CN113432630B - 分布式光纤传感监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了分布式光纤传感监测系统，属于光纤检测技术领域，包括第一光源依次通过第一调制器和第一环形器向光纤内输入脉冲光；第二光源依次通过第二调制器和第二环形器向光纤远离第一光源的一端输入脉冲光；将第二调制器与第一调制器进行配合，使得从光纤两端注入的两种脉冲光相互增强。分别获取第一环形器和第二环形器所输出的散射信号，对两个散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号。将距离信息较小的待测信号作为目标信号，提取目标信号中的变化值作为最终状态改变量。本发明提供的分布式光纤传感监测系统能够更精确的表明最终状态的改变量，提高了长距离光纤的检测精度。

Description

分布式光纤传感监测系统

技术领域

本发明属于光纤检测技术领域，更具体地说，是涉及分布式光纤传感监测系统。

背景技术

光纤传感技术由于使用光纤作为传感器，通常能够实现光纤链路上每一个点的连续测量，且传感距离可达数十公里。但是在测量距离较长的测量点处，参量微小波动也会引起系统测量值的较大波动，使系统容易误判，从而准确判断出故障的情况，因此现有的分布式光纤传感监测系统的有效检测距离均被限定在一个特定的区间内。

发明内容

本发明的目的在于提供分布式光纤传感监测系统，旨在解决无法实现长距离且高精度的监测的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供分布式光纤传感监测系统，包括：

第一光源依次通过第一调制器和第一环形器向光纤内输入脉冲光；第二光源依次通过第二调制器和第二环形器向所述光纤远离所述第一光源的一端输入脉冲光；将所述第二调制器与所述第一调制器进行配合，使得从所述光纤两端注入的两种脉冲光相互增强；

分别获取所述第一环形器和所述第二环形器所输出的散射信号，对两个所述散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号；

通过计算机提取所述第一待测信号和所述第二待测信号中的距离信息，将距离信息较小的待测信号作为目标信号，提取所述目标信号中的变化值作为最终状态改变量。

作为本申请另一实施例，所述将所述第二调制器与所述第一调制器进行配合，使得从所述光纤两端注入的两种脉冲光相互增强包括：

根据所述光纤的长度以及所述第一调制器所发出的脉冲光参数，通过所述第二光源和所述第二调制器向所述光纤输入脉冲光。

作为本申请另一实施例，所述根据所述光纤的长度以及所述第一调制器所发出的脉冲光参数包括：

调整所述第一光源和所述第一调制器以及所述第二光源和所述第二调制器，使所述光纤两端输出的脉冲光参数相同，启动第一环形器和所述第二环形器。

作为本申请另一实施例，所述对两个所述散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

通过网络将所述第一待测信号和所述第二待测信号传输至所述计算机。

作为本申请另一实施例，所述分别获取所述第一环形器和所述第二环形器所输出的散射信号包括：

将所述第一环形器和所述第二环形器所输出的信号分别通过耦合器，将所述耦合器输出三个信号均作为所述散射信号。

作为本申请另一实施例，所述对所述散射信号进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

将所述第一环形器所对应的三个所述散射信号分别进行瑞利光过滤、斯托克斯光过滤和拉曼光过滤，分别过滤出第一瑞利光、第一斯托克斯光和第一拉曼光；

将所述第二环形器所对应的三个所述散射信号分别进行瑞利光过滤、斯托克斯光过滤和拉曼光过滤，分别过滤出第二瑞利光、第二斯托克斯光和第二拉曼光。

作为本申请另一实施例，所述对所述散射信号进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

对所述第一瑞利光、所述第一斯托克斯光、所述第一拉曼光、所述第二瑞利光、所述第二斯托克斯光和所述第二拉曼光均依次进行放大和光电转换，得到第一瑞利光待测信号、第一斯托克斯光待测信号、第一拉曼光待测信号、第二瑞利光待测信号、第二斯托克斯光待测信号和第二拉曼光待测信号。

作为本申请另一实施例，所述将距离信息较小的待测信号作为目标信号包括：

比较所述第一瑞利光待测信号和所述第二瑞利光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第一目标信号；

比较所述第一斯托克斯光待测信号和所述第二斯托克斯光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第二目标信号；

比较所述第一拉曼光待测信号和所述第二拉曼光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第三目标信号。

