CN107238412A - 一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，属于光学领域。本发明为了解决现有分布式光纤传感器只能测量振动、应力或者温度中的一种，如果想要同时测量这几个变量，需要多个光纤传感器同时测量，成本较高问题。本发明的分布式光纤传感器包括：激光器、光纤耦合器、第一电光调制器、任意函数发生器、掺饵光纤放大器、第一环形器、待测光纤、第二电光调制器、微波源或单边带调制器、主控板、扰偏器、第二环形器、光纤光栅滤波器或可调谐滤波器、四端口耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器和采集卡；本发明可应用于远距离的信息监测。

Description

一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，属于光学领域。

背景技术

分布式光纤传感技术将整根光纤既作为传感单元，又作为信号传输介质，可以测量光纤沿线任意位置处的信息。其传感距离可以达到几十甚至上百千米，用于大型建筑的结构健康监测等，其成本比具有多点式传感单元的准分布式光纤传感技术低很多，因此全分布式光纤传感技术越来越受到人们的重视，是目前光纤传感技术的重要研究方向。

布里渊光时域反射技术(Brillouin optical time-domain reflectometer，简称BOTDR)是自发布里渊散射，由光纤材料分子的布朗热运行产生的声学噪声导致光纤材料折射率的变化而产生的。由于声波在光纤材料中的传播引发光纤折射率呈现周期性变化，导致散射光频率相对于传输光产生多普勒频移，使得布里渊散射光有斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光与反斯托克斯光的功能较小。布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度呈线性关系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。

相位光时域反射技术(Phase optical time-domain reflectometer，简称Φ-OTDR)是将脉冲光打入光纤中，利用光纤中的瑞利背向散射光和菲涅耳反射光来判断光纤内部结构情况，其中菲涅耳反射光的功率远远高于背向散射光功率。当脉冲光沿着光纤传播时，材料中某些微小变化(如折射率变化等)将会引起各个方向瑞利散射变化。Φ-OTDR系统中的探测器只接受瑞利散射光的背向散射部分。从而实现光纤的断点和振动监测。

现有的基于布里渊光时域反射技术或者基于相位光时域反射技术的光纤传感器只能测量振动、应力或者温度中的一种，如果想要同时测量这几个变量，需要多个光纤传感器同时测量，成本较高。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种利用布里渊光时域反射技术和相位光时域反射技术相结合的分布式光纤传感器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，包括：激光器、光纤耦合器、第一电光调制器、任意函数发生器、掺饵光纤放大器、第一环形器、待测光纤、第二电光调制器、微波源或单边带调制器、主控板、扰偏器、第二环形器、光纤光栅滤波器或可调谐滤波器、四端口耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器和采集卡；

所述采集卡包括一通道和二通道，所述第一光电探测器连接采集卡的一通道，所述第二光电探测器连接采集卡的二通道；

所述激光器发出的激光进入光纤耦合器的输入端，经光纤耦合器后分为两路，一路为探测光，另一路为参考光，

所述探测光依次经过受任意函数发生器控制的第一电光调制器，掺饵光纤放大器后，进入第一环形器的1端口，再从第一环形器的2端口射出，进入待测光纤并返回，进入第一环形器的2端口，再从第一环形器的3端口射出，进入第二环形器的1端口，再经第二环形器的2端口射出，进入光纤光栅滤波器或可调谐滤波器，光纤光栅滤波器或可调谐滤波器的反射光从第二环形器的2端口进入，从第二环形器的3端口射出，进入第二光电探测器进行光电转换，转换后的电信号由采集卡进行数据采集，光纤光栅滤波器或可调谐滤波器的透射光进入四端口耦合器；

