CN111638025B - 面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道渗漏水监测领域和分布式光纤传感的温度解调技术领域，为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统测量精度不足，校准程序较为复杂的问题，提出了一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置及方法。装置包括包括脉冲激光器，脉冲激光器信号输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第一参考光纤的一端连接，第一参考光纤的另一端依次连接第二参考光纤、第三参考光纤和多模传感光纤；波分复用器的第三端口和第四端口分别与第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器连接；所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器通过高速数据采集卡与计算机连接。本发明校准简单，测量准确。

Description

面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道渗漏水监测领域和分布式光纤传感的温度解调技术领域，具体是一种温度分辨率高的面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置及方法。

背景技术

近年来我国交通隧道建设蓬勃发展，但隧道渗漏水一直是隧道安全和健康面临的重要问题。渗漏水是运营隧道主要病害之一，也是引起隧道其他病害的根源。在空间相对封闭的长隧道中，一旦发生渗漏水灾害，后果不堪设想。隧道渗漏水会使得衬砌侵蚀、隧底下沉、电力电器设备锈蚀，也会破坏隧道衬砌混凝土及围岩内部结构，改变隧道结构应力体系，从而严重影响隧道的安全运营，缩短隧道的使用寿命。隧道长期带病运营极有可能带来致命性破坏，严重时会给人民生命财产和国家经济带来巨大损失。

当隧道某一区域发生渗漏水时，会导致其周围的温度场发生明显的温度变化，因此可以利用温度突变信息来定位隧道的渗漏水区域。由于分布式光纤拉曼温度传感系统仅对温度变化这一物理量敏感，特别适用于基于温度突变特征识别的隧道渗漏水监测。目前，国内外研究人员已经初步将分布式光纤拉曼传感技术应用隧道或管道的渗漏水监测中。

温度分辨率是分布式光纤拉曼传感技术的重要性能指标，体现出系统对环境温度突变的监测能力，该指标对基于分布式光纤传感技术的隧道渗漏水监测至关重要。现有分布式光纤拉曼传感系统，由于系统的信噪比较低导致其温度分辨率难以突破1.0℃。当隧道渗漏水量较小，例如为润湿、渗润和滴水三个渗漏等级时，由于系统温度分辨率的限制，使渗漏区域温度变化信息被淹没在环境噪声中，导致由渗漏水产生的温度变化特征难以识别，最终丧失早发现早治理的良机，极可能引发隧道重大安全事故并进一步引发次生灾害。另外，传统的分布式光纤拉曼测温系统在测量前，需要将全部传感光纤置于一个恒定温度下进行全光纤校准处理，校准处理后才能进行光纤铺设和分布式测温，如果在测量阶段更换传感光纤，必须重新进行校准处理。这种温度解调方法极大的延长了系统的测量时间，也使系统的测量过程变得极为复杂。因此，在面向隧道渗漏水安全监测领域，复杂的校准过程和较低的温度分辨率限制了分布式光纤拉曼测温仪的应用。

基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决现有分布式光纤拉曼传感系统由于信噪比较低导致温度分辨率难以突破1.0℃，以及测量步骤较为复杂的技术难题。

发明内容

为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统中温度分辨率受限于拉曼信号信噪比的技术瓶颈，使其温度分辨率难以突破1.0℃，且传统测量过程中由于全光纤校准程序较为复杂，导致其在隧道渗漏水安全监测领域受到了一定的限制的技术难题，本发明提出了一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，包括脉冲激光器、波分复用器、第一参考光纤，第二参考光纤，第三参考光纤，多模传感光纤，第一雪崩光电探测器，第二雪崩光电探测器，高速数据采集卡和计算机；

所述波分复用器的第一端口与所述脉冲激光器信号输出端连接，所述波分复用器的第二端口与所述第一参考光纤的一端连接，所述第一参考光纤的另一端依次连接第二参考光纤、第三参考光纤和多模传感光纤；所述波分复用器的第三端口和第四端口分别与所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器连接；所述波分复用器用于将所述脉冲激光器输出的光信号发送至所述第一参考光纤，还用于将背向散射回来的光信号分别发送至所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器；

