CN107560644A - 一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，设有激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光脉冲调制器、光纤环形器、光接口、平衡光电探测器、低噪声放大器、功分器、第一滤波器、第二滤波器、频率合成器、混频器、低通滤波器、数据采集与处理模块以及计算机，考虑了瑞利散射信号和布里渊散射信号同时产生的特点，利用平衡光电探测器将探测光脉冲在被测光纤中产生的瑞利散射信号和布里渊散射信号同时转换成相应频率或频段的射频信号，再利用功分器和带通滤波器分离瑞利散射信号和布里渊散射信号，分离出来的瑞利散射信号和布里渊散射信号接入数据采集与处理模块，实现对被测光纤的衰减、振动、温度和应变信息的监测和显示。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置。
背景技术
由于光纤可兼作通信和传感的介质，它的无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等特点决定了它在全球能源互联网发展中具有巨大潜力。成熟的光纤传感技术和设备已经在电力行业有一定的应用，如拉曼光时域反射仪用于变压器温度监测、布里渊光时域反射仪用于海底电缆温度/应力监测、布里渊光时域分析仪用于输电线路覆冰监测、光纤光栅在开关柜温度监测中的应用等，而在智能变电站建设中全光纤电压互感器和电流互感器业已成为推进变电站智能化的必要设备。当前，制约光纤传感及量测控制技术的主要因素在于传感系统的总体性能无法满足电网监测实际对多参量、广域化传感的需求。目前，商用的光纤传感装置感知的物理参量比较单一，无法做到对温度、应力、舞动、振动、线路故障等状态参量的综合感知和分析，无法满足电力系统对多种状态参量感知的需求。因此，研发面向电网监测客观需求，研发多参量同时感知与量测的光纤传感装置势在必行。
针对上述问题，申请号为201310326124.4的发明专利公开了一种多参量同时测量的光纤传感方法，先从一个由多参量同时作用的光纤传感器采集得到一路观测数据，然后通过延迟一定采样点的方法得到多路观测数据，接着对得到的多路观测信号进行预处理包括中心化和白化后利用传统的盲信号分离技术，从观测信号中分离出多个参量，再对分离出的多个参量做相应的信号处理，得到参量的有效信息。但该发明专利更多地依赖于数字技术，对数字处理部分的要求极高，实现难度非常大。
另外，201310184971.1提供一种多参量分布式光纤传感装置，该装置将布里渊光时域分析技术所用的泵浦光源和光时域反射技术所需的探测光源通过耦合器耦合进入被测光纤。这两个激光光源工作在不同的波长范围，相应地，布里渊光时域分析信号和光时域反射信号被波分复用器分离出来，接着分离出来的光信号分别进入光电探测器，再通过模数转换模块、信号处理模块和显示模块分别进行采集、运算、处理和显示，从而最终实现对温度和/或应力的分布式测量、光纤表征和故障定位。但是该装置仅仅是在分布式光纤传感硬件架构的基础上融合多参量传感功能所需的器件，还未涉及到光纤中瑞利散射信号、布里渊散射信号的复用共存的特点，不是同时感知与解调，系统功能实现相对复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，设有激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光脉冲调制器、光纤环形器、光接口、平衡光电探测器、低噪声放大器、功分器、第一滤波器、第二滤波器、频率合成器、混频器、低通滤波器、数据采集与处理模块以及计算机，最终基于信号复用感知与解调实现了被测光纤的衰减、振动、温度和应变等的监测和显示。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，包括激光器(1)、第一光纤耦合器(201)、第二光纤耦合器(202)、光脉冲调制器(3)、光纤环形器(4)、光接口(5)、平衡光电探测器(6)、低噪声放大器(7)、功分器(8)、第一滤波器(901)、第二滤波器(902)、频率合成器(10)、混频器(11)、低通滤波器(12)、数据采集与处理模块(13)以及计算机(14)；
所述激光器(1)的输出端连接所述第一光纤耦合器(201)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第一输出端连接所述光脉冲调制器(3)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第二输出端连接所述第二光纤耦合器(202)的第一输入端；所述光脉冲调制器(3)的输出端接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口通过所述光接口(5)连接被测光纤，所述光纤环形器(4)的第三端口连接所述第二光纤耦合器(202)的第二输入端；所述第二光纤耦合器(202)的输出端连接所述平衡光电探测器(6)的输入端，所述平衡光电探测器(6)通过所述低噪声放大器(7)连接所述功分器(8)，所述功分器(8)的第一输出端通过所述第一滤波器(901)连接所述数据采集与处理模块(13)的第一通道，所述功分器(8)的第二输出端通过所述第二滤波器(902)连接所述混频器(11)的信号输入端，所述频率合成器(10)的输出端连接所述混频器(11)的本地振荡输入端，所述混频器(11)的输出端通过所述低通滤波器(12)连接所述数据采集与处理模块(13)的第二通道，所述数据采集与处理模块(13)的输出端连接计算机(14)。
