CN110388948A - 基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，多芯光纤利用其空分复用特性将拉曼传感系统和偏振光时域反射仪进行集成，实现温度、振动双参量同时检测。具体为中间芯实施拉曼分布式传感，获取分布式的温度信息；偏心纤芯实施偏振光时域反射仪，获取分布式的振动信息。由于多芯光纤均匀、紧凑的纤芯空间分布结构，中间芯和偏心芯所受温度是一样的，拉曼传感系统只对温度敏感，而偏振光时域反射仪对温度敏感度较低，对振动具有较大响应，因此利用这种空分复用的拉曼‑偏振光时域反射仪传感系统可以实现温度、振动双参量同时并可区分测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器。
背景技术
光纤传感器相对于传统传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高压，能适应恶劣环境等优点。正是因为这些特点，光纤传感一直受到各国相关学术界和研究机构的高度重视。从上世纪至今，已经研制出上百余种的光纤传感器。目前已经证明，光纤传感器能够实现对应变、位移、压力、速度、加速度、转矩、角速度、温度、电流、电压、浓度、流量、流速以及磁、声、光、射线等70多种物理量的检测。它的应用渗透到了医学和生物、工农矿业、能源环保、国防军事、智能结构等领域。
分布式光纤传感系统可以定义为：能在整个连续的光纤长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向变化的仪器或者系统。分布式温度、振动传感系统通常是将光纤沿温度场、振动场排布，测量光在光纤中传输时产生的携带温度、振动信息的散射光，同时采用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)技术，就可以对沿光纤传输路径上的温度、振动空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。
当光进入到光纤中时，光子与光纤介质互相作用引起光线改变方向即光的散射，当光子与光纤中的二氧化硅分子互相作用时，会发生两种情况，有能量交换和没有能量交换。
当光子与光纤戒指发生弹性碰撞无能量交换时，此过程为瑞利散射过程，基于瑞利散射的光时域反射仪是发展最早至今为止最为成熟的技术。偏振光时域反射仪(POTDR)是在瑞利散射技术的基础上，通过提取光纤链路中瑞利散射光的偏振态信息以解调振动信息。
当光子与光纤介质发生非弹性碰撞并且有能量交换，这个过程产生拉曼(Raman)散射效应。基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器是国外最先商用化的产品，同时它具备了目前最有可能实用化的技术。多集中在基于光时域拉曼散射反射仪(ROTDR)的分布式光纤温度传感器，它通过向光纤发送一个短激光脉冲，然后测得背向散射的拉曼光，该光信号就包含了沿光纤的损耗和温度分布信息。
现有的绝大多数温度-振动同时检测传感器多采用电类传感器，其多为点式传感器，存在易损坏、无法抗电磁干扰等问题；随着光纤传感器的发展，基于光纤光栅温度-振动传感器被广泛研究，将光栅所受应力响应通过相关算法解调为振动信号，但也属于点式传感，而且需要对光纤刻写光栅，工艺相对复杂。由于光栅对温度也敏感，即使采用相对应的算法解调，但误差加大，所以也较难实现温度-振动精确的同时可区分测量。近年来，基于拉曼-相位敏感OTDR(Phase-sensitive OTDR,φ-OTDR)系统被研究用于温度-振动同时检测，但由于φ-OTDR对温度非常敏感，所以无法做到温度-振动可区分性检测，实际应用中误报率极高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，该系统利用多芯光纤的中间芯检测拉曼散射信号，其(反斯托克斯光)只对温度敏感，同时利用外层芯检测瑞利散射信号的偏振态信息，其对温度的响应极低而对振动信息具有极高的响应。利用这一特性本发明方案实现了基于多芯光纤的分布式温度-振动同时监测传感器，解决了电类的温度-振动传感器无法抗电磁干扰的问题，基于光纤光栅温度-振动传感系统无法分布式监测的问题，同时本传感系统采用的偏振光时域反射仪替代传统的相位敏感OTDR与拉曼测温系统集成，有效降低相位敏感OTDR对温度、振动交叉敏感引来的较高误报。同时，本发明利用多芯光纤空分复用特性，有效解决了单模光纤集成系统时存在拉曼与偏振OTDR系统光功率不匹配及调制不稳定性等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，为多芯光纤和基于拉曼-偏振分析仪分布式传感系统组成的分布式温度、振动测量传感器。