所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器分别用于采集背向散射光信号中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号并转换为电信号，所述高速数据采集卡用于采集所述电信号并发送给所述计算机。

所述计算机用于根据斯托克斯信号和反斯托克斯信号，进行解调得到所述多模传感光纤沿线分布式温度场信息。

所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，还包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器分别用于放大所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器输出的电信号后发送给所述高速数据采集卡。

所述脉冲激光器输出的光信号波长为1550nm，所述波分复用器的波长为1450nm/1550nm/1650nm。

本发明还提供了一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感方法，基于所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置实现，包括以下步骤：

S1、动态衰减识别阶段：利用第一参考光纤和第二参考光纤的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值，解调得到多模传感光纤中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁；利用第一参考光纤和第二参考光纤的反斯托克斯光光强比值，解调得到多模传感光纤中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂；

S2、测量阶段：通过多模传感光纤与第三参考光纤的拉曼光强比值，以及步骤S1得到的多模传感光纤中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁，利用双路解调方法，进行解调计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁；同时，通过多模传感光纤中的反斯托克斯光强与第三参考光纤中的反斯托克斯光的光强比值，以及步骤S1得到的多模传感光纤中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂，利用单路解调方法，进行解调计算得到光纤沿线的温度变化信息T₂；

S3、将通过双路解调方法计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁和通过单路解调方法计算得到的光纤沿线的温度变化信息T₂进行求平均处理得到光纤沿线的温度信息T，然后再通过光纤沿线的分布式温度突变点位置定位隧道渗漏水区域。

所述步骤S1中，多模传感光纤中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁的解调公式为：

多模传感光纤中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂的解调公式为：

其中，φ_ac-s表示测试阶段第二参考光纤的反斯托克斯光强，φ_sc-s表示测试阶段第二参考光纤的斯托克斯光强，φ_ac-f表示测试阶段第一参考光纤的反斯托克斯光强，φ_sc-f表示测试阶段第一参考光纤的反斯托克斯光强，L_c-f和L_c-s分别表示测试阶段第一参考光纤和第二参考光纤的位置，T_c-f和T_c-s分别表示测试阶段第一参考光纤和第二参考光纤的绝对温度，h表示普朗克常数，k表示玻尔兹曼常数，Δυ表示拉曼频移。

所述步骤S2中，利用双路解调方法，进行解调计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁的解调公式为：

利用单路解调方法，进行解调计算得到光纤沿线的温度变化信息T₂的解调公式为；

其中，φ_a和φ_s分别表示测量阶段多模传感光纤沿线的反斯托克斯和斯托克斯光的光强，φ_ac和φ_sc分别表示测量阶段第三参考光纤中的反斯托克斯和斯托克斯光的光强，T_c表示第三参考光纤的绝对温度，L和L_c分别表示测量阶段多模传感光纤的位置和第三参考光纤的位置，h表示普朗克常数，k表示玻尔兹曼常数，Δυ表示拉曼频移。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提出了一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置及方法，其基于动态衰减识别的分布式光纤拉曼温度解调原理实现，本发明通过第一参考光纤、第二参考光纤斯托克斯光和反斯托克斯光的光强数据，计算出光纤沿线的分布式衰减信息，接着利用第三参考光纤和传感光纤的光强数据用以分布式温度信息的提取。本发明省略了传统分布式光纤拉曼传感系统在测量前的全光纤校准过程，优化系统的测量时间，简化了系统的测量过程，使其在应用过程中更加便捷。

此外，本发明只需要两路拉曼散射光强数据，即测量阶段的斯托克斯光和反斯托克斯光信号，相比传统的测量技术，需要定标阶段和测量阶段的各2路拉曼散射光强数据解调，本发明避免了其他两路拉曼散射光的光噪声串扰，可以有效提高系统的信噪比，最终可以优化系统的温度分辨率，且有望使其达到0.1℃。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置的结构示意图；

