CN110199182B - 用于定位沿着波导的被测量异常的装置和方法 - Google Patents

用于定位沿着波导的被测量异常的装置和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于定位沿着光波导的被测量异常(例如热点)的装置，包括：光波导，被配置为沿着波导传输光的光源以及沿着波导设置的多个传感器。该装置还包括：检测器，其被配置为监测传感器反射的光；以及控制系统，其被配置为致使以下步骤被执行：使用光源沿着光波导传输光；监测由传感器反射的光，以便获得表示传感器中的每个传感器经历的被测量的测量光谱；检测测量光谱中的异常信号，其具有特征波长并且源自多个传感器中的异常传感器，异常传感器经历被测量异常；并且至少定位包括异常传感器的组。

Description

用于定位沿着波导的被测量异常的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于定位沿着波导的被测量异常的方法和装置。一个示例涉及使用光纤布拉格光栅(FBG)来检测和定位来自飞机引气管道的气体泄漏。
背景技术
在许多行业中，期望监测被测量并定位在沿着装置的不同位置处这些被测量中的任何异常，诸如超出或低于正常操作范围的温度。一个这样的示例是航空航天工业。现代飞机经常利用发动机“引气”以用于诸如运行空调、防止飞行表面积冰和防止电子装置在高海拔飞行时变得太冷的功能。在初始压缩机级之后，这种引气从喷气式或涡轮螺旋桨发动机中分接出来，因此它处于高压和高温(高达300℃)并且在隔热管道中围绕飞机传送。如果这些管道中的一个发生泄漏，则热的引气会逸出并迅速对飞机系统造成损害，甚至可能对靠近泄漏的结构造成损坏。因此，重要的是，知道在何时与何处发生泄漏，使得可以在发生任何损坏之前关闭通过故障管道的空气流。
当前优选的泄漏方法或“热点检测”(HSD)涉及在每个管道旁边运行一个或两个连续的电气传感器。这些传感器包括形成外导体的金属管和形成内导体的悬浮在固体盐中心的线。在正常操作下，两个导体彼此电隔离，但是当温度达到特定值时，盐熔化并在它们之间形成短路。对其进行检测并且使用对两个导体之间的电气特征(例如电阻和电容)的测量来确定所谓的热点的位置。然后会发出警报，提醒用户注意热点的位置。虽然该技术是起作用的，但该系统具有某些不利特征，即：
1)尽管可以在传感器的不同部分使用不同的组合物以允许不同的警报温度，但产生警报的温度由盐组成决定，并且不能调节。
2)盐填充的导体只能以短的长度制造，并且在剪切力下易于断裂。这意味着它们通常以相对较短的长度生产，并且因此需要将许多部分连接在一起以覆盖整个管道。例如，可能需要200个连接器来覆盖飞机的单个引气管道。安装这些传感器是耗时的。此外，每个连接器都提供了额外的潜在故障点。
3)由于需要多个金属部件和连接器，传感器链很重。
4)电气测量的性质意味着泄漏不能总是精确定位。
已知使用光纤监测诸如压力、温度或应变的被测量。这些技术通常不会遭受与多段盐填充电缆相关联的上述问题。基于反向散射光检测(布里渊散射或拉曼散射)的电流分布式温度传感器(DTS)不适于飞机使用，这是因为它们需要强大的激光器，其由于它们的高能量而可能构成点火危险并且昂贵、需要精密的光电处理单元。
光纤布拉格光栅(FBG)制造出优秀的温度传感器，但将它们用于HSD并不简单，这是因为它们是点传感器，并且应用要求连续覆盖数十米的管道。时分复用(TDM)和波分复用(WDM)是通常用于使用FBG监测被测量的两种技术。
TDM系统不能提供检测沿着引气管道的泄漏所需的空间密度。在常规的TDM系统中，传感器通常需要沿着波导分开至少1米，以便反射脉冲可根据飞行时间单独分辨。泄漏通常是高度局部化的，并且最初可能只延续5厘米，因此系统有95％的机会完全错过它。
WDM实际上不能提供覆盖引气管道所需的大量传感器。在WDM中，每个FBG传感器被配置为反射不同的离散波段内的不同的相应布拉格波长的光。目前的WDM系统限于每根光纤约130个FBG传感器。如果FBG传感器每个间隔5厘米，即每米20个FBG，则将系统限制在130/20＝6.5米。这太短，因为引气管道在长度上可以延伸50米或更长。因此，需要许多光纤来操作WDM系统，这增加了系统的成本和复杂性。
光频域反射测量是一种用于处理一根光纤上的数百个低反射率光栅的技术。然而，它需要昂贵且精密的仪器(通常超过10万美元)，这不适用于诸如飞机的应用。
期望提供一种改进的方法和装置，以用于定位沿着光波导的被测量的异常，其不遭受上述缺陷。特别地，期望提供一种简单、重量轻、稳健、灵活且具有成本效益的装置，其可以定位沿着广泛的细长区域的被测量的异常，达到高空间精确度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于定位沿着光波导的被测量异常的装置，包括：
光波导；
光源，其被配置为沿着波导传输光；
多个传感器，其沿着波导设置，每个传感器被配置为反射沿着波导传播的对应于被测量的相应传感器波长的光的一部分，其中多个传感器根据其传感器波长被配置为一个或多个组，每组包括具有相应传感器波长的多个传感器，传感器被配置为使得当相应组中的传感器中的每个传感器经历的被测量相等时，该组中的每个传感器的传感器波长近似相等；
检测器，其被配置为监测传感器反射的光；以及
控制系统，其被配置为致使以下步骤被执行：
(i)使用光源沿着光波导传输光；
(ii)监测由传感器反射的光，以便获得表示传感器中的每个传感器经历的被测量的测量光谱；
