CN107036734A - 一种全分布式光纤温度或应变的传感方法与传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全分布式光纤温度或应变的传感器，包括激光器，所述激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器连接电光调制器和移频模块，所述电光调制器连接掺铒放大器，所述掺铒放大器连接声光调制器，所述声光调制器连接带通滤波器，所述带通滤波器连接环形器，所述环形器连接传感光纤和第二耦合器，所述第二耦合器连接移频模块和平衡探测器，所述平衡探测器连接数据采集模块，所述数据采集模块连接信号处理模块。本发明能在单根光纤上实现了温度或应变的全分布式测量，空间分辨率高，信噪比较高，传感速度高效。

Description

一种全分布式光纤温度或应变的传感方法与传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种全分布式光纤温度或应变的传感方法与传感器。
背景技术
在受到应力、温度、电场、磁场等外界环境因素的影响时，光纤中传输的光波容易受到这些外场或量的调制，因而光波的表征参量如强度、相位、频率、偏振态等会发生相应变化，通过检测这些参量的变化，就可以获得外界被测参量的信息，实现对外界被测参量的传感功能，这种技术被称为光纤传感技术。
有些被测对象往往不是一个点或者几个点，二是呈一定空间分布的场，如温度场、应力等，这一类被测对象不仅涉及距离长、范围广，而且呈现三维空间连续性分布，此时单点甚至多点准分布式传感已经难以胜任多参量检测，全分布式光纤传感系统应运而生。在分布式光纤传感系统中光纤既作为信号传输介质，又是传感单元；即它将整根光纤作为传感单元，因而可以测量光纤沿线任意位置的应力或温度变化，进行全分布式测量。
与传统的电类或者机械类传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小，损耗低以及可进行远距离分布式测量的优点。当光纤受到温度或者应变影响时，光波在其中产生的布里渊散射光的频率会发生偏移，被称为布里渊频移；同时布里渊散射光的功率会发生变化。频移和功率变化的大小与光纤所示温度变化、应变的大小成正比。布里渊光时域反射(BOTDR)技术通过向光纤中注入脉冲光，并测量脉冲光在光纤中传播过程中连续产生的布里渊散射光的频移和功率变化，然后通过自发布里渊散射光功率或者频移的变化量与温度和应变变化的线性关系来进行全分布式传感。
传统的基于布里渊光时域反射(BOTDR)系统的空间分辨率受限于探测脉冲线宽，等于探测脉冲线宽的一半；当脉冲线宽比声子寿命(10ns)还短时，布里渊增益的减少会使布里渊频移测量的准确性降低，进而影响传感精度，这使得空间分辨率限制在1m以内。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种拥有高分辨率和传感速度的可以测量温度或应变全分布式光纤温度或应变的传感方法与传感器。
本发明的实施例提供一种全分布式光纤温度或应变的传感器，包括激光器、第一耦合器、电光调制器、掺铒放大器、声光调制器、带通滤波器、环形器、传感光纤、移频模块、第二耦合器、平衡探测器、数据采集模块和信号处理模块，所述激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器连接电光调制器和移频模块，所述电光调制器连接掺铒放大器，所述掺铒放大器连接声光调制器，所述声光调制器连接带通滤波器，所述带通滤波器连接环形器，所述环形器连接传感光纤和第二耦合器，所述第二耦合器连接移频模块和平衡探测器，所述平衡探测器连接数据采集模块，所述数据采集模块连接信号处理模块，所述激光器输出脉冲光，所述脉冲光经第一耦合器分成两路，一路为探测脉冲光和一路为参考脉冲光，所述探测脉冲光依次经电光调制器、掺铒放大器、声光调制器、带通滤波器和环形器处理后输入传感光纤，所述探测脉冲光在传感光纤中产生自发布里渊散射光，所述布里渊散射光返回环形器，并输入第二耦合器的一端，所述参考脉冲光经移频模块输入第二耦合器的另一端，所述第二耦合器将两路光信号输入平衡探测器，两路光信号在所述平衡探测器中进行相干探测后被转化为电信号，所述数据采集模块收集所述电信号，并传输给信号处理模块，所述信号处理模块进行处理，得到布里渊散射光的频移大小，进而得到光纤温度或应变。