作为本申请另一实施例，所述提取所述目标信号中的变化值作为最终状态改变量包括：

提取所述第一目标信号中的变化值并作为振动改变量；

提取所述第二目标信号中的变化值并作为应变改变量；

提取所述第三目标信号中的变化值并作为温度改变量。

作为本申请另一实施例，在所述提取所述第三目标信号中的变化值并作为温度改变量之后还包括：

若所述振动改变量不满足预设要求，则进行预警；

若所述应变改变量不满足预设要求，则进行预警；

若所述温度改变量不满足预设要求，则进行预警。

本发明提供的分布式光纤传感监测系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明分布式光纤传感监测系统中第一光源通过第一调制器和第一环形器向光纤的一端输入脉冲光，第二光源通过第二调制器和第二环形器向光纤的另一端输入脉冲光，并且通过第一调制器和第二调制器的配合，使两种脉冲光能够相互增强。对第一环形器和第二环形器输出的散射信号进行预处理从而得到第一待测信号和第二待测信号。在通过计算机提取出第一待测信号和第二待测信号的距离信息后进行比较，将距离信息较小的待测信号作为目标信号，提取出目标信号的变化值并将该变坏值作为最终状态改变量。

本申请中，通过在光纤的两端分别设置光源，能够弥补长距离光纤精度降低的避免，由于两个光源会得到两个待测信号，通过比较待测信号中的距离信号，距离较小的待测信号表明距离相应光源的距离较小，从而能够更精确的表明最终状态的改变量，提高了长距离光纤的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分布式光纤传感监测系统的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，现对本发明提供的分布式光纤传感监测系统进行说明。分布式光纤传感监测系统，包括第一光源依次通过第一调制器和第一环形器向光纤内输入脉冲光；第二光源依次通过第二调制器和第二环形器向光纤远离第一光源的一端输入脉冲光；将第二调制器与第一调制器进行配合，使得从光纤两端注入的两种脉冲光相互增强。

分别获取第一环形器和第二环形器所输出的散射信号，对两个散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号。

通过计算机提取第一待测信号和第二待测信号中的距离信息，将距离信息较小的待测信号作为目标信号，提取目标信号中的变化值作为最终状态改变量。

本发明提供的分布式光纤传感监测系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明分布式光纤传感监测系统中第一光源通过第一调制器和第一环形器向光纤的一端输入脉冲光，第二光源通过第二调制器和第二环形器向光纤的另一端输入脉冲光，并且通过第一调制器和第二调制器的配合，使两种脉冲光能够相互增强。对第一环形器和第二环形器输出的散射信号进行预处理从而得到第一待测信号和第二待测信号。在通过计算机提取出第一待测信号和第二待测信号的距离信息后进行比较，将距离信息较小的待测信号作为目标信号，提取出目标信号的变化值并将该变坏值作为最终状态改变量。

本申请中，通过在光纤的两端分别设置光源，能够弥补长距离光纤精度降低的避免，由于两个光源会得到两个待测信号，通过比较待测信号中的距离信号，距离较小的待测信号表明距离相应光源的距离较小，从而能够更精确的表明最终状态的改变量，提高了长距离光纤的检测精度。

现有的仅会在光纤的一端设置光源、调整器和环形器，由于衰减等原因，会使得光纤远离光源的一端的信号失真较大，同时向后散射的信号在传输过程中同样会经过衰减。因此现有的分布式光纤传感系统有一定的长度限制，也即超过特定的长度检测精度无法保证。

而本申请中通过在光纤的两端均设置光源，两个光源同时向光纤内输入光信号，由于两个光源对应两个环形器，而两个环形器会输出两个信号，这两个信号均是向后散射的信号，也即每个信号均是表明状态发生点距离两侧光源的距离，两个信号内的距离信息相加即为光纤的总长，因此选择距离较小的信号，即表明状态发生点距离该侧的光源较近，从而精度也就越高。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，将第二调制器与第一调制器进行配合，使得从光纤两端注入的两种脉冲光相互增强包括：

根据光纤的长度以及第一调制器所发出的脉冲光参数，通过第二光源和第二调制器向光纤输入脉冲光。

第一光源和第二光源为规格相同的光源，在实际应用时首先通过第一光源和第一调制器向光纤内输入脉冲光，通过调整第二调制器，使得第二光源通过第二调制器后输入到光纤的脉冲光能够对第一调制器对应的脉冲光进行增强。

通过调整两种脉冲光时域的信息，从而在光纤全长内的脉冲光均能够得到增强。现有的有效的检测长度为Akm，而本申请中的有效的光纤检测长度将大于2Akm，进而拥有不可比拟的优势。通常情况下第一调制器和第二调制器调节的情况同样相同。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，根据光纤的长度以及第一调制器所发出的脉冲光参数包括：

