CN107167225A - 一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法，包括激光器，激光器通过边带调制器与具有a输出端和b输出端的第一耦合器连接，a、b输出端分别与背向瑞利散射光形成光路连接和第二偏振控制器连接，背向瑞利散射光形成光路与具有c输出端和d输出端的第二耦合器连接，c输出端与相位敏感时域反射光路连接，d输出端和第二偏振控制器通过第三耦合器、平衡光电检测器、信号处理单元和微波合成器与边带调制器连接，相位敏感时域反射光路通过光电检测器与信号处理单元连接。本发明结合COTDR技术与φ‑OTDR技术，从而实现对应变及振动事件的综合测量，大大提高了分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度。

Description

一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法

技术领域

本发明涉及分布式监测技术领域，尤其涉及一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法。

背景技术

当光纤受到外界环境(如温度、压力、振动等)影响时,光纤中传输光的强度、相位、频率等参量将会相应的变化，通过检测传输光的这些参量便可以获得相应物理量，这种技术称为光纤传感技术。

相对于传统的电量型传感器，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、价格便宜、可进行远距离分布式测量的优点，因此自20世纪70年代末以来，光纤传感技术得到广泛的发展，出现了基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等分布式光纤传感技术，其中瑞利散射属于弹性散射，相对于拉曼和布里渊散射有着更高的能量，因此更容易被检测到，目前有很多基于瑞利散射的分布式光纤传感技术方面的研究，基于瑞利散射的相干光时域反射(COTDR)技术和相位敏感光时域反射(φ-OTDR)技术是两种比较常见的分布式光纤传感技术。

光纤某区域内的温度或应力发生变化时，由于热膨胀或弹光效应，该区域内光纤的折射率、密度及散射点之间的距离将发生变化，从而致使该区域内的后向瑞利散射光的相位发生改变。由于光纤变化区域内的散射光返回到检测端时，光相位差发生改变，因此，后向瑞利散射光的强度和功率将会随之发生变化。

COTDR技术则是通过检测后向瑞利散射光强度的变化和入射光脉冲与检测到的后向瑞利散射信号之间的时延差，就可以确定光纤温度和应变变化发生的具体位置以及变化量的分布情况。COTDR技术是目前主要的一种可准确测量光纤应变大小的分布式光纤传感技术，尽管理论上光纤在受到外界振动影响时会同时产生应变变化，但是由于该技术对应变测量速度较慢，通常需要3分钟以上，因此，COTDR技术难以用于测量振动。

φ-OTDR技术则是利用传感系统的输出脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉结果，因而能够探测到更微弱的扰动信息，提高系统的响应能力。当外界的扰动导致光纤路径上某处的折射率发生变化，从而改变散射光的相位信息，最终使得干涉的光强发生变化，而扰动点的位置也能通过该光强变化信号与脉冲注入传感光纤的间隔时间来确定，实现对扰动事件的定位。φ-OTDR技术因其优良的综合性能成为目前最主要的入侵和振动分布式传感监测方法之一，但是干涉因素使得光纤容易受环境噪声的影响，对于应变、特别是恒定的应变及温度变化，信号特别容易被淹没，从而使得检测不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种既能够探测振动事件,又能够检测应变事件的分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法。

本发明提供了一种分布式光纤应力及振动的传感系统，包括激光器、第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器以及第二偏振控制器，所述激光器通过一边带调制器与所述第一耦合器的输入端连接，所述第一耦合器的两个输出端分别为a输出端和b输出端，其中所述a输出端与一背向瑞利散射光形成光路的输入端连接，所述b输出端与所述第二偏振控制器的输入端连接，所述背向瑞利散射光形成光路的输出端与所述第二耦合器的输入端连接，所述第二耦合器的两个输出端分别为c输出端和d输出端，其中所述c输出端与一相位敏感时域反射光路的输入端连接，所述d输出端和所述第二偏振控制器的输出端分别与所述第三耦合器的两个输入端连接，所述第三耦合器的两个输出端分别与一平衡光电检测器的两个输入端连接，所述平衡光电检测器的输出端通过一信号处理单元和一微波合成器与所述边带调制器连接，所述相位敏感时域反射光路的输出端通过一光电检测器与所述信号处理单元连接。

