CN113624363B - 一种光纤温度监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光纤温度监测装置，属于光纤温度监测装置技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种光纤温度监测装置硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、比值调节模块、数据采集模块、数据处理模块，第一激光器、第二激光器的输出端分别连接至第一波分复用器的a、b输入端，第一波分复用器将接收到激光耦合到同一根光纤中，将耦合的激光输出到比值调节模块的输入端，比值调节模块将耦合的激光经过比值调节后输出至数据采集模块的输入端；数据采集模块将采集到的数据从数据采集模块的输出端输出至数据处理模块；数据处理模块将采集到的数据进行信号处理；本发明应用于光纤温度监测。
Description
技术领域
本发明一种光纤温度监测装置，属于光纤温度监测装置技术领域。
背景技术
近年来，国内发生了多起由电力设备故障引起的大规模停电和火灾事故，发生这些事故的原因是由于其缺少有效地监测手段。由于分布式光纤拉曼温度传感系统（DTS）监测范围广，且传感光纤易于铺设，具有耐腐蚀、体积小、不受电磁干扰、电绝缘等特性，非常适用于解决电缆传输中对温度的实时监测、故障定位与隐患发现等问题。
分布式光纤拉曼温度传感(DTS)的基本原理是结合脉冲激光在光纤中传输时产生的反斯托克斯拉曼散射信号的温敏特性和光时域反射技术（OTDR）的定位方法，实现光纤沿线分布式的温度传感检测和异常温度点的精确定位。
传统的温度解调方案主要有单信道温度解调和双信道温度解调两种解调方法，其中双信道温度解调的效果要远胜于单信道温度解调。而传统分布式光纤拉曼测温传感收集和处理的是后向拉曼散射光的传感信息，后向拉曼散射光光强是入射光光强的几万分之一，斯托克斯散射光光强又远大于反斯托克斯散射光光强，这会导致采集信号困难以及温度解调精度较差等问题。因此，提升实时性能并优化传统的双信道温度解调方案仍是分布式光纤拉曼温度传感系统需要解决的问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种光纤温度监测装置硬件结构的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种光纤温度监测装置，包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、比值调节模块、数据采集模块、数据处理模块，所述第一激光器的输出端连接至第一波分复用器的a输入端，所述第二激光器的输出端连接至第一波分复用器的b输入端，所述第一波分复用器将接收到的第一激光器、第二激光器的激光耦合到同一根光纤中，第一波分复用器的c输出端将耦合的激光输出到比值调节模块的输入端，比值调节模块中设置有基于后向瑞利散射光与后向拉曼散射的反斯托克斯光强度的比值解调和基于拉曼散射的斯托克斯光与反斯托克斯光强度的比值解调共存的比值调节，比值调节模块将耦合的激光经过比值调节后输出至数据采集模块的输入端；
所述数据采集模块以设定的采样率进行数据采集，并将采集到的数据从数据采集模块的输出端输出至数据处理模块；
所述数据处理模块将采集到的数据进行滤波、去噪、幅值解调与相位解调信号处理，并将解调到的外界信号实时显示出来。
所述比值调节模块包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制器、信号发生器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二波分复用器、第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管、光电探测器、平衡光电探测器，具体光路结构为：
所述第一波分复用器的c输出端连接至第一光纤耦合器的a输入端；所述第一光纤耦合器的b输出端连接至第二光纤耦合器的a输入端，第一光纤耦合器的c输出端连接至声光调制器的输入端；
所述声光调制器的输出端连接至半导体光放大器的a输入端；所述信号发生器的输出端连接至半导体光放大器的b输入端；所述半导体光放大器的c输出端连接至掺铒光纤放大器的输入端；所述掺铒光纤放大器的输出端连接至环形器的a输入端；
所述环形器的b输出端连接至传感光纤的输入端，环形器的c输出端连接至第二波分复用器的a输入端；所述第二波分复用器的b输出端连接至第二光纤耦合器的b输入端，第二波分复用器的c输出端连接至第一雪崩光电二极管的输入端，第二波分复用器的d输出端连接至第二雪崩光电二极管的输入端，第二波分复用器的e输出端连接至光电探测器的输入端；
