CN110082000A - 多参量分布式智能光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多参量分布式智能光纤传感系统，包括用于通过一根光纤采集温度、振动、应力物理量的传感组件、用于分析传感组件获取的物理量的分析组件和用于将采集的物理量信息输出的数据存储及通信组件。本发明在一根光纤上实现温度、应力及振动多参量的分布式传感，节省成本的同时，使得多参量判断外部事件时，系统预警报错、漏报的几率降低。本发明应用智能监控结构，使得整个系统能够实现无人值守的同时，也能实现精确、实时、可调、便携的外部事件信息获取。
Description
技术领域
本发明涉及分布式检测技术领域，具体地指一种多参量分布式智能光纤传感系统。
背景技术
当光纤受到外界环境(如温度、应力、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。
传统的传感器大多是电量型的，测量范围小、并网困难，而且点式传感器在测量大范围、长距离时，维护成本较高。相比之下，光纤传感器的传感器是光纤，光纤本身结构稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、价格低廉，此外光纤的覆盖面广，可以对大范围，空间分布广的系统做测量。因此20世纪70年代末以来，分布式光纤传感得到了广泛的发展，出现了基于光时域反射技术(OTDR)、拉曼光时域反射技术(ROTDR)、布里渊光时域反射技术(BOTDR)、相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)等。目前基于温度测量拉曼光时域反射技术(ROTDR)已较为成熟。其中，拉曼光时域反射(ROTDR)技术是向光纤中注入脉冲光，光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。
振动传感发展不如温度传感成熟，传统测量中，温度传感和振动传感是通过不同的光纤进行分开测量的，这种分开测量方式成本高，且参数测量较为单一，在用多参量判断外部事件时，系统预警报错、漏报的几率高。
传统的分布式光纤传感系统基本上是在传感设备的周围实现检测信号的获取及监控，这样便需要进行人工值守监测任何可疑的事件，人力物力便是一大损失，因此当前迫切需要智能监控系统，实现无人值守的同时，也能实现精确、实时、可调、便携的外部事件信息获取。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多参量分布式智能光纤传感系统，利用瑞利散射中的相位光时域反射技术(Φ-OTDR)实现应力及振动的解调，拉曼散射中的拉曼光时域反射技术(ROTDR)实现温度的获取，利用网关及移动终端等技术实现系统的智能监控，各个技术共同协作实现分布式温度、振动、应力的多参量传感及智能监控。
为实现上述目的，本发明所设计的多参量分布式智能光纤传感系统，其特殊之处在于，所述系统包括用于通过一根光纤采集温度、振动、应力物理量的传感组件、用于分析传感组件获取的物理量的分析组件和用于将采集的物理量信息输出的数据存储及通信组件；
所述传感组件包括用于发射窄线宽连续光的可调谐激光器、用于衰减降噪激光束的可变光衰减器、用于增强相干光的功率的掺铒光纤放大器、用于脉冲调节的脉冲调制器、用于偏振控制的偏振控制器、第一环形器和传感光纤，所述第一环形器的输出端与分析组件的输入端相对；
所述分析组件包括第二环形器，所述第二环形器的输入端与第一环形器的输出端相对，输出端分别与拉曼散射光路和瑞利散射光路的输入端相对，所述拉曼散射光路和瑞利散射光路的输出端均与解调装置的输入端连接；
所述数据存储及通信组件包括数据处理服务器，数据处理服务器的输入端与解调装置的输出端电连接，对解调装置输出端的数据进行存储并通过网关传输至互联网。
进一步地，所述拉曼散射光路包括布拉格光纤光栅、拉曼散射耦合器、两个雪崩光电二极管，由第二环形器的第一输出端进入布拉格光纤光栅的拉曼散射光经过拉曼散射耦合器一分为二分别经过第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管，与解调装置输入端连接。