进一步地，所述微波合成器是所述边带调制器的驱动开关。

进一步地，所述背向瑞利散射光形成光路包括顺序连接的脉冲调制模块、第一偏振控制器、第一光纤放大器和滤波器，所述脉冲调制模块的输入端与所述a输出端连接，所述滤波器的输出端与一环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口和第三端口分别与一传感光纤和所述第二耦合器的输入端连接。

进一步地，相位敏感时域反射光路包括一第四耦合器、一非平衡臂干涉结构和一相位调制器，所述第四耦合器具有一第一输出端和一第二输出端，所述非平衡臂干涉结构的两个输出端分别为e输出端和f输出端，所述第四耦合器的输入端与所述c输出端连接，所述第一输出端与所述非平衡臂干涉结构的输入端连接，所述e输出端与所述相位调制器连接，所述f输出端和所述相位调制器分别与一第二FRM反射镜和所述第一FRM反射镜连接，所述第二输出端通过一第二光纤放大器与所述光电检测器连接。

进一步地，所述第三耦合器和所述第四耦合器的耦合比均为50:50。

本发明提供了另一种分布式光纤应力及振动的传感系统，与上述的分布式光纤应力及振动的传感系统的区别在于，所述第二耦合器被一光倒换开关取代，测振动量时，所述光倒换开关导向连接第四耦合器；测应变量时，所述光倒换开关导向连接第三耦合器。

本发明还提供了一种基于上述的分布式光纤应力及振动的传感系统的分布式光纤应力及振动的传感方法，包括以下步骤，

步骤10：通过微波合成器控制关闭边带调制器使所述边带调制器只执行普通光纤的功能；

步骤20：激光器发射的激光经步骤10中的所述边带调制器后进入第一耦合器，被所述第一耦合器分成a路和b路，a路的脉冲光进入背向瑞利散射光形成光路并在所述背向瑞利散射光形成光路中形成背向瑞利散射光，b路的脉冲光进入所述第二偏振控制器经所述第二偏振控制器变成第二偏振态脉冲光；

步骤30：所述背向瑞利散射光进入第二耦合器，被所述第二耦合器分成c路和d路，c路中的脉冲光进入相位敏感时域反射光路，最终被光电探测器探测，然后所述光电探测器将探测到的光信号转换成电信号并传至信号处理单元，d路中的脉冲光和步骤20中的所述第二偏振态脉冲光分别通过第三耦合器的两个输入端进入所述第三耦合器，被所述第三耦合器耦合后的脉冲光经所述第三耦合器的两个输出端输出进入平衡光电检测器，然后所述平衡光电检测器将检测到的光信号转换成电信号并传至所述信号处理单元；

步骤40：若检测到的信号包括振动信号，则所述信号处理单元直接对振动信号进行解调工作，确定光纤中的振动事件发生的位置；若检测到的信号包括应变信号，则所述信号处理单元反馈控制所述微波合成器驱动所述边带调制器，然后实施扫频，从而所述信号处理单元确定应变事件发生的位置。

进一步地，步骤20中，a路的脉冲光进入背向瑞利散射光形成光路后首先经过脉冲调制模块，被调制成脉宽为100ns的脉冲光；步骤40中，扫频前，设置所述脉冲调制模块将经过的脉冲光调制成脉宽为10ns的脉冲光。