调整第一光源和第一调制器以及第二光源和第二调制器，使光纤两端输出的脉冲光参数相同，启动第一环形器和第二环形器。

由于脉冲光在不同长度的光纤内传输时会有不同程度的衰减，并且两种脉冲光在同一光纤内会产生一定的干涉，因此当第一调制器和第二调制器设定的参数一样时，光纤两端排出的脉冲光也有可能存在差异，为了便于调节，通常情况下，首先接通第一光源、第一调制器和第一环形器，通过光纤排出的脉冲光初步设定第二光源和第二调制器，然后观察光纤两端脉冲光的排出情况，调节第二光源和第二调制器最终使得光纤两端输出的脉冲光参数相同，并且同时排出。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，对两个散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

通过网络将第一待测信号和第二待测信号传输至计算机。

由于本申请中，由于光纤的长度较长，为了便于对数据的准确把握，在第一环形器和第二环形器的输出端均连接有通信模块，在通信模块和第一环形器以及通信模块在第二环形器之间均设置有转换模块，转换模块用于将第一环形器和第二环形器输出的光信号转换为电信号，然后由通信模块通过网络进行传输。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，分别获取第一环形器和第二环形器所输出的散射信号包括：

将第一环形器和第二环形器所输出的信号分别通过耦合器，将耦合器输出三个信号均作为散射信号。

通过将第一环形器和第二环形器输出的信号通过耦合器进行分流，通过分流能够为后续分析振动、应变和温度提供信号源，由于本申请中设置有第一环形器和第二环形器，因此耦合器的数量为两个。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，对散射信号进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

将第一环形器所对应的三个散射信号分别进行瑞利光过滤、斯托克斯光过滤和拉曼光过滤，分别过滤出第一瑞利光、第一斯托克斯光和第一拉曼光。

将第二环形器所对应的三个散射信号分别进行瑞利光过滤、斯托克斯光过滤和拉曼光过滤，分别过滤出第二瑞利光、第二斯托克斯光和第二拉曼光。

在实际应用的过程中，通过滤光器进行过滤，滤光器用于过滤拉曼散射光、瑞利散射光和斯托克斯散射光中的两种，举例瑞利光滤光器用于过滤斯托克斯光和拉曼光，最终得到瑞利光。

调制器是电光调制器、声光调制器、磁光调制器、电吸收调制器和高速光开关中的一种。环形器用于将散射回来的激光分出来，输出给耦合器。光源包括激光器以及与激光器连接的激光驱动器。激光器为窄线宽光纤激光器或者窄线宽半导体激光器，激光驱动器用于驱动激光器发出激光。激光驱动器是采用高速电路制作的电流驱动器。激光器是半导体激光器，可根据激光驱动的驱动电流来发射激光，耦合器采用Y型光纤耦合器。

本申请中的参量可为温度、振动和应变中的一种。不同的参量可由不同的散射光信号反映出来，首先，瑞利散射光信号可用于检测光纤内的振动。斯托克斯散射光信号主要用于检测传感光纤受到的应变的变化。拉曼散射光信号主要用于检测光纤受到的温度变化。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，对散射信号进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

对第一瑞利光、第一斯托克斯光、第一拉曼光、第二瑞利光、第二斯托克斯光和第二拉曼光均依次进行放大和光电转换，得到第一瑞利光待测信号、第一斯托克斯光待测信号、第一拉曼光待测信号、第二瑞利光待测信号、第二斯托克斯光待测信号和第二拉曼光待测信号。

信号处理器包括线型连接的放大器、数据采集器和数据处理器；放大器的输入端与拉曼光滤光器的输出端连接，数据处理器的输出端连接计算机。数据采集器用于采集经放大器放大的电信号。数据处理器用于处理数据采集器采集的数据，从而得出温度、振动和应力数据。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，将距离信息较小的待测信号作为目标信号包括：

比较第一瑞利光待测信号和第二瑞利光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第一目标信号。

比较第一斯托克斯光待测信号和第二斯托克斯光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第二目标信号。

比较第一拉曼光待测信号和第二拉曼光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第三目标信号。

向后散射的光包括距离信息和变化值，由于在经过滤光器的作用之后，会产生同类型的第一瑞利光信号和第二瑞利光信号，通过对比同类型的光中的距离信息，距离较小的则表明距离相应一侧的光源较近，此时精确度较高。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，提取目标信号中的变化值作为最终状态改变量包括：

提取第一目标信号中的变化值并作为振动改变量。

提取第二目标信号中的变化值并作为应变改变量。

提取第三目标信号中的变化值并作为温度改变量。

在实际应用时，主要是根据反馈的散射光信号的幅值以及两个相对应的波形中的间距来判断故障点故障发生的强度。在测试主机上设置有显示屏，用于显示当一个试验点的状态发生改变时，在测量主机上反馈的散射光信号的波形以及相应的距离信息，该距离信息表明光源距离故障发生点的位置。通过现有的技术虽然无法准确的知晓故障点具体的状态变化的幅度，但能够从反馈的信号中了解发生变化的位置。