所述激光器(1)发出的激光经所述第一光纤耦合器(201)分成两路，其中一路激光经所述光脉冲调制器(3)调制成光脉冲，另一路激光接入所述第二光纤耦合器(202)。
所述光脉冲接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口输出光脉冲，所述光脉冲经所述光接口(5)注入被测光纤。
所述光脉冲在被测光纤中的背向散射光经所述光接口(5)进入所述光纤环形器(4)的第二端口，再经过所述光纤环形器(4)的第三端口接入所述第二光纤耦合器(202)。
所述第二光纤耦合器(202)使接入的激光和背向散射光相干产生包络信息，并将包络信息输出给平衡光电探测器(6)；
所述平衡光电探测器(6)将包络信息转换为射频信号，并将射频信号通过低噪声放大器(7)放大后接入功分器(8)。
所述功分器(8)将输入其中的射频信号分成两路，其中一路射频信号通过所述第一滤波器(901)滤波后得到瑞利散射信号，所述瑞利散射信号接入所述数据采集与处理模块(13)的第一通道；另一路射频信号通过所述第二滤波器(902)滤波后得到布里渊散射信号，所述布里渊散射信号接入所述混频器(11)的信号输入端。
所述频率合成器(10)输出的本地振荡信号接入所述混频器(11)的本地振荡输入端，所述混频器(11)将布里渊散射信号和本地振荡信号进行混频，得到基带信号，所述基带信号通过所述低通滤波器(12)滤波后，接入所述数据采集与处理模块(13)的第二通道。
所述数据采集与处理模块(13)提取第一通道采集的瑞利散射信号的时域功率信息，得到被测光纤的衰减信息，并对提取的时域功率信息进行傅里叶变换，得到被测光纤的振动信息；所述数据采集与处理模块(13)提取第二通道采集的布里渊信号的时域、频域和功率信息，同时对被测光纤各位置对应的布里渊频点进行拟合，得到布里渊频谱的中心频率。
所述数据采集与处理模块(13)将被测光纤的衰减信息、振动信息以及布里渊频谱的中心频率输出给所述计算机(14)，所述计算机(14)对所述数据采集与处理模块(13)进行控制，并显示被测光纤的衰减信息、振动信息、温度信息和应变信息。
所述数据采集与处理模块(13)产生电脉冲，所述电脉冲驱动所述光脉冲调制器(3)将激光调制成光脉冲。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置设有激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光脉冲调制器、光纤环形器、光接口、平衡光电探测器、低噪声放大器、功分器、第一滤波器、第二滤波器、频率合成器、混频器、低通滤波器、数据采集与处理模块以及计算机，最终基于信号复用感知与解调实现了被测光纤的衰减、振动、温度和应变等的监测和显示；
本发明提供的技术方案充分考虑了光纤中的瑞利散射信号和布里渊散射信号同时产生的特点，利用平衡光电探测器将探测光脉冲在被测光纤中产生的瑞利散射信号和布里渊散射信号同时转换成相应频率或频段的射频信号，再利用功分器和带通滤波器分离瑞利散射信号和布里渊散射信号，分离出来的瑞利散射信号和布里渊散射信号分别接入数据采集与处理模块，最终实现对被测光纤的衰减、振动、温度和应变等的监测和显示；
本发明提供的技术方案将信号的模拟变化、分离技术与双通道数字信号处理技术相结合，信号提取与处理效率高，实用性更好，便于装置的商用化开发。
附图说明
图1为本发明实施例中基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置结构图；
图2为本发明实施例中瑞利散射功率提取结果示意图。
图3为本发明实施例中用于振动频率测量的瑞利散射数据存放与某具体位置对应的数据提取示意图；
图4为本发明实施例中分布式振动频率测量结果示意图。
图5为本发明实施例中逐频点扫描测量布里渊频谱示意图。
图6为本发明实施例中提取到的布里渊频谱的中心频率示意图；
图中，1-激光器，201-第一光纤耦合器，202-第二光纤耦合器，3-光脉冲调制器，4-光纤环形器，5-光接口，6-平衡光电探测器，7-低噪声放大器，8-功分器，901-第一滤波器，902-第二滤波器，10-频率合成器，11-混频器，12-低通滤波器，13-数据采集与处理模块，14-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，具体结构图如图1，该装置包括激光器1、第一光纤耦合器201、第二光纤耦合器202、光脉冲调制器3、光纤环形器4、光接口5、平衡光电探测器6、低噪声放大器7、功分器8、第一滤波器901、第二滤波器902、频率合成器10、混频器11、低通滤波器12、数据采集与处理模块13以及计算机14，上述器件的连接关系具体如下：