所述第二光纤耦合器的c输出端连接至平衡光电探测器的a输入端，第二光纤耦合器的d输出端连接至平衡光电探测器的b输入端；
所述平衡光电探测器的c输出端连接至数据采集模块的a输入端；所述第一雪崩光电二极管的输出端连接至数据采集模块的b输入端；所述第二雪崩光电二极管的输出端连接至数据采集模块的c输入端；所述光电探测器的输出端连接至数据采集模块的d输入端。
所述第一激光器具体采用1550nm激光器，发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光进入第一波分复用器的a输入端；
所述第二激光器具体采用1310nm激光器，发出中心波长为1310nm的脉冲光进入第一波分复用器的b输入端。
所述数据处理模块内部设置有对光纤断点进行检测的模块，具体采用OTDR故障检测与相干探测振动检测进行断点检测，所述数据处理模块对采集到的1310nm波长的信号进行解调处理，通过反馈回来的菲涅尔反射峰找到断点的初步位置；
若检测到断点，在该位置附近对传感光纤施加振动影响，数据处理模块将从平衡光电探测器采集到的数据根据不同的脉冲宽度分为两组，在时域内进行差分运算，根据断点前后还原的振动信号幅值具有较大差异进一步找到更准确的断点位置，从而对破损处的光纤进行修复。
所述第一光纤耦合器将激光分为1%和99%两部分，第一光纤耦合器的b输出端输出1%的探测光至第二光纤耦合器的a输入端，第一光纤耦合器的c输出端输出99%的探测光至声光调制器的输入端。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明改进了传统的双信道温度解调方案，采取一种基于后向瑞利散射光与拉曼散射的反斯托克斯光强度的比值的解调方案。借助瑞利散射光在后向散射光所占的比例较大同时对温度也不敏感的特性，有效提升了系统的灵敏度和精度。
本发明采用基于后向瑞利散射光与后向拉曼散射的反斯托克斯光强度的比值解调和传统的基于拉曼散射的斯托克斯光与反斯托克斯光强度的比值解调共存的方案。由于瑞利散射光对振动较为敏感，当无外界扰动的情况下，采用改进的后向瑞利散射光与后向拉曼散射的反斯托克斯光强度的比值解调方案进行温度解调；当存在外界扰动的情况下，采用传统的基于拉曼散射的斯托克斯光与反斯托克斯光强度的比值解调方案进行解调。在实际应用中可根据外界环境的情况选择合适的方案。
本发明融合传统OTDR故障检测技术与相干探测振动监测技术，实现光纤断裂损伤故障快速检测及准确定位，通过断点前后还原的振动信号幅值具有较大差异进一步找到更准确的断点位置。为诊断、定位并有效地修复故障点提供直接参考，具有结构简单、操作简便、抗电磁干扰能力强、分布式探测的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图中：1、第一激光器；2、第二激光器；3、第一波分复用器；4、第一光纤耦合器；5、第二光纤耦合器；6、声光调制器；7、信号发生器；8、半导体光放大器；9、掺铒光纤放大器；10、环形器；11、传感光纤；12、第二波分复用器；13、第一雪崩光电二极管；14、第二雪崩光电二极管；15、光电探测器；16、平衡光电探测器；17、数据采集模块；18、数据处理模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种光纤温度监测装置，包括：1550nm的第一激光器1、1310nm的第二激光器2、第一波分复用器3、第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器5、声光调制器6、信号发生器7、半导体光放大器8、掺铒光纤放大器9、环形器10、传感光纤11、第二波分复用器12、第一雪崩光电二极管13、第二雪崩光电二极管14、光电探测器15、平衡光电探测器16、数据采集模块17、数据处理模块18。图1是本发明光纤温度监测装置的结构示意图，下面结合图1说明本发明的具体实施方式。