图中：1-脉冲激光器，2-波分复用器，3-第一参考光纤，4-第二参考光纤，5-第三参考光纤，6-多模传感光纤，7-第一雪崩光电探测器，8-第二雪崩光电探测器，9-第一放大器，10-第二放大器，11-高速数据采集卡，12-计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，包括脉冲激光器1、波分复用器2、第一参考光纤3，第二参考光纤4，第三参考光纤5，多模传感光纤6，第一雪崩光电探测器7，第二雪崩光电探测器8，高速数据采集卡11和计算机12；所述波分复用器2的第一端口a与所述脉冲激光器1信号输出端连接，所述波分复用器2的第二端口b与所述第一参考光纤3的一端连接，所述第一参考光纤3的另一端依次连接第二参考光纤4第三参考光纤5和多模传感光纤6；所述波分复用器2的第三端口c和第四端口d分别与所述第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8连接；所述波分复用器2用于将所述脉冲激光器1输出的光信号发送至所述第一参考光纤3，还用于将背向散射回来的光信号中的斯托克斯光和反斯托克斯光分别发送至所述第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8；所述第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8分别用于采集背向散射光信号中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号并转换为电信号，所述高速数据采集卡11用于采集所述电信号并发送给所述计算机12，所述计算机12用于根据斯托克斯信号和反斯托克斯信号，进行解调得到所述多模传感光纤6沿线分布式温度场信息。

进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，还包括第一放大器9和第二放大器10，所述第一放大器9和第二放大器10分别用于放大所述第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8输出的电信号后发送给所述高速数据采集卡11。

进一步地，本实施例中，所述脉冲激光器1输出的光信号波长为1550nm，所述波分复用器2的波长为1450nm/1550nm/1650nm，激光器出射的波长为1550nm入射光从波分复用器的a端口进入波分复用器；b端口射出后进入第一参考光纤3，背向散射回来的斯托克斯光与反斯托克斯光波长分别为1650nm与1450nm，其通过c端口返回波分复用器，然后分别从c，d端口注入第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8。

此外，本发明实施例还提供了一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感方法，基于图1所示的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置实现，其包括以下步骤：

S1、动态衰减识别阶段：利用第一参考光纤(3)和第二参考光纤(4)的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值，解调得到多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁；利用第一参考光纤和第二参考光纤的反斯托克斯光光强比值，解调得到多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂。

(一)具体地，第一参考光纤位置处的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，如公式(1)所示：

式中，φ_ac-f为测试阶段第一参考光纤的反斯托克斯光光强，φ_sc-f为测试阶段第一参考光纤的斯托克斯光光强，K_a，K_s是与光纤散射截面有关的系数，υ_a和υ_s是反斯托克斯光和斯托克斯光的光频率，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼频移，为13.2THz。α_s和α_a分别是斯托克斯光和反斯托克斯光的光损耗系数。T_c-f是第一参考光纤的绝对温度。L_c-f为第一参考光纤的位置。

第二参考光纤位置处的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，如公式(2)所示：

式中，φ_ac-s为测试阶段第二参考光纤的反斯托克斯光光强，φ_sc-s为测试阶段第二参考光纤的斯托克斯光光强，T_c-s是测试阶段第二参考光纤的绝对温度，L_c-s为测试阶段第二参考光纤的位置。

通过公式(1)和公式(2)可以计算多模传感光纤中的斯托克斯光光损耗系数α_s和反斯托克斯光光损耗系数α_α的差值α₁，如公式(3)所示：

(二)具体地，测试阶段第一参考光纤位置处的反斯托克斯光强为：

式中，α₀是入射光的光损耗系数。测试阶段第二参考光纤位置处的反斯托克斯光强为：

通过公式(4)与公式(5)可以解调出反斯托克斯光的光损耗系数α_a与入射光的光损耗系数α₀的总和α₂，如公式(6)所述：

S2、测量阶段：通过多模传感光纤与第三参考光纤的拉曼光强比值，以及步骤S1得到的多模传感光纤6中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光损耗系数差值α₁，利用双路解调方法，进行解调计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁；同时，通过多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光强与第三参考光纤(5)中的反斯托克斯光的光强比值，以及步骤S1得到的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂，利用单路解调方法，进行解调计算得到光纤沿线的温度变化信息T₂。