按上述技术方案，所用光纤为单模多芯光纤(同一包层中含有两个或两个以上纤芯)，利用不同纤芯，分别组建拉曼温度检测系统和偏振光时域分析仪振动监测系统。
按上述技术方案，包括光源、滤波器、耦合器、环形器一、检偏器、环形器二，光源输出的光经放大后经滤波器滤波，经耦合器分成两路：上面一路依次通过环形器一、检偏器后进入光电探测器；经过耦合器的下面一路，光信号分别进入环形器二，扇入耦合器到达多芯光纤，散射光经环形器后进入拉曼滤波器，分成斯托克斯光和反斯托克光，分别由光电探测器一、光电探测器二接收。
按上述技术方案，光源采用脉冲激光器。
按上述技术方案，光源输出的光经掺铒光纤放大器放大后经带通滤波器滤波。
中间芯的拉曼散射测温：反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比I(T)，由下式所示：
其中φa，φs是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度经过光电转换后的电平值；νa，νs分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率；h是波朗克(Planck)常数，Δνr是光纤分子的声子频率(Δνr＝13.2THz)，K是波尔兹曼常数，T是开尔文(Kelvin)绝对温度。由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。
外层芯中，光纤链路的偏振态信息是在瑞利散射的基础上，通过在光电探测器前面加入检偏器获取偏振态信息。
为了描述POTDR的偏振现象，需要引入往返密勒矩阵(roundtrip Muellermatrix)的概念。假设光纤从始端到点z处的这段介质的密勒矩阵为M(z)，则从该点散射回光纤始端的光为：
Sout(z)＝rRM(z)TRM(z)Sin (2) (2-6)
其中，r为瑞利散射系数，R＝diag(1,1,1,-1)为坐标变换矩阵。定义
Mr(z)＝rRM(z)TRM(z) (3) (2-7)
则
Sout(z)＝Mr(z)Sin (4) (2-8)
当光纤中的某一点z0处发生扰动时，z0处附近一小段光纤的密勒矩阵发生改变，往返密勒矩阵Mr(z)也不变，散射信号偏振态不变；z>z0的所有密勒矩阵Mr(z)都会改变，因而散射信号都会改变，经探测器后的光强也随之发生改变，所以通过光强变化解调振动信息。
本发明产生的有益效果是：本发明提出并实验验证了在基于含有多芯光纤的拉曼-偏振OTDR分布式传感系统(包括但不仅限ROTDR-POTDR)，结合空分复用系统，利用多芯光纤中间芯的拉曼散射对温度检测，外层芯的偏振态监测解调振动信息，虽然POTDR对温度、振动交叉敏感，但POTDR的温度响应相对较低，通常可忽略不计，所以可实现分布式温度、振动双参量同时可区分性检测。本发明所提出的技术方案在实际的工业应用中具有巨大的应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例所用多芯光纤横截面示意图；
图2为本发明实施例所用多芯光纤侧面视图；
图3为本发明实施例中基于多芯光纤的ROTDR-POTDR系统结构图；
图4为本发明实施例中POTDR的温度响应；
