲，本发明中，光源和波分复用器WDM构成了互不干扰的双波长探测装置，为任意波长光源和光滤波器的组合。
与传统的双Mach-Zehnder分布式光纤振动传感系统和基于拉曼的分布式温度传感系统不同，本发明系统使用连个不同波长的激光器，采用波分复用技术，能够使得在Mach-Zehnder干涉仪中的一个传感光纤臂中实现温度传感，最终在最少两条传感光纤中实现振动和温度两个物理量的传感和定位，并且该方法能有效的减少对光纤链路中传感光纤的占用。
附图说明
图1是分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统定位原理图；
图2是分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
图1示出了分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统是基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪融合拉曼背向散射原理，采用波分复用技术，利用光缆中两条单模光纤构成Mach-Zehnder干涉仪的两个测试光纤，其中任意一条可以用来同时采集拉曼背向散射光信号，实现光缆周围的振动信号和温度信号的采集。
两条传感光纤同时传播方向相反的两组连续光的光波，其中一条还同时负责另一波长的脉冲光的传播，光缆周围的振动能够对光纤中传播的连续光波相位进行调制，而光缆周围的温度会对脉冲光的拉曼背向散射光波的强度进行调制，背向散射光通过波分复用器被单独过滤出来，然后输出到雪崩光电探测器上，而不同波长的连续光不受影响，与另一光纤中的光在光纤耦合器中发生干涉，刚射光经过环形器输出到光电探测器。对于振动信号，由于振动发生的位置到两端探测器的距离不同，而广播在光纤中的传播速度一定，因此可以根据两个探测器检测到同一事件的时间差计算出振动发生的位置，而对于温度信息，由于脉冲光在光纤中的传播速度一定，所以脉冲光在光纤中不同位置的散射光到达雪崩光电探测器的时间不同，根据散射光到达雪崩光电探测器的时间不同，计算出不同位置的光纤上温度的分布。设振动事件到达两个光电探测器的时间分别是t1和t2,Δt＝t1-t2,而脉冲信号L为传感光缆的长度,x为扰动点距离光纤耦合器5的位置,其定位公式为
设另一波长的脉冲光入射到光纤中传播时，到经过背向散射返回到光纤输入端所用的时间为t3，那么不同位置的定位公式为
L＝vt3/2
不同位置的温度T有两路拉曼背向散射光光强来决定，其解调公式为
式中,v为光波在单模光纤中的传播速度,单位m/s,其中v＝c/n,c是光在真空中的速度,n是光纤的折射率，Ia(T0)和Ib(T0)是已知某温度T0下的反斯托克散射光光强，Ia(T)和Ib(T)是待测温度T下的反斯托克散射光光强，h是普朗克常数，Δv是拉曼声子频率，k是玻尔兹曼常数。
如图1所示，激光器1和激光器2分别是两种波长的不同激光器，其中，激光器1所发出的光是脉冲光，激光器2是窄带连续光激光器，图1中，C2、C3是环形器，C1、C4和C5是50:50光纤耦合器，C6是双波长窗口1:99的光纤耦合器，PD1、PD2是铟砷化镓的光电探测器，PD3、PD4是雪崩光电探测器，WDM是波分复用器，I是光隔离器。激光器2所发出的光经过光纤耦合器分光后分别沿着顺时针和逆时针两个方向传播，并在对端的光纤耦合器发生干涉。由激光器2所发出的光的传播路径分别是C1-C2-C4-C5-C3-PD2和C1-C3-C5-C4-C2-PD1。而激光器1所发出的脉冲光，经过光隔离器后进入到光纤耦合器C6，与另一路不同波长的连续光耦合，通过波分复用器WDM进入到传感光纤中的一个传感臂，脉冲光的背向散射光再次进入到波分复用器WDM，将两路拉曼散射光过滤出来，送入雪崩光电探测器PD3和PD4。
实施例：将本发明用于分布式光纤扰动定位系统中的偏振控制，如图2所示，该系统包括以下器件：
光源：采用两个光源，一个光源是激光器1为中心波长在1550nm附近的脉冲激光器，另一个光源是激光器2为中心波长在1310nm附近的窄带宽分布式反馈激光器(DFB)，用于实现光纤振动传感。
光隔离器3：用于保证光的单项通行性，隔绝1310nm的光射入到激光器1内，以保证激光器不受损伤；
光环形器4和5：用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，并且隔绝对向光进入到激光器；