进一步，所述电光调制器受波形发生器的控制。
一种全分布式光纤温度或应变的传感方法，包括以下步骤：
(1)激光器依次输出三束连续光；
(2)三束脉冲光经第一耦合器分成两路，一路为探测脉冲光和一路为参考脉冲光，探测脉冲光输入电光调制器，参考脉冲光输入移频模块；
(3)电光调制器对探测脉冲光的线宽进行调制，所述波形发生器控制电光调制器对探测脉冲光线宽的调制，经电光调制器处理的探测脉冲光输入掺铒放大器，探测脉冲光经掺铒放大器放大之后经过声光调制器调制为具有高消光比的脉冲，再经过带通滤波器减少放大自发热噪声，探测脉冲光经环形器输入传感光纤；
(4)探测脉冲光在传感光纤中产生自发布里渊散射光，所述布里渊散射光返回环形器，并输入第二耦合器的一端；
(5)参考脉冲光经移频模块移频后输入第二耦合器的另一端；
(6)步骤(4)的布里渊散射光和步骤(5)的参考脉冲光从第二耦合器中输入平衡探测器，两路信号在平衡探测器中进行相干探测后被转化为电信号，并被数据采集模块收集；
(7)数据采集模块将收集的电信号传输给信号处理模块，所述信号处理模块进行处理，得到布里渊散射光的频移大小，进而得到光纤温度或应变。
进一步，所述步骤(1)中，所述激光器的工作波段为1330nm或者1550nm。
进一步，所述步骤(1)中，三束脉冲光被调制成相互之间有线宽差的探测脉冲光。
进一步，所述三束脉冲光相互之间的线宽差为0-10ns。
进一步，所述步骤(3)中，传感光纤的折射率为n＝1.46，传感光纤中的声速为Va＝5945m/s。
进一步，所述步骤(5)中，参考脉冲光经频移模块处理后频率下移11.2GHz。
进一步，所述步骤(7)中，所述信号处理模块对三束脉冲光所对应的布里渊散射光信号在时域直接相互相减两次得到差分信号，所述差分信号经快速傅里叶算法处理提取得到布里渊散射光频谱，利用布里渊光时域反射方法对温度或应变进行全分布式的检测，根据布里渊散射光频谱的频谱中心频率得到布里渊散射光的频移变化量，进而解调得出光纤温度或应变。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术，在单根光纤上实现了温度或应变的全分布式测量，利用三束脉冲差分和快速傅里叶算法(FFT)处理克服了传统BOTDR系统低空间分辨率、信噪比和低效传感速度的缺点。
附图说明
图1是本发明一种全分布式光纤温度或应变的传感器的一示意图。
图2是本发明采用的信号差分处理过程的一示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种全分布式光纤温度或应变的传感器，包括激光器1、第一耦合器2、电光调制器4、掺铒放大器5、声光调制器6、带通滤波器7、环形器8、传感光纤9、移频模块10、第二耦合器11、平衡探测器12、数据采集模块13和信号处理模块14。
激光器1连接第一耦合器2，所述第一耦合器2连接电光调制器4和移频模块5，在一实施例中，电光调制器4受波形发生器3的控制，所述电光调制器4 连接掺铒放大器5，所述掺铒放大器5连接声光调制器6，所述声光调制器6连接带通滤波器7，所述带通滤波器7连接环形器8，所述环形器8连接传感光纤 9和第二耦合器11，所述第二耦合器11连接移频模块10和平衡探测器12，所述平衡探测器12连接数据采集模块13，所述数据采集模块13连接信号处理模块14。
激光器1输出脉冲光，在一实施例中，激光器1依次输出3束连续光，所述脉冲光经第一耦合器2分成两路，一路为探测脉冲光和一路为参考脉冲光，所述探测脉冲光依次经电光调制器4、掺铒放大器5、声光调制器6、带通滤波器7和环形器8处理后输入传感光纤9，所述探测脉冲光在传感光纤9中产生自发布里渊散射光，所述布里渊散射光返回环形器8，并输入第二耦合器11的一端，所述参考脉冲光经移频模块10输入第二耦合器11的另一端，所述第二耦合器11将两路光信号输入平衡探测器12，两路光信号在所述平衡探测器12中进行相干探测后被转化为电信号，所述数据采集模块13收集所述电信号，并传输给信号处理模块14，所述信号处理模块14进行处理，得到布里渊散射光的频移大小，进而得到光纤温度或应变。