更进一步地，所述瑞利散射光路包括瑞利散射耦合器、两个反射镜，由第二环形器的第二输出端进入瑞利散射耦合器的瑞利散射光一分为二分别经过非等长光纤传输被第一反射镜、第二反射镜反射形成自干涉结构，干涉光依次返回到瑞利散射耦合器、第二环形器，再由第二环形器的第三输出端进入解调装置。
更进一步地，所述数据存储及通信组件还包括应用服务器、移动终端和固定终端，所述应用服务器通过互联网获取数据处理服务器存储的物理量信息数据，并对所获取的数据进行实施监控，当物理量信号超过阈值时向移动终端和固定终端发送预警信息。
更进一步地，所述数据处理服务器的输出端与编码脉冲调制器的控制端连接，实时调节编码脉冲调制器的脉宽，控制光纤空间分辨率，实现精准定位，所述脉宽对应的空间分辨率的值相同。
更进一步地，所述数据处理服务器的输出端与可调谐激光器的控制端连接，实时调节激光源属性。
更进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜与瑞利散射耦合器的传感光纤的长度不同，其差值形成自干涉结构，配合内调制光源实现振动信号的解调。
更进一步地，所述第一环形器与第二环形器形成双环形结构，实现信号的分流传感，减少信号强度的损失。
更进一步地，所述第二环形器的四个端口分别用于传感信号输入、拉曼散射温度解调、瑞利散射应力/振动解调、信号输出，形成一环从而实现温度、振动、应力多参量信号的传输及解调。
更进一步地，所述移动终端和固定终端通过互联网连接应用服务器，向数据处理服务器发送调节编码脉冲调制器的脉宽、激光源属性的控制指令。
通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明在一根光纤上实现温度、应力及振动多参量的分布式传感，节省成本的同时，使得多参量判断外部事件时，系统预警报错、漏报的几率降低。
(2)本发明的多参量分布式智能光纤传感系统，数据处理器的输出端与编码脉冲调制器以及调制激光源相连，解调后的温度、应力及振动信息由终端接收，然后终端可远程调控数据服务器(途经应用服务器、网关)，根据具体所检测的物理量，一方面反馈给编码脉冲调制器后，可实时调节脉宽，控制光纤空间分辨率，最终可以实现精准定位。另一方面反馈给激光源，可实时调节内调制激光属性，包括载波、光强等，实现振动信号的具体信息的精确获取，包括幅值、频率等，同理亦可实现应力信号的应力值获取。
(3)本发明的分析组件，具有双环形器结构，实现信号的分流，相比耦合器而言，其信号功率得以保留，减少放大器的投入，减少信号放大的噪声干扰，有利于信号的解调及传输。
(4)本发明的分析组件，自干涉结构使得通过传感臂的光信号延迟与通过参考臂的光信号先后经由第一反射镜、第二反射镜反射回瑞利散射耦合器，并在瑞利散射耦合器发生干涉，如果光纤上有振动或应力产生，那么传感光纤上相应位置会发生一些物理变化，如光纤折射率，长度等，当相干光光源，利用自干涉技术，当传感光纤受到振动的影响时，在干涉仪输出的干涉信号会发生变化，以此来准确检测振动信息；且延迟光纤的长度与所述脉宽对应的空间分辨率的值相同，从而能够消除不必要的信号干扰。
(5)本发明在一根光纤上实现温度、应力及振动多参量的分布式传感，节省成本的同时，并应用智能监控结构，使得整个系统能够实现无人值守的同时，也能实现精确、实时、可调、便携的外部事件信息获取。
附图说明
图1为本发明多参量分布式智能光纤传感系统的结构示意图；
其中：1-激光器、2-可变光衰减器、3-掺铒光纤放大器、4-编码脉冲调制器、5-偏振控制器、6-第一环形器、7-传感光纤、8-第二环行器、9-布拉格光纤光栅、10-拉曼散射耦合器、11-第一雪崩光电二极管、12-第二雪崩光电二极管、13-瑞利散射耦合器、14-第一反射镜、15-第二反射镜、16-解调装置、17-数据处理服务器、18-网关、19-应用服务器、20-移动终端、21-固定终端。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明所提出的多参量分布式智能光纤传感系统，包括传感组件、分析组件和数据存储及通信组件。