光纤耦合器4、7、8和9：包括三个窗口中心波长在1300nm的50:50的光纤耦合器4、7和8和采用1310nm和1550nm双窗口的1:99的光纤耦合器9，其中，50:50的光纤耦合器用于1:2分光，50:50的光纤耦合器4用来将1310nm波长的光分成两束，50:50的光纤耦合器7和8用来将光分别沿相反了两个方向送入传感光纤13a、13b中，并且接受对向的光进行干涉。双窗口的1:99的光纤耦合器用来将1550nm的脉冲光和1310nm的连续光合并，并送入传感光纤中，并且保证对向的连续光能够在低损耗的情况话返回入射端与另一路连续光干涉，即将对向的1310nm波长99％的光返回到光纤耦合器9上。
波分复用器WDM 10：采用1*3双向耦合器和多层介质薄膜干涉滤波片，用于过滤出背向拉曼散射光，包括1450附近的斯托克斯散射光和1660附近的反斯托克斯散射光，然后传送给两个雪崩光电探测器12a和12b，并且保证1310nm波长的光双向通过，并且保持较小的损耗；同时保证1310nm和1550nm的光波不受影响的通过；
光电探测器：包括两个铟砷化镓的光电探测器11a和11b和两个雪崩光电探测器12a和12b，两个铟砷化镓的光电探测器11a和11b用来接收1310nm波长在光纤耦合器7、8处产生的正反两个方向的干涉光信号，转换成电信号；两个雪崩光电探测器采用雪崩光电二极管，并配有恒温控制装置，用来接收波分复用器WDM10所过滤出1550nm波长的脉冲光在传感光纤中产生的在1450nm附近的斯托克斯散射光和1660nm附近的反斯托克斯散射光，并转换成电信号；
传感光缆13a和13b：采用G.652D通信光缆，用来感知外界振动信号和温度，用于干涉外界扰动和温度场信息及传导光信号；
数据采集卡14：包括两路10MSPS(12bit)和两路100MSPS(12bit)并且带硬件累加功能的数据采集卡，分别用来采集干涉信号和拉曼散射信号并作数据累加平均，实现对上述四个光电探测器(即两个铟砷化镓的光电探测器11a和11b和两个雪崩光电探测器12a和12b)的电压信号进行采集，然后传输给计算机进行处理；
计算机15：实现对数据采集卡14送入的采集信号的处理，然后解调出振动信息和温度场信息以及他们的定位信息，并作显示和记录。
本发明中，由光源和相应的WDM所构成的互不干扰的双波长探测装置可以是任意波长光源和光滤波器的组合。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统，其特征在于，基于双Mach-Zehnder干涉和Raman背向散射，并包括：
光源：采用两个光源，一个光源为中心波长在1310nm附近的窄带连续光激光器，用于实现光纤振动传感，另一个光源为中心波长在1550nm附近的脉冲激光器；
光环形器：用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，并且隔绝对向光进入到激光器；
波分复用器WDM：用于过滤出背向拉曼散射光，包括1450附近的斯托克斯散射光和1660附近的反斯托克斯散射光并传送给两个雪崩光电探测器，同时保证1310nm和1550nm的光波不受影响的通过；
光电探测器：包括两个铟砷化镓的光电探测器和两个雪崩光电探测器，两个铟砷化镓的光电探测器用来接收1310nm波长的正反两个方向的干涉光，两个雪崩光电探测器用来接受1550nm波长的脉冲光在传感光纤中产生的在1450nm附近和1660nm附近的拉曼背向散射光；
光纤耦合器：包括窗口中心波长在1300nm的50:50的光纤耦合器，用于1:2分光，以及窗口中心波长在1300/1550nm双窗口的1:99的光纤耦合器，用于合并两个波长的连续光和脉冲光，并且保证对向的连续光能够在低损耗的情况话返回入射端与另一路连续光干涉；
传感光缆：采用G.652D通信光缆，用于干涉外界扰动和温度场信息及传导光信号；
数据采集卡：包括两路10MSPS和两路100MSPS并且带硬件累加功能的采集卡，实现对四个光电探测器的电压信号进行采集，并送入计算机处理；
光隔离器：用于保证光的单项通行性，保证激光器不受损伤；
计算机：实现对数据采集卡送入的采集信号的处理，以实现振动信号和温度信号的解调和显示。
2.根据权利要求1所述分布式光纤振动和温度双物理量传感定位系统，其特征在于，光源和波分复用器WDM构成了互不干扰的双波长探测装置，为任意波长光源和光滤波器的组合。
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