所述的1550nm第一激光器1发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光进入第一波分复用器3的a输入端；所述的1310nm第二激光器2发出中心波长为1310nm的脉冲光进入第一波分复用器3的b输入端；所述的第一波分复用器3将接收到的1550nm和1310nm的激光耦合到同一根光纤中，第一波分复用器3的c输出端将耦合的激光输出到第一光纤耦合器4的a输入端；所述的第一光纤耦合器4将激光分为1%和99%两部分，第一光纤耦合器4的b输出端输出1%的探测光1至第二光纤耦合器5的a输入端，第一光纤耦合器4的c输出端输出99%的探测光2至声光调制器6的输入端；所述的声光调制器6令连续探测光产生频移，调制后的探测光从声光调制器6的输出端输出到半导体光放大器8的a输入端；所述的信号发生器7连接半导体光放大器8的b输入端并为其提供驱动脉冲信号，将探测光调制放大为脉冲宽度100ns的脉冲光经掺铒光纤放大器9进行功率放大后进入环形器10的a输入端；探测脉冲光经环形器10的b端口输出到传感光纤11中；所述的传感光纤11产生的后向散射光返回光经环形器10的b端口，经环形器10的c输出端输出至第二波分复用器12的a输入端；所述的第二波分复用器12的b输出端将滤出的1310nm波长的激光输出到第二光纤耦合器5的b输入端，第二波分复用器12的c输出端将滤出的1450nm波长的激光输出到第一雪崩光电二极管13的输入端，第二波分复用器12的d输出端将滤出的1660nm波长的激光输出到第二雪崩光电二极管14的输入端，第二波分复用器12的e输出端将滤出的1550nm波长的激光输出到光电探测器15的输入端；所述的第二光纤耦合器5将激光分为50%和50%两部分，第二光纤耦合器5的c输出端输出50%的一路探测光至平衡光电探测器16的a输入端，第二光纤耦合器5的d输出端输出50%的另一路探测光至平衡光电探测器16的b输入端；所述的第一雪崩光电二极管13将光信号转换为电信号并输出至数据采集模块17的b输入端；所述的第一雪崩光电二极管14将光信号转换为电信号并输出至数据采集模块17的c输入端；所述的光电探测器15将光信号转换为电信号并输出至数据采集模块17的d输入端；所述的平衡光电探测器16将光信号转换为电信号并输出至数据采集模块17的a输入端；所述的数据采集模块17以100MSPS的采样率进行数据采集，并将采集到的数据从数据采集模块17的e输出端输出至数据处理模块18；所述的数据处理模块18将采集到的数据进行滤波、去噪、幅值解调与相位解调等信号处理，并将解调到的外界信号实时显示出来。
在进行温度监测之前，为防止光纤存在破损、断裂的情况，系统采用OTDR故障检测技术与相干探测振动检测技术进行断点检测，所述的数据处理模块18对采集到的1310nm波长的信号进行解调处理，通过反馈回来的菲涅尔反射峰找到断点的大致位置。若检测到断点，在该位置附近对传感光纤施加振动影响，数据处理模块18将从平衡光电探测器16采集到的数据根据不同的脉冲宽度分为两组，在时域内进行差分运算，根据断点前后还原的振动信号幅值具有较大差异进一步找到更准确的断点位置，从而对破损处的光纤及时修复。
系统自诊断完成后，根据外界环境的不同采用不同的方案进行温度检测。
在有外界扰动的情况下，系统采用传统的的双信道温度解调方案，所述的数据处理模块18对采集到的1660nm波长的拉曼斯托克斯信号和1450nm波长的拉曼反斯托克斯信号进行解调去噪处理，得到实时温度。
在无外界扰动的情况下，系统采用改进的双信道温度解调方案，所述的数据处理模块18对采集到的1550nm波长的瑞利信号和1450nm波长的拉曼反斯托克斯信号进行温度解调去噪处理，使系统的测温精度和稳定性得到提升。
本发明的光纤温度监测装置，在传统的双信道解调的基础上对系统进行改进，采取一种基于后向瑞利散射光与拉曼散射的反斯托克斯光强度的比值的解调方案。该解调方法采用光纤中的瑞利散射曲线来解调拉曼散射的反斯托克斯曲线，瑞利散射在后向散射光所占的比例很大，且瑞利信号对温度也并不敏感，因此在参考温度处和解调温度处的功率大致相同。用后向瑞利散射光代替传统方案中后向拉曼散射的斯托克斯反射光来进行温度解调，会使系统更加稳定，灵敏度和精度也会更精准。并且融合传统OTDR故障检测技术与相干探测振动监测技术，在探测模式下不断发出脉冲光并根据后向散射曲线的计算结果，测得光纤断点与接头的距离，根据断点前后还原的振动信号幅值具有较大差异进一步找到更准确的断点位置。因此，上述一种光纤温度监测装置能够为解决电缆传输中对温度的实时监测、故障定位与隐患发现等问题提供直接参考，具有结构简单、操作简便、抗电磁干扰能力强、分布式探测的优点。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
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 (4)