传感组件通过一根光纤采集温度、振动、应力物理量，具体包括用于发射窄线宽连续光的可调谐激光器1、用于衰减降噪激光束的可变光衰减器2、用于增强相干光的功率的掺铒光纤放大器3、用于脉冲调节的脉冲调制器4、用于偏振控制的偏振控制器5、第一环形器6和传感光纤7。可调谐激光器1，优选为COTS的DBF光源，优选波长为1549nm。第一环形器6的输出端与分析组件的输入端相对。
从可调谐激光器1输出的光源经过可变光衰减器2进行衰减降噪、随后衰减连续光进入掺铒光纤放大器3的放大，增强相干光的功率，随后相干光进入编码脉冲调制器4进行默认的脉冲调节，使得相干激光束成为一段一段的脉冲光，脉冲光经过偏振控制器5的偏振控制，用于消除偏振光的干扰，保证调制后的脉冲光的单一性，减小噪声，相对干净的脉冲光随后进入第一环行器6和传感光纤7，光在光纤中传播会受到外界的因素的影响，此时光的相关物理量会发生变化，利用这一变化可以测出相应的参量，传感组件将携带相应物理量信息的光再次进入第一环形器6中，从最后一个端口射出进入第二环形器8中，此时的双环形结构，实现传感信号分流传输，相比利用耦合器而言，实现信号的有效保留，减少至少50％信号的强度损失，也便于事件信号的解调获取。
分析组件用于分析传感组件获取的物理量，具体包括第二环形器8、布拉格光纤光栅9、拉曼散射耦合器10，第二环形器8的输入端与第一环形器6的输出端相对，输出端分别与拉曼散射光路和瑞利散射光路的输入端相对，拉曼散射光路和瑞利散射光路的输出端均与解调装置16的输入端连接。
拉曼散射光路包括布拉格光纤光栅9、拉曼散射耦合器10、两个雪崩光电二极管，由第二环形器8的第一输出端进入布拉格光纤光栅9的拉曼散射光经过拉曼散射耦合器10一分为二分别经过第一雪崩光电二极管11、第二雪崩光电二极管12，与解调装置16输入端连接。
布拉格光纤光栅9的长度为L，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，n为光纤折射率)。不断返回来的瑞利散射光和拉曼散射光在相位上分别在一个周期T的Δt时刻发生变化，事件发生位置L可由L＝cΔt/2n得知，其中c＝3*10c＝3*108m/s近似真空中的光速，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。
瑞利散射光路包括瑞利散射耦合器13、两个反射镜，由第二环形器8的第二输出端进入瑞利散射耦合器13的瑞利散射光一分为二分别经过非等长光纤传输被第一反射镜14、第二反射镜15反射形成自干涉结构，干涉光依次返回到瑞利散射耦合器13、第二环形器8，再由第二环形器8的第三输出端进入解调装置16。第一反射镜14、第二反射镜15与瑞利散射耦合器13的传感光纤的长度不同，其差值形成自干涉结构，配合内调制光源实现振动信号的解调。第二环形器8的四个端口分别用于传感信号输入、拉曼散射温度解调、瑞利散射应力/振动解调、信号输出，实现温度、振动、应力多参量信号的传输及解调。
第二环形器8首先将传入的传感信号传输进入布拉格光纤光栅9内，此时传感信号中的瑞利散射光信号被反射回来，剩余拉曼散射光则直接经过光纤光栅进入耦合器10，该耦合器为50:50，随后分流传感光进入第一雪崩光电二极管11和第二雪崩光电二极管12最后聚集在解调装置16中，此时通过拉曼散射光时域反射技术得以施展。
第二环形器8然后将反射回来的瑞利散射光信号传入至耦合器13中。作为优选，该耦合器为50:50，随后分流传感光进入自干涉结构，最后经过光纤法拉第旋转器第一反射镜14、第二反射镜15的反射及非等长光纤，产生干涉光，最后由第二环形器8射出并聚集在解调装置16中，此时通过相位光时域反射技术得以施展。