(iii)检测测量光谱中的异常信号，异常信号具有特征波长并且源自多个传感器中的异常传感器，异常传感器经历被测量异常；并且
(iv)至少定位包括异常传感器的组。
与WDM系统不同，当传感器中的每个传感器上的被测量相同时，不需要传感器中的每个传感器反射不同传感器波长的光。这意味着该装置不受可以沿着波导设置的传感器数量的限制。此外，与TDM系统不同，在(使用来自传感器中的每个传感器的聚合响应获得的)测量光谱中检测到异常信号，而不是通过解析和分析从每个传感器单独地反射的光。这意味着每个传感器不需要沿着波导以最小距离分开。仍有利地，通过使用沿着光波导而不是盐填充导体分布的传感器，可以使该装置重量轻且灵活。这在航空航天工业中是特别期望的，其中存在减少飞机重量以提高其燃料效率的驱动力。
通常设置多个所述组。每组中的传感器通常沿着光波导在空间上被分组在一起。此外，每组可包括至少五个传感器。设置一组或多组传感器允许波导的不同部分在空间上分开以进行独立分析。例如，可能需要满足不同的要求以检测来自每组中的异常传感器的异常信号。因此，可能的是，如果从一个组中的传感器获得特定被测量值，则可以将其视为异常，但如果从另一个组中的传感器获得，则被视为“正常”。因此，每组可以被配置为检测针对该被测量的不同相应值的被测量异常。
在一些情况下，简单地确定哪个组包括异常传感器以便近似被测量异常的位置可能就足够了。如果仅设置一个组，则一旦检测到异常信号，就可以识别包含异常传感器的组。如果设置多个组，则可以通过分析测量光谱的过程来检测包括异常传感器的组。然后可以使用关于组的布局的预先存储的信息来近似被测量异常的位置。如果需要更精确的位置，则步骤(iv)可以包括通过传输异常信号的特征波长的光脉冲并且监测反射信号的飞行时间来定位异常传感器。因此，可以在测量光谱中检测到异常信号，并且传输异常信号的特征波长的光脉冲。检测异常信号包括识别特征波长的过程。在步骤(i)和/或在步骤(iv)(在适当情况下)由光源传输的光可以是窄带(具有低于0.1nm的带宽)，或者是单色的(具有0.01pm到0.1pm之间的带宽)。优选地，光源包括激光器，其中所发射的光的线宽优选地低于75GHz，更优选地低于50MHz。通常，仅经历被测量异常的传感器将反射该特征波长的发射光的一部分。因此可以计算反射信号的飞行时间以定位异常传感器并因此定位被测量异常的位置。
异常信号通常是单独的峰值，其仅在发生被测量异常时才在测量光谱中可见。异常信号通常表现出对应于来自多个传感器的异常传感器的反射的高斯或类似轮廓(例如sinc轮廓)。特征波长出现在由异常信号占据的波长范围内，并且可以对应于峰值波长或其近似值。
优选地，当相应组中的传感器中的每个传感器经历的被测量相等时，该组中的每个传感器的传感器波长相等，然而，传感器波长之间的微小偏差可能由于制造工艺而经常发生。因此，“基本上”一词可以解释为包括0.1nm波长范围内的传感器波长。传感器波长可以对应于传感器的反射率最高的特定波长。传感器的传感器波长通常随被测量值的变化而变化。只有当一个组中的传感器中的一个处的被测量与该组中的其余传感器的被测量显著不同时，然后才会出现异常信号。有利地，因此可以仅隔离和检测经历被测量异常的异常传感器的位置。
通常，传感器被配置为使得从每组中的传感器反射的光的至少一部分基本上在波长上重叠，以便为在测量光谱中具有不间断峰值宽度的每组形成设定响应，其中异常信号在波长上不与设定响应重叠。通常可以在给定组的不同传感器之间经历被测量的微小变化，这些微小变化对应于作为正常操作条件的一部分的局部环境的变化。然而，期望的是，如果被测量显著高于或低于先前测量期间的被测量，或者如果它与由该组中的其余传感器监测的被测量显著不同，则仅检测和定位被测量异常。通过布置每组中的传感器以形成相应的设定响应，可以使用测量光谱中的简单峰值分析来识别异常信号。
通常，每个传感器被配置为使得其传感器波长响应于传感器处的被测量的变化而被扰动。可以使用各种不同的传感器，然而优选地，传感器包括光纤布拉格光栅，在这种情况下，每个光纤布拉格光栅的传感器波长是布拉格波长。由于FBG在极端温度下的可操作性，它们可以相对容易地制造并且因为可以沿着单个波导设置许多FBG，因此FBG是期望的。
光源优选地被配置为选择性地发射窄带光并调制所述光的波长。从每个传感器反射的光的波长通常近似等于光源发出的光的波长。如果使用窄带或优选地单色光源，则发射光的波长可以是已知的，并且因此不需要监测反射光的波长。然后可以方便地使用简单的强度检测器，利用从光源获得的波长信息，来获得测量光谱。优选地，光源仍被配置为发射脉冲光。如果执行飞行时间计算，则这在步骤(iv)中可能是有用的。优选地，光源可以采用激光器的形式，该激光器可以在连续波模式和脉冲模式之间选择性地切换。例如，光源可以包括以连续波模式操作的激光器和光学调制器，该光学调制器用作快门以选择性地透射或阻挡来自激光器的光。
该装置原则上可以根据应用被用于从不同类型的被测量中定位异常测量结果。然而，被测量通常是温度。例如，该装置可以被配置为定位沿着波导的热点。可替选地，被测量可以是应力或应变，包括可以在传感器处转换成应变的任何其他量(例如压力、力和应力)。例如，这可能是期望的，其中波导沿着桥或隧道的结构梁布置，或者其中波导被布置为监测管道基础、坝或其他结构中和周围的地球运动。
现在将讨论本发明的其他方面。这些方面共享与结合第一方面讨论的类似的优点。结合这些方面中的任何一个讨论的特征也可与其余方面组合。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于定位沿着光波导的被测量异常的方法，包括以下步骤：