(一)在测量阶段，多模传感光纤与第三参考光纤的拉曼光强比值满足条件：

式中，φ_a为测量阶段多模传感光纤沿线的反斯托克斯光强，φ_s为测量阶段光纤沿线的斯托克斯光强，φ_ac为测量阶段第三参考光纤的反斯托克斯光强，φ_sc为测量阶段第三参考光纤的斯托克斯光强，T_c是测量阶段第三参考光纤的绝对温度，L_c为测量阶段第三参考光纤的位置，T₁是测量阶段多模传感光纤的绝对温度，L为测量阶段多模传感光纤的位置。

通过将公式(3)和(7)进行计算，可以解调出基于双路解调原理(斯托克斯解调反斯托克斯)的光线沿线分布式温度信息，解调公式如公式(8)所示：

式中，T₁为基于双路解调原理计算得出的光纤沿线的分布式温度变化信息。

(二)测量阶段，多模传感光纤反斯托克斯的光强与第三参考光纤的反斯托克斯光强度比值，如公式(9)所述：

式中T₂为利用单路解调方法，进行解调计算得到光纤沿线的温度变化信息。

将公式(6)带入公式(9)进行计算，可以解调出基于单路解调原理(反斯托克斯光自解调)的光线沿线分布式温度信息，解调公式如公式(10)所示：

S3、将通过双路解调方法计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁和通过单路解调方法计算得到的光纤沿线的温度变化信息T₂进行求平均处理得到光纤沿线的温度信息T，然后再通过光纤沿线的分布式温度突变点位置定位隧道渗漏水区域。

将公式(9)和(10)进行求平均计算，得到最终解调的光纤沿线分布式温度场信息T₃，如公式(11)所示。

本发明实施例中，求平均处理得到光纤沿线的温度信息T后，还通过小波去噪，对温度信息进行去噪声处理。最后，根据小波去噪后光纤沿线的分布式温度突变点位置来定位隧道渗漏水区域。

本发明提出了一种基于动态衰减识别的分布式光纤拉曼温度解调装置及方法，应用于隧道渗漏水安全监测领域。本发明通过第一参考光纤、第二参考光纤斯托克斯光和反斯托克斯光的光强数据，计算出光纤沿线的分布式衰减信息，接着利用第三参考光纤和传感光纤的光强数据用以分布式温度信息的提取。本发明省略了传统分布式光纤拉曼传感系统在测量前的全光纤校准过程，优化系统的测量时间，简化了系统的测量过程，使其在应用过程中更加便捷。此外，本发明只需要两路拉曼散射光强数据，相比传统校准阶段和测量阶段的四路拉曼散射光强数据解调，避免了其他两路拉曼散射光的光噪声串扰，可以有效提高系统的信噪比，最终可以优化系统的温度分辨率，且有望使其达到0.1℃。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感方法，其特征在于，使脉冲激光器(1)发出激光依次经波分复用器(2)、第一参考光纤(3)，第二参考光纤(4)，第三参考光纤(5)后入射到多模传感光纤(6)，各个光纤中产生的斯托克斯光和反斯托克斯光经波分复用器(2)后被第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)接收，所述传感方法包括以下步骤：

S1、动态衰减识别阶段：利用第一参考光纤(3)和第二参考光纤(4)的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值，解调得到多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁；利用第一参考光纤和第二参考光纤的反斯托克斯光光强比值，解调得到多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂；