非等长光纤的长度差与空间分辨率(脉宽)的值相同，从而能够消除不必要的信号干扰。射出的脉冲光射入传感光纤时，如果光纤上有振动产生，那么传感光纤上相应位置会发生一些物理变化，如光纤折射率，长度等，当相干光光源，利用自干涉技术，当传感光纤受到振动的影响时，在干涉仪输出的干涉信号会发生变化，通过内调制光源与相位载波技术的配合可以将其完全解调出来，利用相位敏感光时域反射技术，可以实时定位振动及应力发生的地方，因此自干涉技术可以对振动进行全分布实时监测，可以实现500Hz～2000Hz的振动信号的准确获取，应力方面获取100～500ε(0Hz的振动的幅值)的获取。
解调装置16将数据聚集后进入数据处理服务器17中，经过算法解调实现外界物理量具体信息的获取，此时获取的信息将得到存储及传输，此时整个信号还在一个局域网内，其分析数据经由网关18协议转换，将局域网内数据成功传输至Intel网，并经过站外部署的应用服务器19接收数据，最后数据经由处理，实时的反馈至其终端，包括移动终端20及固定终端21，实现对可疑信号的实时获取，体现其时效性。
数据处理服务器17实现振动监测，利用基于PGC(相位生成载波)解调算法，配合内调制激光发射器所生成不同相位的载波(载波频率f0>＝20000Hz)，共同实现振动信号的解调，500Hz～2000Hz。数据处理服务器17实现应力监测依托振动监测相关算法进行解调，将应力等价于0Hz的振动，该振动的幅值及应力值，应力主要指标在于其灵敏度，具体单位视测试对象而定，通过单位转换使得灵敏度达到0.1με。数据处理服务器17实现温度监测依托拉曼散射技术进行信号解调，主要指标在于其灵敏度，温度灵敏度可达到0.5℃。
数据存储及通信组件用于将采集的物理量信息输出，具体包括数据处理服务器17、网关18、应用服务器19、移动终端20和固定终端21。数据处理服务器17的输入端与解调装置16的输出端电连接，对解调装置16输出的光数字信号进行分析及存储，此时整个信号还在一个局域网内，其分析数据经由网关18协议转换传输至互联网，将局域网内数据成功传输至Intel网，并经过站外部署的应用服务器19接收数据，最后数据经由处理，实时的反馈至其终端，包括移动终端20以及固定终端21，实现对可疑信号的实时获取，体现其时效性。应用服务器19通过互联网获取数据处理服务器17存储的物理量信息数据，并对所获取的数据进行实施监控，当物理量信号超过阈值时向移动终端20和固定终端21发送预警信息。
移动终端20和固定终端21通过互联网连接应用服务器9，向数据处理服务器17发送调节编码脉冲调制器4的脉宽、激光源属性的控制指令。数据处理服务器17的输出端与编码脉冲调制器4的控制端连接，实时调节编码脉冲调制器4的脉宽，控制光纤空间分辨率，实现精准定位，脉宽对应的空间分辨率的值相同。数据处理服务器17的输出端还与可调谐激光器1的控制端连接，实时调节激光源属性。
一旦应用服务器19发现信号有波动时，将实时预警信息发送于终端(包括移动终端20和固定终端21)，终端也将接收到预警信息时，如需更加专一确定该可疑事件，此时可通过终端调度，从而远程反馈调节数据处理服务器来更改脉宽及激光源属性，体现其可调性，此时当终端为移动终端20时，智能的便携性便体现出来。
通过调节编码脉冲调制器4实现不同脉宽W及频率f的调制：不同脉宽W决定着系统的空间分辨率δL，其间的关系为δL＝cW/2n，其中C为光在光纤中传播的速度，n为光纤折射率，不同的频率决定着探测范围L＝c/2nf，因此可以通过不同的应用需求来实时调控不同的脉冲参数，从而在应用性上更加灵活。选择脉冲的重复率(f)为20000Hz，脉冲宽度(W)为100ns的脉冲，20000Hz的重复频率(f)决定系统的5公里监测范围，100ns的脉冲宽度(W)决定了系统的空间分辨率为10m，可以实现500Hz～2000Hz的振动信号的准确获取，以及0.5℃的温度分辨率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述系统包括用于通过一根光纤采集温度、振动、应力物理量的传感组件、用于分析传感组件获取的物理量的分析组件和用于将采集的物理量信息输出的数据存储及通信组件；
