CN114076634A - 分布式光纤的传感系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种分布式光纤的传感系统，该系统包括：温度监测子系统，用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号；振动监测子系统，用于监测分布式光纤的振动，得到振动信号；处理器，与温度监测子系统和振动监测子系统通信连接，用于根据温度信号和振动信号确定告警信息，告警信息包括温度异常的位置区域和振动发生的位置区域。该传感系统通过温度监测子系统和振动监测子系统分别监测分布式光纤的温度和振动，处理器根据监测的温度信号和振动信号确定温度异常和振动发生的位置，从而发出告警信息，降低了告警误报率，两个定位位置互相验证，提高了定位精度，解决了分布式光纤检测系统的误报率高且定位误差大的问题。

Description

分布式光纤的传感系统

技术领域

本申请涉及分布式光纤传感领域，具体而言，涉及一种分布式光纤的传感系统。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的一种崭新的传感技术。在光纤通信系统中，光纤作为远距离传输光波信号的媒质，人们很快发现，通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因素十分敏感，如温度、压力等环境条件的变化将引起光波参量，如强度、相位、频率、偏振态等的变化。这一现象启发人们提出了光纤传感的概念。如果能测出光波参量的变化，就可以解调出导致这些光波参量变化的温度、压力等物理量的大小。

由于光纤本身的诸多优点：如工作频带宽、动态范围大、适合于遥测遥控、长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蚀、本质绝缘、抗电磁干扰、抗辐射性能好、对被测环境影响小等等。这使光纤传感技术能够应用到传统传感方法极难或不能测量的场合，特别是航空航天、航海、石油化工、电力工业、核工业、医疗器械、科学研究等技术领域。

分布式传感技术除了具有光纤传感器的优点外，还有多参量、大容量、高分辨率、长距离、便于构成智能型网络等独特的优越性。它集传感和传输于一体，能实现远距离的测量与监控，仅经过一次的测定就可以获得整个光纤区域的一维情况分布图，无需构成回路；只用一套系统便可实现在一个长达数公里甚至几十公里的传感器光纤环路上获得大量相对连续的数据信息。

但是，现有的分布式光纤检测系统的误报率较高，定位误差较大。

在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种分布式光纤的传感系统，以解决现有技术中分布式光纤检测系统的误报率高且定位误差大的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种分布式光纤的传感系统，包括：温度监测子系统，用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号；振动监测子系统，用于监测所述分布式光纤的振动，得到振动信号；处理器，与所述温度监测子系统和所述振动监测子系统通信连接，用于根据所述温度信号和所述振动信号确定告警信息，所述告警信息包括温度异常的位置区域和振动发生的位置区域。

可选地，所述分布式光纤包括多模光纤，所述温度监测子系统包括：第一激光光源；波分复用器，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口与所述第一激光光源连接，所述第二端口与所述多模光纤连接，用于将所述第一激光光源发出的光传输至所述多模光纤，并接收从所述多模光纤返回的斯托克斯光和反斯托克斯光；第一光电探测器，与所述第三端口和所述第四端口连接，用于将所述第三端口输出的斯托克斯光转换为第一温度信号，将所述第四端口输出的反斯托克斯光转换为第二温度信号。

可选地，所述分布式光纤还包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述振动监测子系统包括：第二激光光源；第一耦合器，包括第五端口、第六端口和第七端口，所述第五端口与所述第二激光光源连接；第二耦合器，包括第八端口、第九端口、第十端口和第十一端口，所述第八端口与所述第六端口连接，所述第九端口与所述第一单模光纤的一端连接，所述第十端口与所述第二单模光纤的一端连接；第三耦合器，包括第十二端口、第十三端口和第十四端口，所述第十二端口与所述第七端口连接，所述第十三端口与所述第三单模光纤的一端连接；第四耦合器，包括第十五端口、第十六端口和第十七端口，所述第十五端口与所述第一单模光纤的另一端连接，所述第十六端口与所述第二单模光纤的另一端连接，所述第十七端口与所述第三单模光纤的另一端连接；第二光电探测器，与所述第十一端口连接，用于将所述第十一端口输出的光信号转换为第一振动信号；第三光电探测器，与所述第十四端口连接，用于将所述第十四端口输出的光信号转换为第二振动信号。

可选地，所述传感系统还包括：数据采集器，与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述处理器连接，用于将所述第一温度信号、所述第二温度信号、所述第一振动信号和所述第二振动信号传输至所述处理器。

可选地，所述第一激光光源为脉冲光源，所述脉冲光源发出的脉冲光的中心波长1550nm，所述脉冲光的平均功率为2mW，所述脉冲光的频率10kHz。

可选地，所述波分复用器的中心波长包括1450nm、1550nm和1660nm。

可选地，所述第一光电探测器的中心波长为1550nm，所述第一光电探测器为铟砷化镓-雪崩二极管。

可选地，所述第二激光光源的中心波长为1550nm，所述第二激光光源的线宽小于5000Hz。

可选地，所述第一耦合器、所述第二耦合器、所述第三耦合器和所述第四耦合器为3dB耦合器，所述3dB耦合器的偏振相关损耗小于0.02dB，所述3dB耦合器的回波损耗大于50dB。