(i)沿着光波导传输光，其中，沿着波导设置多个传感器，每个传感器被配置为反射沿着波导传播的对应于被测量的相应传感器波长的光的一部分，其中多个传感器根据其传感器波长被配置为一个或多个组，每组包括具有相应传感器波长的多个传感器，传感器被配置为使得当相应组中的传感器中的每个传感器经历的被测量相等时，该组中的每个传感器中的传感器波长基本相等；
(ii)监测传感器反射的光，以获得表示传感器中的每个传感器经历的被测量的测量光谱；
(iii)检测测量光谱中的异常信号，异常信号具有特征波长并且源自多个传感器中的异常传感器，异常传感器经历被测量异常；并且
(iv)至少定位包括异常传感器的组。
步骤(iii)可以包括使用光谱分析技术检测异常信号。优选地，步骤(iii)的光谱分析技术包括将测量光谱与目标光谱进行比较，以便检测测量光谱中对应于测量光谱和目标光谱之间的差异的异常信号。目标光谱可以对应于例如在校准过程期间获得的较早测量光谱。
可替选地，可以在不参考目标光谱的情况下例如通过检测测量光谱中的特定宽度的可辨别峰值和/或通过检测出现在特定波长范围内的测量光谱内的反射信号来执行步骤(iii)，所述峰值对应于异常信号。更一般地，光谱分析技术可以包括在不参考光信号强度或被测量值的预定阈值的情况下分析测量光谱的形状。这可以包括识别峰值。光谱分析技术可以包括评估表示测量光谱和预期光谱之间的差异的偏移参数，并且然后将偏移参数与阈值进行比较。例如，这种偏移参数可以基于新的峰值的识别或峰值的平均位置或中心位置的移动。
此外，光谱分析技术还可以包括监测在不同时间获得的测量光谱的变化。因此，可以测量和分析时间序列的光谱以检测发展中的异常。
如上面结合第一方面所讨论的，步骤(iv)优选地包括通过传输异常信号的特征波长的光脉冲并且监测反射信号的飞行时间来定位异常传感器。
在另一种方法中，步骤(iii)可以包括确定异常信号是否对应于预定的被测量范围内的被测量，并且仅当被测量在预定的被测量范围内时才进行到步骤(iv)。预定的被测量范围通常对应于在正常操作范围之外的被测量的预定值。因此，预定的被测量范围可以包括高于和/或低于预定的被测量值的所有被测量的值，并且因此可以是半无限范围。可替选地，预定的被测量范围可以是有限的。例如，步骤(iii)可以包括确定异常信号是否出现在预定的波长范围内(例如高于或低于波长阈值)，并且仅当异常信号出现在所述预定的波长范围内时才进行到步骤(iv)。可选地，步骤(iii)可以包括确定异常信号的强度是否超过阈值强度，并且仅当异常信号超过阈值强度时才进行到步骤(iv)。这可以帮助确保检测到的异常信号不是噪声的结果。考虑到数据中的噪声对于所讨论的每种异常检测技术都是有益的。
当该方法包括步骤(iv)时，有益的是，以连续波模式操作激光器形式的光源以便获得测量光谱，并且还以脉冲模式操作相同的激光器以定位异常传感器。这也是需要重复光谱测量和异常定位的应用的关键使能者，其中该方法有利地还包括在用于获得所述测量光谱的扫描模式与用于定位所述异常传感器的定位模式之间重复快速来回切换。
优选地，步骤(i)包括传输跨包含传感器波长中的每个的波长范围的光。这可以使用宽带光或窄带光(假如调节窄带光的波长以便覆盖包含传感器波长中的每个的光谱范围)来实现。例如，步骤(i)可以包括传输传感器波长中的每个处的一个序列的窄带光。该序列可包括不同波长的一系列脉冲。可替选地，可以跨包括传感器波长中的每个的波长范围以连续方式调节窄带光的波长。
优选地，步骤(iv)包括传输特征波长的窄带光的脉冲。然后可以仅从异常传感器接收反射脉冲。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机系统，其被配置为执行第二方面的方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种传感器系统，其包括根据第一方面的目标装置和装置，其中波导被布置为监测沿着目标装置的不同位置处的被测量。例如，目标装置可以是被配置为输送流体的导管。原则上可以使用各种不同的导管，包括管道。通常，波导被配置为定位来自导管的所述流体的泄漏，所述泄漏对应于被测量的异常。例如，导管可以被配置为承载与波导的环境温度和/或局部环境的温度显著不同的温度的流体(例如液体或气体)。在特别有利的布置中，导管是飞机的引气管道。可替选地，目标装置可以是电气装置(诸如电缆)。在这种情况下，波导可以被配置为定位沿着电气装置的位置处的热点的形式的被测量异常。该热点可能是电缆绝缘击穿或其他类型故障的结果。
附图说明
现在参考附图描述根据本发明的装置和方法的实施例，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的装置；
图2是根据第一实施例的装置，其示出了温度异常；
图3是根据第一实施例的来自传感器的光谱响应的示例；
图4是根据第一实施例获得的测量光谱的第一示例；
图5是根据第一实施例获得的测量光谱的第二示例，其示出了温度异常；
图6是根据本发明的第二实施例的装置；
图7是根据第二实施例获得的测量光谱的第一示例；
图8是根据第二实施例获得的测量光谱的第二示例，其示出了温度异常；
图9是示出了用于使用第一实施例或第二实施例的装置来实施本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据第一实施例的装置1。装置1包括光源10和检测器20，其被容纳在询问器30内。询问器30包括计算系统形式的控制系统，其包括存储器(易失性存储器和非易失性存储器两者)和处理器。询问器30被配置为控制光源10和检测器20以执行稍后将讨论的方法。