一种全分布式光纤温度或应变的传感方法，包括以下步骤：
(1)激光器1输出脉冲光；激光器1的工作波段为1330nm或者1550nm，其他合适工作波段亦可，激光器1依次输出三束连续脉冲光。
(2)脉冲光经第一耦合器2分成两路，一路为探测脉冲光和一路为参考脉冲光，探测脉冲光输入电光调制器4，参考脉冲光输入移频模块10；
(3)电光调制器4对探测脉冲光的线宽进行调制，所述波形发生器3控制电光调制器4对探测脉冲光线宽的调制，调制得到的三束脉冲光对应的探测脉冲光相互之间有线宽差，所述三束脉冲光相互之间的线宽差为0-10ns，经电光调制器4处理的探测脉冲光输入掺铒放大器5，探测脉冲光经掺铒放大器5放大之后经过声光调制器6调制为具有高消光比的脉冲，再经过带通滤波器7减少放大自发热噪声，探测脉冲光经环形器8输入传感光纤9；传感光纤9的折射率为n＝1.46，传感光纤9中的声速为Va＝5945m/s；
(4)探测脉冲光在传感光纤9中产生自发布里渊散射光，所述布里渊散射光返回环形器8，并输入第二耦合器11的一端；
(5)参考脉冲光经移频模块10移频后输入第二耦合器11的另一端，参考脉冲光经频移模块10处理后频率下移11.2GHz；
(6)步骤(4)的布里渊散射光和步骤(5)的参考脉冲光从第二耦合器11 中输入平衡探测器12，两路信号在平衡探测器12中进行相干探测后被转化为电信号，并被数据采集模块13收集；
(7)数据采集模块13将收集的电信号传输给信号处理模块14，所述信号处理模块14进行处理，得到布里渊散射光的频移大小，进而得到光纤温度或应变。
具体为：信号处理模块14对三束布里渊散射光在时域直接相互相减两次得到差分信号，两组差分信号第二次差分时将对测量信号有干扰的噪声信号削弱，提高了测量精度与信噪比，如图2所示，差分一次后得到的第一次差分在进行第二次差分时将阴影的左边部分削弱(对测量精度和信噪比有干扰的噪声信号)，所述最终差分信号经快速傅里叶算法处理得到布里渊散射光频谱，利用布里渊光时域反射方法对温度或应变进行全分布式的检测，根据布里渊散射光频谱的频谱中心频率得到布里渊散射光的频移变化量，进而得出光纤温度或应变。
傅里叶变换是数学信号处理领域一种很重要的算法，傅里叶原理表明：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅里叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方法来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。快速傅里叶变换(FFT) 是离散傅里叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域，有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是常用的。而 FFT算法在信号的处理速度上面十分方便快捷，因此用于传感信号处理上可以有效的提高传感速度。
本发明利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术，在单根光纤上实现了温度或应变的全分布式测量，利用三束脉冲差分和快速傅里叶算法(FFT)处理克服了传统BOTDR系统低空间分辨率、低信噪比和低效传感速度的缺点。