进一步地，步骤30中，相位敏感时域反射光路具体为：c路中的脉冲光首先进入第四耦合器耦合，然后进入非平衡臂干涉结构被其分成e路和f路，e路脉冲光进入相位调制器，与所述相位调制器中加入的载波混合后被与所述相位调制器连接的第一FRM反射镜反射回所述第四耦合器中，f路脉冲光直接被与所述非平衡臂干涉结构连接的第二FRM反射镜反射回所述第四耦合器中，且在与返回的e路脉冲光干涉混合后，由所述第四耦合器输入到第二光纤放大器放大并由光电探测器探测转换。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法，(1)结合COTDR技术与φ-OTDR技术，从而实现对应变及振动事件的综合测量，大大提高了分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度；(2)运用所述非平衡臂干涉结构，使得相位敏感光时域反射(φ-OTDR)技术与干涉技术相结合，配合相位生成载波等主流解调方法，使得系统在测量振动信号时，可以将φ-OTDR技术的全分布式，结构简单等优势与干涉技术的测量精确，快速等优势相结合。

附图说明

图1是本发明分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法的实施例一的结构示意图；

图2是本发明分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法的实施例二的结构示意图。

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，实施例一：

当外界可能同时具有应变及振动事件发生或者不明确目标事件发生时，可使用本发明的实施例一提供的一种分布式光纤应力及振动的传感系统来综合测量。本发明的实施例一提供的一种分布式光纤应力及振动的传感系统主要包括激光器1、第一耦合器3、第二耦合器12和第三耦合器13以及第二偏振控制器11。

所述激光器1通过一边带调制器2与所述第一耦合器3的输入端连接，所述第一耦合器3的两个输出端分别为a输出端和b输出端，其中所述a输出端与一背向瑞利散射光形成光路A的输入端连接。所述背向瑞利散射光形成光路A包括顺序连接的脉冲调制模块4、第一偏振控制器5、第一光纤放大器6和滤波器7，所述脉冲调制模4块的输入端与所述a输出端连接，所述滤波器7的输出端与一环形器8的第一端口连接，所述环形器8的第二端口和第三端口分别与一传感光纤9和所述第二耦合器12的输入端连接。所述脉冲调制模块4用于将所述激光器1发射的激光调制成脉宽为τ、周期为T的脉冲激光。经所述第一偏振控制器5调制后的脉冲光变成了第一偏振态脉冲光，所述滤波器7用于除去经所述第一光纤放大器6放大后的所述第一偏振态脉冲光中的噪声，以提高光路中的信噪比。所述第一偏振态脉冲光从所述环形器8的第二端口传入所述传感光纤9后在所述传感光纤9中产生背向瑞利散射光，然后该背向瑞利散射光从所述环形器8的第二端口返回到所述环形器8，然后再从所述第三端口进入所述第二耦合器12。

所述第二耦合器12的两个输出端分别为c输出端和d输出端，其中所述c输出端与一相位敏感时域反射光路B的输入端连接，所述相位敏感时域反射光路B包括一第四耦合器14、一非平衡臂干涉结构22和一相位调制器15，所述第四耦合器14具有一第一输出端和一第二输出端，所述非平衡臂干涉结构22的两个输出端分别为e输出端和f输出端，所述第四耦合器14的输入端与所述c输出端连接，所述第一输出端与所述非平衡臂干涉结构22的输入端连接，所述e输出端与所述相位调制器15连接，所述f输出端和所述相位调制器15分别与一第二FRM反射镜17和所述第一FRM反射镜16连接，所述第二输出端通过一第二光纤放大器19与所述光电检测器20连接，而所述光电检测器20与信号处理单元21连接连接。

再另一实施例中，为了进一步提高信噪比和检测精度，所述第二光纤放大器19通过一滤波器与所述光电检测器20连接。

所述b输出端与所述第二偏振控制器11的输入端连接，脉冲光经所述第二偏振控制器11调制成第二偏振态脉冲光。所述d输出端和所述第二偏振控制器11的输出端分别与所述第三耦合器13的两个输入端连接，所述第三耦合器13的两个输出端分别与一平衡光电检测器18的两个输入端连接，所述平衡光电检测器18的输出端通过所述信号处理单元21和一微波合成器10与所述边带调制器2连接。