提供了一种光纤光缆形式的光波导2。波导2包括沿着其长度分布的多个传感器3。光源10包括可调谐激光器，其被光学连接到波导2，以用于将光脉冲发射到波导2中并使光脉冲沿着波导2。光源10和检测器20耦合到波导2的相同远端，使得检测器20被配置为接收由传感器3反射的光。
在第一实施例中，检测器20被配置为监测反射光的强度，同时由询问器30以针对每个相应发射脉冲将光源10调谐到的波长输入波长。可替选地，可以由检测器20直接监测波长。因此，适合的检测器的示例包括光谱仪、干涉仪和强度检测器。使用快速且灵敏的检测，这是因为采样率应足够高，以确保在脉冲期间对足够的数据点进行采样。对光源10的灵活定时控制被用于调制不同发射脉冲之间的波长(并且可能是脉冲持续时间)并且协调返回脉冲的检测与传输脉冲的发射。
可调谐激光器具有稳定的输出并且可以被配置为通过光波导2选择性地发射给定波长和脉冲持续时间的单色脉冲光，并且还被配置为调制所述发射光的波长，使得可以以不同波长发射不同脉冲。适合的激光器10的示例包括外腔激光器、环形谐振器、可调谐分布式布拉格反射器激光器和利用法布里-珀罗腔调谐的光纤激光器。
光源10被配置为发射具有0.04pm带宽的单色光。光源10设置有快门(或一些其他开关机构)，其被用于控制每个发射脉冲的持续时间。该快门通常是以100MHz操作的固态器件，以提供10ns的脉冲，相当于约1m的长度。适合的快门的示例是内置SOA(半导体光放大器)。可替选地，可以使用外部调制器，诸如EAM(电吸收调制器)或LiNbO3 Mach-Zehnder调制器。调制器可以可替选地包括干涉测量调制器、机械快门、电光调制器或声光调制器。
每个传感器3被配置为反射沿着波导2行进的针对该传感器的波长范围内(例如在0.2m-1.0nm之间)的光的一部分，其中根据传感器3经历的被测量，在相应的传感器波长处发生峰值反射。在第一实施例中，设置了n个传感器3，每个传感器包括光纤布拉格光栅(FBG)3。FBG包括光栅，该光栅使用空间变化模式的强UV激光写入波导2的芯体中，以创建折射率的周期性调制。这些周期性调制基于给定的被测量反射沿着波导2以预定的布拉格波长传播的光。因此，该布拉格波长可以形成前面讨论的传感器波长。通过将光栅制造为具有不同的周期性，可以在相似的环境条件下将FBG形成为具有不同的布拉格波长。然而，在第一实施例中，传感器3中的每个传感器被制造为具有相同周期性的光栅。因此，在相等的温度和应变值下，传感器3中的每个传感器将反射相同的传感器波长λ1(在0.1nm内，允许由制造过程引起的微小偏差)的光。每个传感器3具有相同的长度(通常在1和10mm之间)。也可以使用其他类型的传感器，其中局部被测量的变化被转换成反射的变化。例如，可以使用强度调制传感器、干涉测量传感器(诸如法布里-珀罗腔)或薄膜滤波器。
当光入射到每个传感器3上时，具有在针对该传感器的波段内发生的波长的任何分量的一部分被反射。用于抑制反射的装置(未示出)可以进一步被设置在与光源10相对的波导2的端部处，以防止端部反射在第二方向7上向下传播回波导2并随后被检测到。
装置1被配置为定位沿着波导2的被测量异常。换句话说，装置1可以被用于至少近似沿着波导2的位置，指示异常被测量的信号来自该位置。被监测的特定被测量将取决于应用。在第一实施例中，装置1被配置为监测温度异常，并且因此传感器3与外部应变隔离，使得相应的传感器波长仅随温度的变化而变化。这可以通过将波导2放置在管(未示出)中来实现，使得它可以自由移动并且不会被管的轴向移动或膨胀拉动。
通过识别经历被测量异常的传感器的位置来定位温度异常。图2示出了装置1，其中除了倒数第二个传感器3之外，传感器3中的每个传感器的温度在正常操作范围(例如0-100℃)内。倒数第二个传感器3在该范围之外，并且因此正经历“热点”形式的温度异常。因此，倒数第二个传感器3的传感器波长由于该异常而被(朝向更长波长)扰乱到λH，而其余传感器的传感器波长是λ1。
现在将参考图9的流程图结合图1至图5讨论用于定位沿着光波导的被测量异常的方法的实施例。
该方法开始于步骤101，其中光源10被调谐到对应于最低传感器波长的第一波长，该最低传感器波长在预定范围内的传感器3处的温度变化下预期。然后，单色光沿着波导2从光源10传输。如果发射光的波长在传感器3的相应波长范围内，则该传感器3将发射光的一部分反射回询问器30。当发射光的波长等于传感器3的峰值反射波长(称为“传感器波长”)时，将发生最大反射(即，反射光的强度最大)。在该实施例中，每个布拉格光栅3的FWHM约为0.3nm，然而更一般地，FWHM可以根据所选择的FBG的尺寸而在0.1到2nm之间变化。在一些实施方案中，可能期望的是使用反射FWHM在0.1至0.2nm之间的光的FBG。由于被测量的变化而发生的布拉格波长的微小扰动可被检测为经调制的峰值频率。
在步骤102处，由检测器20监测任何反射光的强度。反射光的波长由询问器30根据检测到反射光之前光源10被调谐到的波长来确定。
在步骤103处，在快门关闭的情况下，由光源10产生的光的波长增加(例如增加100pm)，并且然后操作快门以沿着波导2传输新波长的光。通过使用具有大大小于传感器3的FWHM的带宽的光源，并且通过以大大小于FWHM的间隔(例如，FWHM的1/5的间隔)递增发射光的波长，由每个传感器3的反射光谱构成足够的样本，使得可以很好地测量传感器波长。重复步骤101至103，直到达到预定范围内的最大波长为止。通常，温度每变化100℃，传感器波长会受到高达1nm的扰动。因此，传感器3的完整工作范围通常在1nm和2nm之间。选择预定范围以对应于该工作范围。在波长中的每个处反射的光的强度被聚合以获得测量光谱。可选地，可以将曲线拟合到测量光谱。