所述参考光首先进入由微波源和主控板控制的第二电光调制器，再经扰偏器，进入四端口耦合器；

四端口耦合器的出射光，进入第一光电探测器进行光电转换，，转换后的电信号由采集卡进行数据采集。

进一步地，所述激光器为分布反馈式半导体激光器DFB或可调谐光纤激光器。

进一步地，所述光纤耦合器和四端口耦合器的耦合比均在95:5至80:20之间。

进一步地，还包括位于第一环形器与第二环形器之间的放大器，所述放大器用于放大第一环形器的3端口射出的光信号。

有益效果：

本发明利用布里渊光时域反射技术结合相位光时域反射技术，利用布里渊光时域反射技术监测温度或者应力有变化，利用相位光时域反射技术监测光缆沿线的入侵振动，并给出准确的定位，可以实现振动、应力、温度的同时监测，布里渊光时域反射技术和相位光时域反射技术在系统基于几个共用的器件实现，却可以互不干扰的实现各自的功能，极大地降低成本，简化系统。

附图说明

图1本发明的一种实施方式的整体结构示意图；

图2本发明的另一种实施方式的整体结构示意图；

图中：1-激光器，2-光纤耦合器，3-第一电光调制器，4-任意函数发生器，5-掺饵光纤放大器，6-第一环形器，7-待测光纤，8-第二电光调制器，9-微波源或单边带调制器，10-主控板，11-扰偏器，12-第二环形器，13-光纤光栅滤波器或可调谐滤波器，14-四端口耦合器，15-第一光电探测器，16-第二光电探测器，17-采集卡，18-放大器；

图3采集到的瑞利散射数据；

图4采集到的布里渊散射数据。

具体实施方式

具体实施方式1：结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，整体结构如图1所示，包括：激光器1、光纤耦合器2、第一电光调制器3、任意函数发生器4、掺饵光纤放大器5、第一环形器6、待测光纤7、第二电光调制器8、微波源或单边带调制器9、主控板10、扰偏器11、第二环形器12、光纤光栅滤波器或可调谐滤波器13、四端口耦合器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16和采集卡17；

所述采集卡17包括一通道和二通道，所述第一光电探测器15连接采集卡17的一通道，所述第二光电探测器16连接采集卡17的二通道；

所述激光器1发出的激光进入光纤耦合器2的输入端，经光纤耦合器2后分为两路，一路为探测光，另一路为参考光，

所述探测光依次经过受任意函数发生器4控制的第一电光调制器3，掺饵光纤放大器5后，进入第一环形器6的1端口，再从第一环形器6的2端口射出，进入待测光纤7并返回，进入第一环形器6的2端口，再从第一环形器6的3端口射出，进入第二环形器12的1端口，再经第二环形器12的2端口射出，进入光纤光栅滤波器或可调谐滤波器13，光纤光栅滤波器或可调谐滤波器13的反射光从第二环形器12的2端口进入，从第二环形器12的3端口射出，进入第二光电探测器16进行光电转换，转换后的电信号由采集卡17进行数据采集，光纤光栅滤波器或可调谐滤波器13的透射光进入四端口耦合器14；

所述参考光首先进入由微波源9和主控板10控制的第二电光调制器8，再经扰偏器11，进入四端口耦合器14；

四端口耦合器14的出射光，进入第一光电探测器15进行光电转换，，转换后的电信号由采集卡17进行数据采集。

进一步地，所述激光器1为分布反馈式半导体激光器DFB或可调谐光纤激光器。

工作原理：

激光器1发出的激光进入光纤耦合器2的输入端，经光电耦合器后分为两路，一路为探测光，另一路为参考光，其中，探测光经过受任意函数发生器4的控制的第一电光调制器3，被调制成脉冲光，脉冲光经掺饵光纤放大器5放大后进入第一环形器6的1端口，再由第一环形器6的2端口射出，进入待测光纤7，经过瑞利散射和布里渊散射，产生后向散射光，后向散射光返回，进入第一环形器6的2端口，再经第一环形器6的3端口射出，进入第二环形器12的1端口，再经第二环形器12的2端口射出，进入光纤光栅滤波器或可调谐滤波器13，经光纤光栅滤波器或可调谐滤波器13反射回的光进入第二环形器12的2端口后，经第二环形器12的3端口射出，进入第二光电探测器16，由于光电探测器二的带宽为100MHz，只能探测到瑞利散射信号，并将瑞利散射信号转换为电信号，输出到采集卡17，光纤光栅滤波器13透射的光进入四端口耦合器14；