其中，所述第三耦合器13和所述第四耦合器14的耦合比均为50:50。

运用所述非平衡臂干涉结构22，使得相位敏感光时域反射(φ-OTDR)技术与干涉技术相结合，配合相位生成载波等主流解调方法，使得系统在测量振动信号时，可以将φ-OTDR技术的全分布式、结构简单等优势与干涉技术的测量精确、快速等优势相结合得到：优势1，使记录的目标振动信号波形、频率、振幅、波形等都得以放大；优势2：使振动信号的全方位信息都得以解调，包括振幅、波形、频率、位置等。

使用时，包括以下步骤：

步骤10：通过微波合成器10控制关闭边带调制器2使所述边带调制器2只执行普通光纤的功能。

所述微波合成器10是所述边带调制器2的驱动开关，可以在所述信号处理单元21的相关反馈信号的作用下控制所述边带调制器2使其发挥边带调制功能，该边带调制包括单边带调制和/或双边带调制，具体根据实际情况而定。所述微波合成器10在没有收到所述信号处理单元21的相关反馈信号时，所述边带调制器2的边带调制功能处于关闭状态，只发挥普通光纤的作用。

步骤20：激光器1发射的激光经步骤10中的所述边带调制器2后进入第一耦合器3，被所述第一耦合器3分成a路和b路，a路的脉冲光进入背向瑞利散射光形成光路A并在所述背向瑞利散射光形成光路A中形成背向瑞利散射光，b路的脉冲光进入所述第二偏振控制器11经所述第二偏振控制器11变成第二偏振态脉冲光。

a路的脉冲光进入背向瑞利散射光形成光路A后首先经过脉冲调制模块4，被调制成脉宽为100ns的脉冲光。再经所述第一偏振控制器5被调制成第一偏振态脉冲光，然后经过所述第一光纤放大器6放大和所述滤波器7滤波降噪后，从所述环形器8的第一端口进入所述环形器8，所述第一偏振态脉冲光从所述环形器8的第二端口传入所述传感光纤9后在所述传感光纤9中产生背向瑞利散射光，然后该背向瑞利散射光从所述环形器8的第二端口返回到所述环形器8，然后再从所述第三端口进入所述第二耦合器12。

步骤30：所述背向瑞利散射光进入第二耦合器12，被所述第二耦合器12分成c路和d路，c路中的脉冲光进入相位敏感时域反射光路B，最终被光电探测器20探测，然后所述光电探测器20将探测到的光信号转换成电信号并传至信号处理单元21，d路中的脉冲光和步骤20中的所述第二偏振态脉冲光分别通过第三耦合器13的两个输入端进入所述第三耦合器13，被所述第三耦合器13耦合后的脉冲光经所述第三耦合器13的两个输出端输出进入平衡光电检测器18，然后所述平衡光电检测器18将检测到的光信号转换成电信号并传至所述信号处理单元21。

c路中的脉冲光首先进入第四耦合器14耦合，然后进入非平衡臂干涉结构22且被其分成e路和f路，e路脉冲光进入相位调制器15，与所述相位调制器15中加入的载波混合后被与所述相位调制器15连接的第一FRM反射镜反射16回传至所述第四耦合器14中；f路脉冲光直接被与所述非平衡臂干涉结构22连接的第二FRM反射镜17反射回至所述第四耦合器14中，且在与返回的e路脉冲光干涉混合后，由所述第四耦合器14输入到第二光纤放大器19放大并由光电探测器20探测转换。

步骤40：所述信号处理单元21分析所述光电探测器20探测和所述平衡光电检测器18的探测和检测结果，若检测到的信号包括振动信号，则所述信号处理单元21直接对振动信号进行解调工作，确定光纤中的振动事件发生的位置；若检测到的信号包括应变信号，则所述信号处理单元21反馈控制所述微波合成器10驱动所述边带调制器2，然后实施扫频，从而所述信号处理单元21确定应变事件发生的位置。