可以使用脉冲或连续发射光来执行步骤101-103，其中从询问器30获得波长信息。可替选地，宽带光源可以被用于发射跨整个波长范围的连续或脉冲光，同时使用光谱仪监测反射光的强度和波长。
步骤101-103可以在低至1毫秒的时间内完成。有利的是，重复这些步骤多次，以构建具有比使用单次扫描可实现的改善的信噪比的平均测量光谱。
图3示出了包括来自多个传感器3的反射形式的信号的光谱的第一示例。如所示出的，每个信号在波长上重叠。制造传感器3中的每个以便在相同的环境条件下具有相同(或近似相同)的传感器波长。实际上，不同传感器3之间的(例如)温度或应变的变化以及微小的制造偏差将导致传感器波长不同，如图3所示。然而，当聚合时，传感器波长形成图4所示的设定响应，其在测量光谱中具有不间断的峰值，其以波长λ1为中心。
在图3中，来自每个传感器3的反射脉冲的强度约为检测器20的饱和值的25％。当这些信号聚合到图4的测量光谱中时，检测器20饱和，给出所示的平顶响应。尽管可以通过观察特征的低波长边缘和高波长边缘来估计沿着波导2的最大温度和最小温度的范围，但是不能在该宽反射特征内确定任何给定传感器3的波长。在一些实施例中，检测器的饱和点发生在刚好高于光源输出功率的100％，因为这可以允许改善的强度测量结果。假如可获得干净的信号，则可以使用任何反射率的传感器3。
在步骤104处，分析测量光谱(图4所示)。在本实施例中，将测量光谱与目标光谱进行比较，并且由询问器30识别任何差异。目标光谱可以是预期传感器3在“正常操作条件”下提供的存储在存储器中的光谱响应，在该“正常操作条件”下没有被测量异常发生。目标光谱可以对应于较早的测量光谱，例如，对于其没有被测量异常发生，并且其可以通过校准过程生成。例如，它可能近似于图4中所示的光谱。然后可以从目标光谱中减去测量光谱(产生“差异光谱”)以识别异常。
可替选地，可以对测量光谱执行峰值分析的方法，其中设定响应和不与设定响应重叠的任何其他不同的峰值一起别识别。因此，设定响应本身可以形成目标光谱，利用该目标光谱比较测量光谱(其进一步包括任何其他峰值)。因此，在一些情况下，可以在没有光信号强度或被测量值的预定阈值的情况下通过光谱分析来识别异常。在该方法中，可以定义偏移参数以表示在光谱中表示的被测量的“正常范围”之外的异常偏移，然后将该偏移参数与阈值进行比较。
无论是否定义偏移参数，光谱分析都可以涉及检测单独可分辨的峰值，诸如通过在反射光谱的向下倾斜部分上寻找向上拐点。因此，不需要关于异常的值的先验知识，并且不进行与来自无异常阵列的任何存储信号的比较。这在实践中是特别有利的，这是因为它简化了任何初始或定期校准要求并且容忍由物理系统而不是被测量本身的变化引起的系统数据中的任何长期漂移。
可以与上述技术中的任一个结合使用的另一种方法是通过寻找光谱中随时间的变化来识别异常。这可以通过执行如所描述的相关波长的扫描(步骤101-103)、将获得的光谱数据与先前扫描的光谱数据(诸如通过减去先前的扫描数据)进行比较、并且然后寻找光谱数据中的演化特征来实现。异常可以根据(由比较得出的)“差异光谱”的形状、差异光谱中超过强度或波长的阈值的特征或根据扫描次数的差异光谱中特征的变化率来进行分类。可以根据任何数量的先前光谱的移动平均值或适当的时间加权平均值来计算差异光谱。
图5提供了表现出具有特征波长λH的峰值的测量光谱的示例，该峰值不与更宽的设定响应重叠。在图5中，异常信号具有0.3nm的FWHM。设定响应在附图中被夸大，但在测量光谱中产生更宽的特征，在比异常信号更大的波长范围上延伸。在图5中，设定响应具有约1nm的宽度。设定响应和异常信号相隔0.5nm，对应于50℃的温度差异。
然后使用上述任何技术研究目标光谱和测量光谱之间的任何差异。在步骤105处，如果对应于目标光谱和测量光谱之间的差异的结果信号的强度超过对应于“噪声水平”的强度阈值(例如5％检测器饱和度)，则该信号归因于源自经历被测量异常的异常传感器的异常信号。在一些实施例中，仅针对预定的波长范围内(例如高于或低于波长阈值)的峰值识别异常信号，该波长阈值对应于温度异常必须具有的最小温度偏差。例如，可以设定如果波长变化至少为0.4nm则仅检测温度异常的要求；对应于相对于设定响应或预先存储的光谱的40℃温度变化。在其他情况下，基于响应的偏差或变化而不是依赖于所讨论的波长或强度的绝对大小来识别异常。
可替选地，可以在完全不参考目标光谱的情况下执行步骤105。例如，可以通过寻找在对应于被测量异常的预定波长处或波长范围内发生的测量光谱中的峰值来检测异常信号(基于如果被测量异常存在则反射将仅在该波长处发生)。可选地，询问器30可以仅检测在测量光谱中具有阈值宽度和/或高度的信号。除了与阈值强度、特征宽度和特征的潜在最大强度的存储值进行比较之外，不需要进行比较。
仍可替选地，询问器30可以被配置为检测测量光谱中的最小值(在设定响应和异常信号之间出现的最小值)，以便检测异常信号的存在。可替选地，可以使用强度阈值来检测异常信号的存在。例如，询问器30可以在正方向上寻找与阈值强度交叉的信号并且然后在负方向上寻找与阈值强度交叉的信号，而不是寻找最小值并且然后寻找最大值。然后可以计算这两个交叉的中点以确定异常信号的峰值波长。