1.一种光纤温度监测装置，其特征在于：包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、第一波分复用器（3）、比值调节模块、数据采集模块（17）、数据处理模块（18），所述第一激光器（1）的输出端连接至第一波分复用器（3）的a输入端，所述第二激光器（2）的输出端连接至第一波分复用器（3）的b输入端，所述第一波分复用器（3）将接收到的第一激光器（1）、第二激光器（2）的激光耦合到同一根光纤中，第一波分复用器（3）的c输出端将耦合的激光输出到比值调节模块的输入端，比值调节模块中设置有基于后向瑞利散射光与后向拉曼散射的反斯托克斯光强度的比值解调和基于拉曼散射的斯托克斯光与反斯托克斯光强度的比值解调共存的比值调节，比值调节模块将耦合的激光经过比值调节后输出至数据采集模块（17）的输入端；
所述数据采集模块（17）以设定的采样率进行数据采集，并将采集到的数据从数据采集模块（17）的输出端输出至数据处理模块（18）；
所述数据处理模块（18）将采集到的数据进行滤波、去噪、幅值解调与相位解调信号处理，并将解调到的外界信号实时显示出来；
所述比值调节模块包括第一光纤耦合器（4）、第二光纤耦合器（5）、声光调制器（6）、信号发生器（7）、半导体光放大器（8）、掺铒光纤放大器（9）、环形器（10）、传感光纤（11）、第二波分复用器（12）、第一雪崩光电二极管（13）、第二雪崩光电二极管（14）、光电探测器（15）、平衡光电探测器（16），具体光路结构为：
所述第一波分复用器（3）的c输出端连接至第一光纤耦合器（4）的a输入端；所述第一光纤耦合器（4）的b输出端连接至第二光纤耦合器（5）的a输入端，第一光纤耦合器（4）的c输出端连接至声光调制器（6）的输入端；
所述声光调制器（6）的输出端连接至半导体光放大器（8）的a输入端；所述信号发生器（7）的输出端连接至半导体光放大器（8）的b输入端；所述半导体光放大器（8）的c输出端连接至掺铒光纤放大器（9）的输入端；所述掺铒光纤放大器（9）的输出端连接至环形器（10）的a输入端；
所述环形器（10）的b输出端连接至传感光纤（11）的输入端，环形器（10）的c输出端连接至第二波分复用器（12）的a输入端；所述第二波分复用器（12）的b输出端连接至第二光纤耦合器（5）的b输入端，第二波分复用器（12）的c输出端连接至第一雪崩光电二极管（13）的输入端，第二波分复用器（12）的d输出端连接至第二雪崩光电二极管（14）的输入端，第二波分复用器（12）的e输出端连接至光电探测器（15）的输入端；
所述第二光纤耦合器（5）的c输出端连接至平衡光电探测器（16）的a输入端，第二光纤耦合器（5）的d输出端连接至平衡光电探测器（16）的b输入端；
所述平衡光电探测器（16）的c输出端连接至数据采集模块（17）的a输入端；所述第一雪崩光电二极管（13）的输出端连接至数据采集模块（17）的b输入端；所述第二雪崩光电二极管（14）的输出端连接至数据采集模块（17）的c输入端；所述光电探测器（15）的输出端连接至数据采集模块（17）的d输入端。
2.根据权利要求1所述的一种光纤温度监测装置，其特征在于：所述第一激光器（1）具体采用1550nm激光器，发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光进入第一波分复用器（3）的a输入端；
所述第二激光器（2）具体采用1310nm激光器，发出中心波长为1310nm的脉冲光进入第一波分复用器（3）的b输入端。
3.根据权利要求2所述的一种光纤温度监测装置，其特征在于：所述数据处理模块（18）内部设置有对光纤断点进行检测的模块，具体采用OTDR故障检测与相干探测振动检测进行断点检测，所述数据处理模块（18）对采集到的1310nm波长的信号进行解调处理，通过反馈回来的菲涅尔反射峰找到断点的初步位置；
若检测到断点，在该位置附近对传感光纤施加振动影响，数据处理模块（18）将从平衡光电探测器（16）采集到的数据根据不同的脉冲宽度分为两组，在时域内进行差分运算，根据断点前后还原的振动信号幅值具有较大差异进一步找到更准确的断点位置，从而对破损处的光纤进行修复。
4.根据权利要求1所述的一种光纤温度监测装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器（4）将激光分为1%和99%两部分，第一光纤耦合器（4）的b输出端输出1%的探测光至第二光纤耦合器（5）的a输入端，第一光纤耦合器（4）的c输出端输出99%的探测光至声光调制器（6）的输入端。
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