应变或振动事件发生时，理论上所述光电探测器20与所述平衡光电检测器18皆能感测到变化，此时由事件发生位置s可由s＝cΔt/2n得知，其中c＝3X10⁸m/s为真空中的光速，Δt为从计时开始到接收到所需定位的背向瑞利散射光所经过的时间。对于长度为L的所述传感光纤9，两个探测脉冲光的时间间隔ΔT应大于2nL/c，即脉冲光在光纤中往返一次需要的时间。但因为测量时间限制，优先通过所述信号处理单元21对振动事件分析判断，如果是振动事件，则直接解调，如果不是，随后所述信号处理单元21反馈控制所述微波合成器10，同时设置所述脉冲调制模块4将脉冲光调制成脉宽为10ns的脉冲光，精确空间分辨率，从而实现扫频对应变事件进行测量分析。

当两者皆有或者不明确具体目标事件出现时，按照先振动后应变测量顺序依次测量，随后综合分析。

请参考图2，实施例二：

当外界不同时具有应变及振动事件发生或者明确目标事件发生时，可使用本发明的实施例二提供的一种分布式光纤应力及振动的传感系统来综合测量。本发明的实施例二提供的一种分布式光纤应力及振动的传感系统与实施例一提供的一种分布式光纤应力及振动的传感系统的区别在于，所述第二耦合器12被一光倒换开关12′取代，测振动量时，所述光倒换开关12′导向连接第四耦合器14所在的一端23；测应变量时，所述光倒换开关12′导向连接第三耦合器13所在的一端24。

即：当明确具体需要测量的目标事件时，我们可以将所述光倒换开关12′倒到不同的领域，例如需要测量振动事件时，则将所述光到换开关12′导向连接所述第四耦合器14一端23，反之，需要测量应变事件时，则将所述光到换开关12′导向连接第三耦合器13一端24，对应变进行相关扫频测量。这样便于消除耦合器对光功率的衰减，从而强化目标信号，使得监测更加精准，同时也降低相关系统的功耗。

本发明在测量应变的时候特别容易受到温度的影响，也就是说应变测量的结果其实是温度和应变的共同结果，所以为了避免出现温度交叉敏感的问题，本发明中光纤采用特种光纤，比如隔热光纤等避免温度影响。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法，(1)结合COTDR技术与φ-OTDR技术，从而实现对应变及振动事件的综合测量，大大提高了分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度；(2)运用所述非平衡臂干涉结构22，使得相位敏感光时域反射(φ-OTDR)技术与干涉技术相结合，配合相位生成载波等主流解调方法，使得系统在测量振动信号时，可以将φ-OTDR技术的全分布式，结构简单等优势与干涉技术的测量精确，快速等优势相结合。

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 (10)

1.一种分布式光纤应力及振动的传感系统，包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器以及第二偏振控制器，其特征在于：所述激光器通过一边带调制器与所述第一耦合器的输入端连接，所述第一耦合器的两个输出端分别为a输出端和b输出端，所述a输出端与一背向瑞利散射光形成光路的输入端连接，所述b输出端与所述第二偏振控制器的输入端连接，所述背向瑞利散射光形成光路的输出端与所述第二耦合器的输入端连接，所述第二耦合器的两个输出端分别为c输出端和d输出端，其中所述c输出端与一相位敏感时域反射光路的输入端连接，所述d输出端和所述第二偏振控制器的输出端分别与所述第三耦合器的两个输入端连接，所述第三耦合器的两个输出端分别与一平衡光电检测器的两个输入端连接，所述平衡光电检测器的输出端通过一信号处理单元和一微波合成器与所述边带调制器连接，所述相位敏感时域反射光路的输出端通过一光电检测器与所述信号处理单元连接。

2.如权利要求1所述的分布式光纤应力及振动的传感系统，其特征在于：所述微波合成器是所述边带调制器的驱动开关。

3.如权利要求1所述的分布式光纤应力及振动的传感系统，其特征在于：所述背向瑞利散射光形成光路包括顺序连接的脉冲调制模块、第一偏振控制器、第一光纤放大器和滤波器，所述脉冲调制模块的输入端与所述a输出端连接，所述滤波器的输出端与一环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口和第三端口分别与一传感光纤和所述第二耦合器的输入端连接。