无论识别异常的技术如何，异常传感器的传感器波长然后被识别为异常信号的峰值波长。对应的被测量值被计算为±5℃(或更低)的精确度，并且随后将该数据存储在存储器中。可选地，只有当异常传感器的被测量值超过预定的被测量阈值时，该方法然后才前进到步骤106a。如果没有检测到异常信号，或者被测量值没有超过预定的被测量阈值，则该方法前进到步骤106b，此时它返回到步骤101。否则，该方法前进到步骤106a。可以根据选择用于识别异常的技术对该方法进行适当的修改。
在步骤106a处，然后将光源10产生的光的波长调节到异常信号的特征波长，并且随后沿着波导2传输光脉冲。在某些情况下，可能无法将光源10产生的光的波长精确地调谐到传感器波长，例如因为调谐以离散步骤发生并且峰值落在两个调谐点之间。因此，特征波长可以是光源10能够传输的光处于的最接近异常传感器的传感器波长的波长。优选地，特征波长出现在异常信号的FWHM内，以便使反射脉冲以最大可能强度的至少50％返回。在这个范围之外，反射会更弱，但仍然是可测量的。
在实践中具有显著优势的是，通过分析由能够也以脉冲模式操作的CW(连续波)激光器获取的光谱来执行异常检测。当处于CW模式时，这种激光器在信号强度、持续时间和对检测器速度的要求放宽方面提供了优势。在这种情况下，通过将激光器调谐到异常并将相同的激光器切换到脉冲模式来执行异常位置，其中仅定时考虑是重要的并且返回信号的精确幅度的测量结果并不关键。因此，仅使用单个光源，其可以在CW模式(或实际上是脉冲模式)下操作以用于光谱测量，并且相同的光源在脉冲模式下操作以用于位置测量。使用这些替代模式允许优化每个功能。(利用任何类型的适合激光器)在扫描模式和定位模式之间来回快速切换允许跟踪任何异常的演变并降低定时模式在波长域中失去跟踪异常的风险。可以无限有效地重复这种切换。切换优选地足够快地执行，使得异常不会移动超过扫描/脉冲周期之间的峰值的预定部分(例如0.5×(FBG FWHM))。
在步骤107处，由询问器30监测反射脉冲的飞行时间。在步骤108处，使用
Figure BDA0002131511060000161
根据飞行时间计算(异常信号所源自的)异常传感器的位置，其中d是距询问器30的距离，c是真空中的光速，t是光源10发射脉冲时与检测器20检测到反射脉冲时之间经过的时间(即“飞行时间”)，n是波导2的有效折射率。然后将根据该等式计算的距离与关于波导2的布局的预先存储的数据进行比较，以便确定异常传感器的位置，并因此确定被测量异常的位置。例如，如果波导2被安装在车辆中，则计算出的距离可以对应于已经检测到被测量异常的车辆中的特定位置。可选地，关于传感器3的分布的预先存储的信息也可以被用于更准确地确定异常传感器的位置。例如，传感器3可以沿着波导2每10cm规则地分布。如果根据上述等式计算出的距离是1028cm，则询问器30可以确定与该计算出的距离最近的传感器3在距离询问器30 1030cm处，并且将被测量异常归因于该传感器3的位置。还可以根据特征波长计算异常传感器的被测量值。
该方法然后进行到步骤109，其中询问器30确定是否触发警报。例如，可以将被测量值与阈值警报值进行比较，该阈值警报值可以特定于沿着波导2的该位置。如果询问器30确定应该发出警报，则生成输出信号，致使在电连接到询问器30的用户界面(未示出)上触发警报。警报通知用户被测量异常的位置和可选的被测量值本身(例如热点的温度)，使得用户可以相应地行动。该数据将被存储在询问器30的存储器中。可选地，在步骤106中检测到异常信号之后，可以立即生成触发警报的输出信号。在步骤109之后，该方法前进到步骤110，在那里它返回到步骤101。
询问器30可以被配置为确定例如由断裂的光纤或故障的连接器引起的故障的存在。这可以通过例如在步骤104处监测测量光谱来实现，以检测升高的宽带背反射水平的存在或者与较早存储的光谱相比的反射信号的显著损失。较早存储的光谱可以是最近获得的测量光谱，例如来自前面的操作扫描。可替选地，关于预期反射水平的预先存储的信息而不是存储的光谱可以被用于检测故障。如果检测到故障，则可以将光源10调谐到传感器波长之外的波长，并且可以发射一个或多个光脉冲。通过如之前那样计算反射信号的飞行时间，可以识别故障的位置。该位置将被报告并存储在内存中，以便以后在维护期间进行修复。
询问器30处的快速信号处理使得装置能够以10到100Hz的速率报告扫描结果和系统状态。
图6示出了用于定位被测量的装置1'的第二实施例。装置1'具有与结合图1和图2描述的相似的特征，其中相同的附图标记用于表示对应的特征。装置1'形成传感器系统的一部分，该传感器系统还包括被配置为输送流体的导管(未示出)。波导2'被布置为沿着导管的外部延伸(例如，它可以被连接到导管的外部)，使得传感器3'被布置为检测沿着导管的被测量异常的存在。该被测量异常可以对应于来自导管的流体泄漏。
装置1、1'可以被用于各种不同的应用中，例如在需要检测来自导管的泄漏流体的存在并且该泄漏流体将比周围环境更热或更冷的任何地方。例如，导管可以是承载热液体或气体的管道。因此，该装置可以在石油和天然气工业以及化学加工工业中具有特别的适用性。代替导管，波导可以可替选地沿着一段电缆布置，以定位沿着电缆的多个不同位置处的热点。在一个示例中，波导被布置为检测由高压变压器内的绝缘击穿引起的热点。其他示例包括检测隧道、桥梁、船舶和管道中的热点。装置1、1'可以方便地改装到各种现有装置，重量轻且灵活，因此安装简单。
在第二实施例中，导管是飞机的引气管道。它们承载来自飞机周围的发动机的热空气，并且最长可达50米。如果沿着导管发生泄漏，将发出热空气流，其可以小至25mm宽。因此，期望沿着光纤设置高密度的传感器，其在排气管的整个长度上延伸，以便确保检测到任何泄漏。使用如前所述的常规WDM/TDM方法无法实现这一点。