OTDR(光时域反射仪)是利用光在光纤中的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。分布式光纤传感系统就是一种基于OTDR技术的新型的实时、分布式测量系统。目前商业化的分布式光纤传感系统有基于拉曼散射原理的分布式光纤温度传感系统和基于自发布里渊散射原理的分布式光纤温度和应变传感系统等。

作为本发明提供的分布式光纤传感监测系统的一种具体实施方式，在提取第三目标信号中的变化值并作为温度改变量之后还包括：

若振动改变量不满足预设要求，则进行预警。

若应变改变量不满足预设要求，则进行预警。

若温度改变量不满足预设要求，则进行预警。

本申请中预设要求为一特定的值，以振动改变量为例，若该改变量超过一定的标准，则表明光纤上某点的振动过大，为了安全进行预警，并且通过距离信息能够知道获悉状态发生改变的具体位置点。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.分布式光纤传感监测系统，其特征在于，包括：

第一光源依次通过第一调制器和第一环形器向光纤内输入脉冲光；第二光源依次通过第二调制器和第二环形器向所述光纤远离所述第一光源的一端输入脉冲光；将所述第二调制器与所述第一调制器进行配合，使得从所述光纤两端注入的两种脉冲光相互增强；

分别获取所述第一环形器和所述第二环形器所输出的散射信号，对两个所述散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号；

通过计算机提取所述第一待测信号和所述第二待测信号中的距离信息，将距离信息较小的待测信号作为目标信号，提取所述目标信号中的变化值作为最终状态改变量；

所述将所述第二调制器与所述第一调制器进行配合，使得从所述光纤两端注入的两种脉冲光相互增强包括：

根据所述光纤的长度以及所述第一调制器所发出的脉冲光参数，通过所述第二光源和所述第二调制器向所述光纤输入脉冲光；

所述根据所述光纤的长度以及所述第一调制器所发出的脉冲光参数包括：

调整所述第一光源和所述第一调制器以及所述第二光源和所述第二调制器，使所述光纤两端输出的脉冲光参数相同，启动第一环形器和所述第二环形器。

2.如权利要求1所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，所述对两个所述散射信号均进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

通过网络将所述第一待测信号和所述第二待测信号传输至所述计算机。

3.如权利要求2所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，所述分别获取所述第一环形器和所述第二环形器所输出的散射信号包括：

将所述第一环形器和所述第二环形器所输出的信号分别通过耦合器，将所述耦合器输出三个信号均作为所述散射信号。

4.如权利要求3所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，所述对所述散射信号进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

将所述第一环形器所对应的三个所述散射信号分别进行瑞利光过滤、斯托克斯光过滤和拉曼光过滤，分别过滤出第一瑞利光、第一斯托克斯光和第一拉曼光；

将所述第二环形器所对应的三个所述散射信号分别进行瑞利光过滤、斯托克斯光过滤和拉曼光过滤，分别过滤出第二瑞利光、第二斯托克斯光和第二拉曼光。

5.如权利要求4所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，所述对所述散射信号进行预处理得到第一待测信号和第二待测信号包括：

对所述第一瑞利光、所述第一斯托克斯光、所述第一拉曼光、所述第二瑞利光、所述第二斯托克斯光和所述第二拉曼光均依次进行放大和光电转换，得到第一瑞利光待测信号、第一斯托克斯光待测信号、第一拉曼光待测信号、第二瑞利光待测信号、第二斯托克斯光待测信号和第二拉曼光待测信号。

6.如权利要求5所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，所述将距离信息较小的待测信号作为目标信号包括：

比较所述第一瑞利光待测信号和所述第二瑞利光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第一目标信号；

比较所述第一斯托克斯光待测信号和所述第二斯托克斯光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第二目标信号；

比较所述第一拉曼光待测信号和所述第二拉曼光待测信号中的距离信息，将距离较小者作为第三目标信号。

7.如权利要求6所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，所述提取所述目标信号中的变化值作为最终状态改变量包括：

提取所述第一目标信号中的变化值并作为振动改变量；

提取所述第二目标信号中的变化值并作为应变改变量；

提取所述第三目标信号中的变化值并作为温度改变量。

8.如权利要求7所述的分布式光纤传感监测系统，其特征在于，在所述提取所述第三目标信号中的变化值并作为温度改变量之后还包括：

若所述振动改变量不满足预设要求，则进行预警；

若所述应变改变量不满足预设要求，则进行预警；

若所述温度改变量不满足预设要求，则进行预警。

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