激光器1的输出端连接第一光纤耦合器201的输入端，第一光纤耦合器201的第一输出端连接光脉冲调制器3的输入端，第一光纤耦合器201的第二输出端连接第二光纤耦合器202的第一输入端；光脉冲调制器3的输出端接入光纤环形器4的第一端口，光纤环形器4的第二端口通过光接口5连接被测光纤，光纤环形器4的第三端口连接第二光纤耦合器202的第二输入端；第二光纤耦合器202的输出端连接平衡光电探测器6的输入端，平衡光电探测器6通过低噪声放大器7连接功分器8，功分器8的第一输出端通过第一滤波器901连接数据采集与处理模块13的第一通道，功分器8的第二输出端通过第二滤波器902连接混频器11的信号输入端，频率合成器10的输出端连接混频器11的本地振荡输入端，混频器11的输出端通过低通滤波器12连接数据采集与处理模块13的第二通道，数据采集与处理模块13的输出端连接计算机14。
其中的第一光纤耦合器201采用1×2的光纤耦合器，第二光纤耦合器202采用2×2的3dB光纤耦合器，光脉冲调制器3采用声光调制器，功分器8采用1×2的3dB功分器，平衡光电探测器6的带宽大于12GHz，低噪声放大器7的增益带宽大于12GHz。
激光器1发出的激光经第一光纤耦合器201分成两路，其中一路激光经光脉冲调制器3调制成光脉冲(具体是数据采集与处理模块13产生电脉冲，电脉冲驱动光脉冲调制器3将激光调制成光脉冲)，另一路激光接入第二光纤耦合器202；光脉冲接入光纤环形器4的第一端口，光纤环形器4的第二端口输出光脉冲，光脉冲经光接口5注入被测光纤；光脉冲在被测光纤中的背向散射光经光接口5进入光纤环形器4的第二端口，再经过光纤环形器4的第三端口接入第二光纤耦合器202；第二光纤耦合器202使接入的激光和背向散射光相干产生包络信息，并将包络信息输出给平衡光电探测器6；平衡光电探测器6将包络信息转换为射频信号，并将射频信号通过低噪声放大器7放大后接入功分器8；由于第一滤波器901对应瑞利散射信号频带，即200MHz载波频带，第二滤波器902对应布里渊散射信号频带，即10.8GHz左右的载波频带；所以功分器8将输入其中的射频信号分成两路，其中一路射频信号通过第一滤波器901滤波后得到瑞利散射信号，瑞利散射信号接入数据采集与处理模块13的第一通道；另一路射频信号通过第二滤波器902滤波后得到布里渊散射信号，布里渊散射信号接入混频器11的信号输入端。
频率合成器10输出的本地振荡信号接入混频器11的本地振荡输入端，混频器11将布里渊散射信号和本地振荡信号进行混频，得到基带信号，基带信号通过低通滤波器12滤波后，接入数据采集与处理模块13的第二通道。
数据采集与处理模块13提取第一通道采集的瑞利散射信号的时域功率信息，得到被测光纤的衰减信息，如图2所示；数据采集与处理模块13对第一通道采集到的数据进行各个位置点的振动频率提取时，先保存200条关于光纤沿线各个位置与散射功率的数据，再对光纤沿线各个位置对应的200个功率值进行快速傅里叶变换，如图3所示，得到被测光纤沿线各个位置的振动信息，如图4所示；数据采集与处理模块13提取对应频率合成器10扫频频点即布里渊信号的时域、频域和功率信息如图5所示，同时对被测光纤各位置对应的布里渊频点进行拟合，得到布里渊频谱的中心频率，如图6所示，从而与作为对照的布里渊频谱的中心频率作差，最终反映被测光纤的温度信息和应变信息。
数据采集与处理模块13将被测光纤的衰减信息、振动信息以及布里渊频谱的中心频率输出给计算机14，计算机14对数据采集与处理模块13进行控制，确保数据采集与处理模块13的信号发送、接收、处理和传输正常运行，同时计算机14显示被测光纤的衰减信息、振动信息、温度信息和应变信息。
本发明实施例提供的技术方案充分考虑了光纤中的瑞利散射信号和布里渊散射信号同时产生的特点，利用平衡光电探测器将探测光脉冲在被测光纤中产生的瑞利散射信号和布里渊散射信号同时转换成相应频率或频段的射频信号，再利用功分器和带通滤波器分离瑞利散射信号和布里渊散射信号，分离出来的瑞利散射信号和布里渊散射信号分别接入数据采集与处理模块，最终实现对被测光纤的衰减、振动、温度和应变等的监测和显示；且本发明实施例将信号的模拟变化、分离技术与双通道数字信号处理技术相结合，信号提取与处理效率高，实用性更好，便于装置的商用化开发。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，包括激光器(1)、第一光纤耦合器(201)、第二光纤耦合器(202)、光脉冲调制器(3)、光纤环形器(4)、光接口(5)、平衡光电探测器(6)、低噪声放大器(7)、功分器(8)、第一滤波器(901)、第二滤波器(902)、频率合成器(10)、混频器(11)、低通滤波器(12)、数据采集与处理模块(13)以及计算机(14)；