在图6所示的第二实施例中，传感器3'如之前那样是FBG，并且沿着波导2'以25mm的间隔分开。每个传感器3'与外部应变隔离，以便仅响应温度变化。与第一实施例不同，第二实施例的传感器3'被布置为多组。每组传感器被相同地制造，使得当相应组中每个传感器的温度相等时，该组中传感器中的每个的传感器波长近似相等。不同组中的传感器的传感器波长显著不同并且不重叠。设置了m个组，每组包括n个传感器。n和m的精确值将取决于应用的具体情况，诸如光源的波长范围、检测到异常的一个或多个温度、传感器反射光谱的FWHM以及需要的测量的数目。例如，n可以是至少5、至少10、至少50、至少100、至少1000、至少2000，并且m可以是例如2至10之间的任何值。
对于引气应用，正常操作温度范围可以是-55至125℃，并且在被测量异常期间可能经历的温度可能高达300℃。在实践中，警报值可以比预期的最高操作温度高20℃。典型FBG的波长偏移10pm/℃，并且因此这些温度范围可以在正常操作期间转换为1.8nm的波长范围，并且在被测量异常期间可以转换为直到另一1.75nm的波长范围。因此，最大波长偏移刚好超过3.5nm。除此之外，FBG反射光谱占据0.2至1.0nm之间的有限光谱范围。因此，每组的各个传感器波长应该相隔至少4.5nm。在实践中，制造公差可能意味着优选的选项是5nm波段，允许8个这样的组由具有40nm波长范围的光源处理。以这种方式，给定的管道可以分成八组。来自每组的所有传感器在空间上分组在一起，使得每组传感器跨导管的不同区域延伸。例如，可以沿着导管的区域仅设置来自第一组的传感器，该区域跨飞机的特定机翼延伸。通常，光源将透射跨1528nm至1568nm波长范围(对应于电信工业中提到的“C波段”)内的光以处理这些组中的传感器。
根据与之前参考图9的流程图描述的方法相同的方法操作装置1'。注意，每当达到步骤103时，调节发射光的波长，以便包括归因于每组的典型传感器波长。
未发生温度异常的测量光谱的示例如图7所示。从每组中的传感器反射的光在波长上基本上重叠，以形成在测量光谱中具有不间断峰值宽度的相应设定响应，如之前那样。传感器3'被配置为使得每组中的传感器3'的设定响应不重叠。设定响应各自以对应于该组的平均传感器波长的相应设定波长(λ1，λ2和λ3)为中心(为清楚起见，仅示出前三个设定响应)。
图8中提供了发生了温度异常的测量光谱的示例。以λH为中心不与任何设定响应重叠的峰值是可识别的。可以假设该信号源自第二组内的传感器，这是因为它最接近第二组的设定响应。可以为每组分配其自己的强度和波长阈值，以在步骤105中使用，该步骤被编程到询问器30'的固件中。可以使用询问器30'上的软件来控制阈值。在当前情况下，以λH为中心的峰值超过第二组的强度阈值，并且因此被识别为异常信号。异常信号对应于源自第二组的异常传感器的反射脉冲，该异常传感器被定位为邻近导管中的泄漏并且因此经历热点。因此，被测量异常的位置可能接近包括第二组中的传感器的波导部分内的某处。然后可以使用关于组的布局的预先存储的信息以将该位置与包含泄漏的导管的部分相关联。在一些应用中，这可以为该方法提供足够的信息以直接进行到步骤109，在此做出关于是否发出警报的决定。如果期望被测量异常的更精确位置，则可以使用步骤106a-108找到异常传感器的位置，如之前那样。
可选地，响应于生成警报，装置1'可以输出致使机械操作被执行的信号，以便隔离包含泄漏的导管部分。例如，阀门可以沿着导管在热点(或包含热点的组)的任一侧的位置处闭合，以便隔离导管的该部分内的流体。这将有助于限制将从导管泄漏的流体的量。
通过根据它们的波长将传感器布置为组，如果波导2'的一个部分(对应于给定组)中的传感器的温度与波导2'的另一部分(对应于不同的组)中的正常操作温度一致，则可以检测到温度异常。这是可能的，因为不同组的传感器在经历相同温度时将反射不同传感器波长的光。例如，装置1'可以被配置为使得如果经历处于或高于120℃的温度异常，则仅针对在低于80℃下正常冷却的引气管道的一部分产生警报。相同的管道可以具有另一部分，其中正常操作温度可以高达125℃。将传感器分成具有不同波段的组允许使用一个波导2'监测这两个部分。
飞机通常会有四个引气管道。为了增加检测到泄漏的可能性，并且在装置发生故障中的一个的情况下提供故障保护机制，优选地每个管道设置两个波导，每个波导包括如前所述的多组传感器。这些波导可以光学连接到共同的询问器或不同的询问器。通常，两个询问器将用于防止系统故障。每个询问器将在所有管道上运行一整组传感器，以用于完整的系统冗余。
应理解的是，所提供的装置克服了参考现有技术讨论的缺陷。特别地，本发明的实施例提供了一种重量轻、灵活的装置，其易于安装并且其对于诸如飞机的应用足够稳健。可以相对容易地修复该装置(通常通过更换波导的部分)并且需要很少的连接器。传感器可以具有足够的弹性以承受暴露于极端温度，例如在300℃下喷射空气达60秒。传感器还可以免受电磁干扰。最后，该装置可以提供更高密度的测量结果，以及相比于一些现有技术系统可实现的沿着给定波导获得的更大总数量的测量结果。

Claims (20)

1.一种用于定位沿着光波导的被测量异常的装置，包括：
光波导；
光源，其被配置为沿着所述光波导传输光，其中所述光源包括可选择性地在连续波模式和脉冲模式之间切换的激光器；
多个传感器，所述多个传感器沿着所述光波导设置，每个传感器被配置为反射沿着所述光波导传播的、对应于被测量的相应传感器波长的光的一部分，其中所述多个传感器根据其传感器波长被配置为一个或多个组，每组包括具有相应传感器波长的多个传感器，其中传感器被配置为使得当相应组中的传感器中的每个传感器经历的被测量相等时，该组中的每个传感器的传感器波长基本等于0.1nm；