参考光首先进入由微波源9和主控板10控制的第二电光调制器8，调制出上下一阶边带，再经扰偏器11，打乱其偏振态，进入四端口耦合器14；

探测光和参考光进入四端口耦合器14后，进行拍频，拍频光信号通过第一光电探测器15转化成电信号，提取出布里渊散射信号，通过采集卡17的二通道采集数据，并进行数据处理。

本实施方式的分布式光纤传感器可以同时采集瑞利散射数据和布里渊散射数据。采集的瑞利散射数据如图3所示，瑞利散射数据采集系统可监测光缆沿线的入侵振动，并给出准确的定位，同时进行报警区域视频的联动。从图3的3D俯视图中可以看出入侵者的轨迹。该传感器的最长传感距离为40km，空间定位精度为1m～20m，采样频率为1kHz～50kHz，采样分辨率为0.5m。

采集的布里渊散射数据如图4所示，通过控制微波源对参考光一阶边带进行扫频，分析不同频率下的被采集到的数据，并进行数据的拟合，就能得到光纤沿线的布里渊频移。当光纤某处的温度或者应力有变化时，其后向布里渊散射光将发生频移，频移量与光纤应变和温度呈线性关系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。该传感器的最长传感距离为60km，空间分辨率为1～20m，温度测量精度为±0.5℃，应变测量精度为±10με。

需要说明的是，图3和图4均是通过曲线的趋势来证实本方案的效果，图中细节处的数据与本技术方案的实质内容无关。

具体实施方式2：本实施方式在具体实施方式1的基础上进一步限定，所述光纤耦合器2和四端口耦合器14的耦合比均在95:5至80:20之间。

具体实施方式3：结合图2说明本实施方式，本实施方式的整体结构如图2所示，与具体实施方式1的区别之处在于，还包括位于第一环形器6与第二环形器12之间的放大器18，所述放大器18用于放大第一环形器6的3端口射出的光信号。

Claims (4)

1.一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，其特征在于，包括：激光器(1)、光纤耦合器(2)、第一电光调制器(3)、任意函数发生器(4)、掺饵光纤放大器(5)、第一环形器(6)、待测光纤(7)、第二电光调制器(8)、微波源或单边带调制器(9)、主控板(10)、扰偏器(11)、第二环形器(12)、光纤光栅滤波器或可调谐滤波器(13)、四端口耦合器(14)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)和采集卡(17)；

所述采集卡(17)包括一通道和二通道，所述第一光电探测器(15)连接采集卡(17)的一通道，所述第二光电探测器(16)连接采集卡(17)的二通道；

所述激光器(1)发出的激光进入光纤耦合器(2)的输入端，经光纤耦合器(2)后分为两路，一路为探测光，另一路为参考光，

所述探测光依次经过受任意函数发生器(4)控制的第一电光调制器(3)，掺饵光纤放大器(5)后，进入第一环形器(6)的1端口，再从第一环形器(6)的2端口射出，进入待测光纤(7)并返回，进入第一环形器(6)的2端口，再从第一环形器(6)的3端口射出，进入第二环形器(12)的1端口，再经第二环形器(12)的2端口射出，进入光纤光栅滤波器或可调谐滤波器(13)，光纤光栅滤波器或可调谐滤波器(13)的反射光从第二环形器(12)的2端口进入，从第二环形器(12)的3端口射出，进入第二光电探测器(16)进行光电转换，转换后的电信号由采集卡(17)进行数据采集，光纤光栅滤波器或可调谐滤波器(13)的透射光进入四端口耦合器(14)；

所述参考光首先进入由微波源(9)和主控板(10)控制的第二电光调制器(8)，再经扰偏器(11)，进入四端口耦合器(14)；

四端口耦合器(14)的出射光，进入第一光电探测器(15)进行光电转换，，转换后的电信号由采集卡(17)进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，其特征在于，所述激光器(1)为分布反馈式半导体激光器DFB或可调谐光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，其特征在于，所述光纤耦合器(2)和四端口耦合器(14)的耦合比均在95:5至80:20之间。

4.根据权利要求1所述的一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器，其特征在于，还包括位于第一环形器(6)与第二环形器(12)之间的放大器(18)，所述放大器(18)用于放大第一环形器(6)的3端口射出的光信号。