4.如权利要求1所述的分布式光纤应力及振动的传感系统，其特征在于：相位敏感时域反射光路包括一第四耦合器、一非平衡臂干涉结构和一相位调制器，所述第四耦合器具有一第一输出端和一第二输出端，所述非平衡臂干涉结构的两个输出端分别为e输出端和f输出端，所述第四耦合器的输入端与所述c输出端连接，所述第一输出端与所述非平衡臂干涉结构的输入端连接，所述e输出端与所述相位调制器连接，所述f输出端和所述相位调制器分别与一第二FRM反射镜和所述第一FRM反射镜连接，所述第二输出端通过一第二光纤放大器与所述光电检测器连接。

5.如权利要求4所述的分布式光纤应力及振动的传感系统，其特征在于：所述第三耦合器和所述第四耦合器的耦合比均为50:50。

6.一种分布式光纤应力及振动的传感系统，其特征在于：与权利要求1至权利要求5中任一项所述的分布式光纤应力及振动的传感系统的区别在于，所述第二耦合器被一光倒换开关取代，测振动量时，所述光倒换开关导向连接第四耦合器；测应变量时，所述光倒换开关导向连接第三耦合器。

7.一种分布式光纤应力及振动的传感方法，基于权利要求1至权利要求5任一项所述的分布式光纤应力及振动的传感系统，其特征在于：包括以下步骤，

步骤10：通过微波合成器控制关闭边带调制器使所述边带调制器只执行普通光纤的功能；

步骤20：激光器发射的激光经步骤10中的所述边带调制器后进入第一耦合器，被所述第一耦合器分成a路和b路，a路的脉冲光进入背向瑞利散射光形成光路并在所述背向瑞利散射光形成光路中形成背向瑞利散射光，b路的脉冲光进入所述第二偏振控制器经所述第二偏振控制器变成第二偏振态脉冲光；

步骤30：所述背向瑞利散射光进入第二耦合器，被所述第二耦合器分成c路和d路，c路中的脉冲光进入相位敏感时域反射光路，最终被光电探测器探测，然后所述光电探测器将探测到的光信号转换成电信号并传至信号处理单元，d路中的脉冲光和步骤20中的所述第二偏振态脉冲光分别通过第三耦合器的两个输入端进入所述第三耦合器，被所述第三耦合器耦合后的脉冲光经所述第三耦合器的两个输出端输出进入平衡光电检测器，然后所述平衡光电检测器将探测到的光信号转换成电信号并传至所述信号处理单元；

步骤40：若检测到的信号包括振动信号，则所述信号处理单元直接对振动信号进行解调工作，确定光纤中的振动事件发生的位置；若检测到的信号包括应变信号，则所述信号处理单元反馈控制所述微波合成器驱动所述边带调制器，然后实施扫频，从而所述信号处理单元确定应变事件发生的位置。

8.如权利要求7所述的分布式光纤应力及振动的传感方法，其特征在于：步骤20中，a路的脉冲光进入背向瑞利散射光形成光路后首先经过脉冲调制模块，被调制成脉宽为100ns的脉冲光；步骤40中，扫频前，设置所述脉冲调制模块将经过的脉冲光调制成脉宽为10ns的脉冲光。

9.如权利要求7所述的分布式光纤应力及振动的传感方法，其特征在于：步骤30中，相位敏感时域反射光路具体为：c路中的脉冲光首先进入第四耦合器耦合，然后进入非平衡臂干涉结构被其分成e路和f路，e路脉冲光进入相位调制器，与所述相位调制器中加入的载波混合后被与所述相位调制器连接的第一FRM反射镜反射回所述第四耦合器中，f路脉冲光直接被与所述非平衡臂干涉结构连接的第二FRM反射镜反射回所述第四耦合器中，且在与返回的e路脉冲光干涉混合后，由所述第四耦合器输入到第二光纤放大器放大并由光电探测器探测转换。

10.如权利要求9所述的分布式光纤应力及振动的传感方法，其特征在于：第三耦合器和第四耦合器的耦合比均为50:50。