图5为本发明实施例中POTDR振动响应。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例采用ROTDR-POTDR传感技术，实施例采用的是含有6个偏心纤芯的七芯光纤。搭建如图1-3所示的基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器系统。脉冲激光器1输出的光经掺铒光纤放大器2放大后经带通滤波器3滤波，经耦合器4分成两路：上面一路依次通过环形器5、检偏器6后进入光电探测器7，最终由采集卡8进行采集信号。经过耦合器4的下面一路，光信号分别进入环形器9，扇入耦合器10到达待测多芯光纤11，散射光经环形器9后进入拉曼滤波器12，分成斯托克斯光和反斯托克光，分别由光电探测器13、14接收，最终由采集卡15采集相关数据。所用的拉曼-偏振分析仪传感技术包括各种基于光纤中拉曼-瑞利散射偏振态检测实现的传感技术。可以选择采用共用脉冲激光器、共用掺铒光纤放大器、共用带通滤波器的系统组合方式，可扩展为两个光源，两个脉冲发生装置，两个掺铒光纤放大器，两个带通滤波器。
本实施例中只用到了多芯光纤中的2个芯(通道)：1个中间芯和1个外层芯。中间芯基于拉曼散射强度检测温度，外层芯基于瑞利散射光的偏振态信息检测振动。由于拉曼散射效应只对温度敏感，而瑞利散射光的偏振态信息对温度敏感度很低(可忽略不计)，对振动信号有很高的敏感度。通过中间芯拉曼测温响应，解调出温度值，同时利用外层芯的偏正OTDR系统监测振动信息，可实现温度-振动同时可区分检测。
解调温度变化量，在温度T0，T时根据光电探测器13、14检测到电压值求出对应的I(T0)，I(T)。将I(T0)、I(T)代入公式(1)并做比值处理即如下式所示：
进而可求得温度变化量ΔT。
最后解调振动变化量，将采集卡8得到的不同时刻光强信号做差值可得到振动信息。图4为本发明实施例中POTDR的温度响应，图5为本发明实施例中POTDR振动响应。基于光纤光栅原理的温度-振动双参量检测系统，局限于点式，无法做到长距离分布式检测；基于单模光纤的拉曼-偏振OTDR集成系统属于时分复用，无法做到双参量同时检测，而且，自发拉曼散射光非常弱，因此需要提高入纤功率，在单模光纤中共用同一个光源，存在两个系统光功率不匹配从而引发调制不稳定性。基于多芯光纤的拉曼-相位敏感的OTDR系统，可进行温度-振动监测，但由于相位敏感的OTDR系统对温度、振动交叉敏感，并且对温度的敏感度极高，所以无法做到真正意义上的温度、振动信号可区分性同时监测。本发明提出并实验验证了在基于含有多芯光纤的拉曼-偏振OTDR分布式传感系统(包括但不仅限ROTDR-POTDR)，结合空分复用系统，利用多芯光纤中间芯的拉曼散射对温度检测，外层芯的偏振态监测解调振动信息，虽然POTDR对温度、振动交叉敏感，但POTDR的温度响应相对较低，通常可忽略不计，所以可实现分布式温度、振动双参量同时可区分性检测。本发明所提出的技术方案在实际的工业应用中具有巨大的应用前景。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，其特征在于，为多芯光纤和基于拉曼-偏振分析仪分布式传感系统组成的分布式温度、振动测量传感器。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，其特征在于，所用光纤为单模多芯光纤，利用不同纤芯，分别组建拉曼温度检测系统和偏振光时域分析仪振动监测系统。
3.根据权利要求1或2所述的基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，其特征在于，包括光源、滤波器、耦合器、环形器一、检偏器、环形器二，光源输出的光经放大后经滤波器滤波，经耦合器分成两路：上面一路依次通过环形器一、检偏器后进入光电探测器；经过耦合器的下面一路，光信号分别进入环形器二，扇入耦合器到达多芯光纤，散射光经环形器后进入拉曼滤波器，分成斯托克斯光和反斯托克光，分别由光电探测器一、光电探测器二接收。
4.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，其特征在于，光源采用脉冲激光器。
5.根据权利要求3或4所述的基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，其特征在于，光源输出的光经掺铒光纤放大器放大后经带通滤波器滤波。
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