所述传感组件包括用于发射窄线宽连续光的可调谐激光器(1)、用于衰减降噪激光束的可变光衰减器(2)、用于增强相干光的功率的掺铒光纤放大器(3)、用于脉冲调节的脉冲调制器(4)、用于偏振控制的偏振控制器(5)、第一环形器(6)和传感光纤(7)，所述第一环形器(6)的输出端与分析组件的输入端相对；
所述分析组件包括第二环形器(8)，所述第二环形器(8)的输入端与第一环形器(6)的输出端相对，输出端分别与拉曼散射光路和瑞利散射光路的输入端相对，所述拉曼散射光路和瑞利散射光路的输出端均与解调装置(16)的输入端连接；
所述数据存储及通信组件包括数据处理服务器(17)，数据处理服务器(17)的输入端与解调装置(16)的输出端电连接，对解调装置(16)输出端的数据进行存储并通过网关(18)传输至互联网。
2.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述拉曼散射光路包括布拉格光纤光栅(9)、拉曼散射耦合器(10)、两个雪崩光电二极管，由第二环形器(8)的第一输出端进入布拉格光纤光栅(9)的拉曼散射光经过拉曼散射耦合器(10)一分为二分别经过第一雪崩光电二极管(11)、第二雪崩光电二极管(12)，与解调装置(16)输入端连接。
3.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述瑞利散射光路包括瑞利散射耦合器(13)、两个反射镜，由第二环形器(8)的第二输出端进入瑞利散射耦合器(13)的瑞利散射光一分为二分别经过非等长光纤传输被第一反射镜(14)、第二反射镜(15)反射形成自干涉结构，干涉光依次返回到瑞利散射耦合器(13)、第二环形器(8)，再由第二环形器(8)的第三输出端进入解调装置(16)。
4.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述数据存储及通信组件还包括应用服务器(19)、移动终端(20)和固定终端(21)，所述应用服务器(19)通过互联网获取数据处理服务器(17)存储的物理量信息数据，并对所获取的数据进行实施监控，当物理量信号超过阈值时向移动终端(20)和固定终端(21)发送预警信息。
5.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述数据处理服务器(17)的输出端与编码脉冲调制器(5)的控制端连接，实时调节编码脉冲调制器(5)的脉宽，控制光纤空间分辨率，实现精准定位，所述脉宽对应的空间分辨率的值相同。
6.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述数据处理服务器(17)的输出端与可调谐激光器(1)的控制端连接，实时调节激光源属性。
7.根据权利要求6所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述第一反射镜(14)、第二反射镜(15)与瑞利散射耦合器(13)的传感光纤的长度不同，其差值形成自干涉结构，配合内调制光源实现振动信号的解调。
8.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述第一环形器(6)与第二环形器(8)形成双环形结构，实现信号的分流传感，减少信号强度的损失。
9.根据权利要求1所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述第二环形器(8)的四个端口分别用于传感信号输入、拉曼散射温度解调、瑞利散射应力/振动解调、信号输出，形成一环从而实现温度、振动、应力多参量信号的传输及解调。
10.根据权利要求4所述的多参量分布式智能光纤传感系统，其特征在于：所述移动终端(20)和固定终端(21)通过互联网连接应用服务器(9)，向数据处理服务器(17)发送调节编码脉冲调制器(5)的脉宽、激光源属性的控制指令。
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