S2、测量阶段：通过多模传感光纤与第三参考光纤的拉曼光强比值，以及步骤S1得到的多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁，利用双路解调方法，进行解调计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁；同时，通过多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光强与第三参考光纤(5)中的反斯托克斯光的光强比值，以及步骤S1得到的多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂，利用单路解调方法，进行解调计算得到光纤沿线的温度变化信息T₂；

S3、将通过双路解调方法计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁和通过单路解调方法计算得到的光纤沿线的温度变化信息T₂进行求平均处理得到光纤沿线的温度信息T，然后再通过光纤沿线的分布式温度突变点位置定位隧道渗漏水区域。

2.根据权利要求1所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感方法，其特征在于，所述步骤S1中，多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光和斯托克斯光的光损耗系数差值α₁的解调公式为：

多模传感光纤(6)中的反斯托克斯光与入射光的光损耗系数总和α₂的解调公式为：

其中，φ_ac-s表示测试阶段第二参考光纤的反斯托克斯光强，φ_sc-s表示测试阶段第二参考光纤的斯托克斯光强，φ_ac-f表示测试阶段第一参考光纤的反斯托克斯光强，φ_sc-f表示测试阶段第一参考光纤的反斯托克斯光强，L_c-f和L_c-s分别表示测试阶段第一参考光纤和第二参考光纤的位置，T_c-f和T_c-s分别表示测试阶段第一参考光纤和第二参考光纤的绝对温度，h表示普朗克常数，k表示玻尔兹曼常数，Δυ表示拉曼频移。

3.根据权利要求1所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用双路解调方法，进行解调计算得到传感光纤沿线分布式温度信息T₁的解调公式为：

利用单路解调方法，进行解调计算得到光纤沿线的温度变化信息T₂的解调公式为；

其中，φ_a和φ_s分别表示测量阶段多模传感光纤沿线的反斯托克斯和斯托克斯光的光强，φ_ac和φ_sc分别表示测量阶段第三参考光纤中的反斯托克斯和斯托克斯光的光强，T_c表示第三参考光纤的绝对温度，L和L_c分别表示测量阶段多模传感光纤的位置和第三参考光纤的位置，h表示普朗克常数，k表示玻尔兹曼常数，Δυ表示拉曼频移。

4.一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，用于实施权利要求1所述的一种传感方法，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、波分复用器(2)、第一参考光纤(3)，第二参考光纤(4)，第三参考光纤(5)，多模传感光纤(6)，第一雪崩光电探测器(7)，第二雪崩光电探测器(8)，高速数据采集卡(11)和计算机(12)；

所述波分复用器(2)的第一端口与所述脉冲激光器(1)信号输出端连接，所述波分复用器(2)的第二端口与所述第一参考光纤(3)的一端连接，所述第一参考光纤(3)的另一端依次连接第二参考光纤(4)、第三参考光纤(5)和多模传感光纤(6)；所述波分复用器(2)的第三端口和第四端口分别与所述第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)连接；所述波分复用器(2)用于将所述脉冲激光器(1)输出的光信号发送至所述第一参考光纤(3)，还用于将背向散射回来的光信号分别发送至所述第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)；

所述第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)分别用于采集背向散射光信号中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号并转换为电信号，所述高速数据采集卡(11)用于采集所述电信号并发送给所述计算机(12)。

5.根据权利要求4所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，所述计算机(12)用于根据斯托克斯信号和反斯托克斯信号，进行解调得到所述多模传感光纤(6)沿线分布式温度场信息。

6.根据权利要求4所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，还包括第一放大器(9)和第二放大器(10)，所述第一放大器(9)和第二放大器(10)分别用于放大所述第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)输出的电信号后发送给所述高速数据采集卡(11)。

7.根据权利要求4所述的一种面向隧道渗漏水监测的分布式光纤拉曼传感装置，其特征在于，所述脉冲激光器(1)输出的光信号波长为1550nm，所述波分复用器(2)的波长为1450nm/1550nm/1650nm。

Images