检测器，其被配置为监测传感器反射的光；以及
控制系统，其被配置为致使以下步骤被执行：
(i)通过在连续波模式下操作激光器、使用所述光源沿着所述光波导传输光；
(ii)监测由传感器反射的光，以便获得表示传感器中的每个传感器经历的被测量的测量光谱；
(iii)使用光谱分析技术检测所述测量光谱中的异常信号，所述异常信号具有特征波长并且源自所述多个传感器中的异常传感器，所述异常传感器经历被测量异常；并且其中光谱分析技术包括将测量光谱与目标光谱进行比较以便对应于测量光谱和目标光谱之间的差异来检测测量光谱中的异常信号；以及
(iv)通过在脉冲模式下操作激光器来定位异常传感器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，步骤(iv)包括通过传输所述异常信号的所述特征波长的光脉冲并且监测反射信号的飞行时间来定位所述异常传感器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，设置了多个组，其中每组中的传感器沿着所述光波导在空间上被分组在一起。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器被配置为使得从每组中的传感器反射的光的至少一部分基本上在波长上重叠，以便针对每组形成在所述测量光谱中具有不间断峰值宽度的设定响应，并且其中所述异常信号不与设定响应在波长上重叠。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，每个传感器被配置为使得其传感器波长响应于传感器处的被测量的变化而被扰动。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器包括光纤布拉格光栅，并且其中每个光纤布拉格光栅的传感器波长是布拉格波长。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述被测量是温度。
8.一种用于定位沿着光波导的被测量异常的方法，包括以下步骤：
(i)通过在连续波模式下操作激光器来沿着光波导传输光，其中，沿着所述光波导设置多个传感器，每个传感器被配置为反射沿着所述光波导传播的、对应于被测量的相应传感器波长的光的一部分，其中所述多个传感器根据其传感器波长被配置为一个或多个组，每组包括具有相应传感器波长的多个传感器，其中所述传感器被配置为使得当相应组中的传感器中的每个传感器经历的被测量相等时，该组中的每个传感器的传感器波长基本等于0.1nm；
(ii)监测所述传感器反射的光，以获得表示所述传感器中的每个传感器经历的被测量的测量光谱；
(iii)使用光谱分析技术检测所述测量光谱中的异常信号，所述异常信号具有特征波长并且源自所述多个传感器中的异常传感器，所述异常传感器经历被测量异常，并且其中光谱分析技术包括将测量光谱与目标光谱进行比较以便对应于测量光谱和目标光谱之间的差异来检测测量光谱中的异常信号；以及
(iv)通过在脉冲模式下操作激光器来定位异常传感器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(iv)包括通过传输所述异常信号的所述特征波长的光脉冲并且监测反射信号的飞行时间来定位所述异常传感器。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(iii)包括确定所述异常信号是否对应于预定的被测量范围内的被测量，并且仅当所述被测量在所述预定的被测量范围内时才进行到步骤(iv)。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(iii)包括确定所述异常信号是否出现在预定的波长范围内，并且仅当所述异常信号出现在所述预定的波长范围内时才进行到步骤(iv)。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(iii)包括确定异常信号的强度是否超过强度阈值，并且仅当所述强度超过所述强度阈值时才进行到步骤(iv)。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱分析技术包括在不参考光信号强度或被测量值的预定阈值的情况下分析所述测量光谱的形状。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱分析技术还包括评估表示所述测量光谱和预期光谱之间的差异的偏移参数，并且然后将所述偏移参数与阈值进行比较。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱分析技术还包括监测在不同时间获得的所述测量光谱的变化。
16.一种计算机系统，其被配置为执行根据权利要求8所述的方法。
17.一种传感器系统，包括目标装置和根据权利要求1所述的装置，其中，所述光波导被布置为监测沿着所述目标装置的不同位置处的被测量。
18.根据权利要求17所述的传感器系统，其中，所述目标装置是被配置为输送流体的导管，其中，所述光波导被配置为定位来自所述导管的所述流体的泄漏，所述泄漏对应于所述被测量异常。
19.根据权利要求18所述的传感器系统，其中，所述导管是飞机的引气管道。
20.根据权利要求17所述的传感器系统，其中，所述目标装置是电气装置。
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