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全分布式光纤温度或应变的传感器，其特征在于，包括激光器、第一耦合器、电光调制器、掺铒放大器、声光调制器、带通滤波器、环形器、传感光纤、移频模块、第二耦合器、平衡探测器、数据采集模块和信号处理模块，所述激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器连接电光调制器和移频模块，所述电光调制器连接掺铒放大器，所述掺铒放大器连接声光调制器，所述声光调制器连接带通滤波器，所述带通滤波器连接环形器，所述环形器连接传感光纤和第二耦合器，所述第二耦合器连接移频模块和平衡探测器，所述平衡探测器连接数据采集模块，所述数据采集模块连接信号处理模块，所述激光器输出脉冲光，所述脉冲光经第一耦合器分成两路，一路为探测脉冲光和一路为参考脉冲光，所述探测脉冲光依次经电光调制器、掺铒放大器、声光调制器、带通滤波器和环形器处理后输入传感光纤，所述探测脉冲光在传感光纤中产生自发布里渊散射光，所述布里渊散射光返回环形器，并输入第二耦合器的一端，所述参考脉冲光经移频模块输入第二耦合器的另一端，所述第二耦合器将两路光信号输入平衡探测器，两路光信号在所述平衡探测器中进行相干探测后被转化为电信号，所述数据采集模块收集所述电信号，并传输给信号处理模块，所述信号处理模块对电信号进行处理，得到布里渊散射光的频移大小，进而得到光纤温度或应变。
2.根据权利要求1所述的全分布式光纤温度或应变的传感器，其特征在于，所述电光调制器受波形发生器的控制。
3.一种全分布式光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)激光依次输出三束连续脉冲光；
(2)三束脉冲光经第一耦合器分成两路，一路为探测脉冲光和一路为参考脉冲光，探测脉冲光输入电光调制器，参考脉冲光输入移频模块；
(3)电光调制器对探测脉冲光的线宽进行调制，波形发生器控制电光调制器对探测脉冲光线宽的调制，经电光调制器处理的探测脉冲光输入掺铒放大器，探测脉冲光经掺铒放大器放大之后经过声光调制器调制为具有高消光比的脉冲，再经过带通滤波器减少放大自发热噪声，探测脉冲光经环形器输入传感光纤；
(4)探测脉冲光在传感光纤中产生自发布里渊散射光，所述布里渊散射光返回环形器，并输入第二耦合器的一端；
(5)参考脉冲光经移频模块移频后输入第二耦合器的另一端；
(6)步骤(4)的布里渊散射光和步骤(5)的参考脉冲光从第二耦合器中输入平衡探测器，两路信号在平衡探测器中进行相干探测后被转化为电信号，并被数据采集模块收集；
(7)数据采集模块将收集的电信号传输给信号处理模块，所述信号处理模块进行处理，得到布里渊散射光的频移大小，进而得到光纤温度或应变。
4.根据权利要求3所述的全分布式光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述激光器的工作波段为1330nm或者1550nm。
5.根据权利要求3所述的全分布式光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，所述步骤(3)中，三束脉冲光被调制成相互之间有线宽差的探测脉冲光。
6.根据权利要求5所述的全分布式光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，所述三束脉冲光相互之间的线宽差为0-10ns。
7.根据权利要求3所述的全分布式光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，所述步骤(3)中，传感光纤的折射率为n＝1.46，传感光纤中的声速为Va＝5945m/s。
8.根据权利要求3所述的全分布光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，所述步骤(5)中，参考脉冲光经频移模块处理后频率下移11.2GHz。
9.根据权利要求3所述的全分布式光纤温度或应变的传感方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述信号处理模块对三束脉冲光所对应的布里渊散射光信号在时域直接相互相减两次得到差分信号，所述差分信号经快速傅里叶算法处理提取得到布里渊散射光频谱，利用布里渊光时域反射方法对温度或应变进行全分布式的检测，根据布里渊散射光频谱的频谱中心频率得到布里渊散射光的频移变化量，进而解调得出光纤温度或应变。
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