所述激光器(1)的输出端连接所述第一光纤耦合器(201)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第一输出端连接所述光脉冲调制器(3)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第二输出端连接所述第二光纤耦合器(202)的第一输入端；所述光脉冲调制器(3)的输出端接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口通过所述光接口(5)连接被测光纤，所述光纤环形器(4)的第三端口连接所述第二光纤耦合器(202)的第二输入端；所述第二光纤耦合器(202)的输出端连接所述平衡光电探测器(6)的输入端，所述平衡光电探测器(6)通过所述低噪声放大器(7)连接所述功分器(8)，所述功分器(8)的第一输出端通过所述第一滤波器(901)连接所述数据采集与处理模块(13)的第一通道，所述功分器(8)的第二输出端通过所述第二滤波器(902)连接所述混频器(11)的信号输入端，所述频率合成器(10)的输出端连接所述混频器(11)的本地振荡输入端，所述混频器(11)的输出端通过所述低通滤波器(12)连接所述数据采集与处理模块(13)的第二通道，所述数据采集与处理模块(13)的输出端连接计算机(14)。
2.根据权利要求1所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光经所述第一光纤耦合器(201)分成两路，其中一路激光经所述光脉冲调制器(3)调制成光脉冲，另一路激光接入所述第二光纤耦合器(202)。
3.根据权利要求2所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述光脉冲接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口输出光脉冲，所述光脉冲经所述光接口(5)注入被测光纤。
4.根据权利要求3所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述光脉冲在被测光纤中的背向散射光经所述光接口(5)进入所述光纤环形器(4)的第二端口，再经过所述光纤环形器(4)的第三端口接入所述第二光纤耦合器(202)。
5.根据权利要求4所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤耦合器(202)使接入的激光和背向散射光相干产生包络信息，并将包络信息输出给平衡光电探测器(6)；
所述平衡光电探测器(6)将包络信息转换为射频信号，并将射频信号通过低噪声放大器(7)放大后接入功分器(8)。
6.根据权利要求5所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述功分器(8)将输入其中的射频信号分成两路，其中一路射频信号通过所述第一滤波器(901)滤波后得到瑞利散射信号，所述瑞利散射信号接入所述数据采集与处理模块(13)的第一通道；另一路射频信号通过所述第二滤波器(902)滤波后得到布里渊散射信号，所述布里渊散射信号接入所述混频器(11)的信号输入端。
7.根据权利要求1所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述频率合成器(10)输出的本地振荡信号接入所述混频器(11)的本地振荡输入端，所述混频器(11)将布里渊散射信号和本地振荡信号进行混频，得到基带信号，所述基带信号通过所述低通滤波器(12)滤波后，接入所述数据采集与处理模块(13)的第二通道。
8.根据权利要求1所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述数据采集与处理模块(13)提取第一通道采集的瑞利散射信号的时域功率信息，得到被测光纤的衰减信息，并对提取的时域功率信息进行傅里叶变换，得到被测光纤的振动信息；所述数据采集与处理模块(13)提取第二通道采集的布里渊信号的时域、频域和功率信息，同时对被测光纤各位置对应的布里渊频点进行拟合，得到布里渊频谱的中心频率。
9.根据权利要求8所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述数据采集与处理模块(13)将被测光纤的衰减信息、振动信息以及布里渊频谱的中心频率输出给所述计算机(14)，所述计算机(14)对所述数据采集与处理模块(13)进行控制，并显示被测光纤的衰减信息、振动信息、温度信息和应变信息。
10.根据权利要求1所述的基于信号复用感知与解调的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述数据采集与处理模块(13)产生电脉冲，所述电脉冲驱动所述光脉冲调制器(3)将激光调制成光脉冲。
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