可选地，所述第二光电探测器与第三光电探测器为PIN场效应晶体管，所述PIN场效应晶体管的放大倍数为1～2000，所述PIN场效应晶体管的带宽为1MHZ。

在本发明实施例中，上述分布式光纤的传感系统中，温度监测子系统用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号，振动监测子系统用于监测分布式光纤的振动，得到振动信号，处理器与温度监测子系统和振动监测子系统连接，处理器用于根据温度信号和振动信号确定告警信息，告警信息包括温度异常和振动发生的位置。上述传感系统通过温度监测子系统和振动监测子系统分别监测分布式光纤的温度和振动，处理器根据监测的温度信号和振动信号确定温度异常和振动发生的位置，从而发出告警信息，即通过同时监测温度和振动两个指标，大大降低了告警误报率，并且两个定位位置互相验证，提高了定位精度，解决了分布式光纤检测系统的误报率高且定位误差大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的一种实施例的分布式光纤的传感系统的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

01、多模光纤；02、第一单模光纤；03、第二单模光纤；04、第三单模光纤；10、温度监测子系统；11、第一激光光源；12、波分复用器；121、第一端口；122、第二端口；123、第三端口；124、第四端口；13、第一光电探测器；20、振动监测子系统；21、第二激光光源；22、第一耦合器；221、第五端口；222、第六端口；223、第七端口；23、第二耦合器；231、第八端口；232、第九端口；233、第十端口；234、第十一端口；24、第三耦合器；241、第十二端口；242、第十三端口；243、第十四端口；25、第四耦合器；251、第十五端口；252、第十六端口；253、第十七端口；26、第二光电探测器；27、第三光电探测器；30、处理器；40、数据采集器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术中所说的，现有技术中分布式光纤检测系统的误报率高且定位误差大，为了解决上述问题，本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种分布式光纤的传感系统。

根据本申请的实施例，提供了一种分布式光纤的传感系统。

图1是根据本申请实施例的分布式光纤的传感系统的示意图。如图1所示，该系统包括：

温度监测子系统10，用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号；

振动监测子系统20，用于监测上述分布式光纤的振动，得到振动信号；

处理器30，与上述温度监测子系统10和上述振动监测子系统20通信连接，用于根据上述温度信号和上述振动信号确定告警信息，上述告警信息包括温度异常的位置区域和振动发生的位置区域。

上述分布式光纤的传感系统中，温度监测子系统用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号，振动监测子系统用于监测分布式光纤的振动，得到振动信号，处理器与温度监测子系统和振动监测子系统连接，处理器用于根据温度信号和振动信号确定告警信息，告警信息包括温度异常和振动发生的位置。上述传感系统通过温度监测子系统和振动监测子系统分别监测分布式光纤的温度和振动，处理器根据监测的温度信号和振动信号确定温度异常和振动发生的位置，从而发出告警信息，即通过同时监测温度和振动两个指标，大大降低了告警误报率，并且两个定位位置互相验证，提高了定位精度，解决了分布式光纤检测系统的误报率高且定位误差大的问题。

需要说明的是，上述处理器可以为计算机，计算机根据温度信号计算得到分布式光纤的温度，温度不在正常的温度区间，则发出温度告警信息至工作人员，告知工作人员温度异常的位置区域，计算机根据温度信号计算得到分布式光纤的振动幅度，振动幅度不在正常的振动幅度区间，则发出振动告警信息至工作人员，告知工作人员振动发生的位置区域，便于工作人员及时进行维修补救。

本申请的一种实施例中，如图1所示，上述分布式光纤包括多模光纤01，上述温度监测子系统10包括第一激光光源11、波分复用器12和第一光电探测器13，上述波分复用器12包括第一端口121、第二端口122、第三端口123和第四端口124，上述第一端口121与上述第一激光光源11连接，上述第二端口122与上述多模光纤01连接，用于将上述第一激光光源发出的光传输至上述多模光纤，并接收从上述多模光纤返回的斯托克斯光和反斯托克斯光；上述第一光电探测器13与上述第三端口123和上述第四端口124连接，上述第一光电探测器13用于将上述第三端口123输出的斯托克斯光转换为第一温度信号，将上述第四端口124输出的反斯托克斯光转换为第二温度信号。具体地，上述第一激光光源可以为高速脉冲光源，上述第一光电探测器可以为双通道光电探测器，上述高速脉冲光源发出的脉冲光通过第一端口传输至波分复用器，波分复用器将脉冲光合成一束，然后通过第二端口传输至多模光纤，从多模光纤返回斯托克斯光通过第三端口传输至双通道光电探测器，从多模光纤返回反斯托克斯光通过第四端口传输至双通道光电探测器，双通道光电探测器将斯托克斯光和反斯托克斯光分别转换为第一温度信号和第二温度信号。

本申请的一种实施例中，如图1所示，上述分布式光纤还包括第一单模光纤02、第二单模光纤03和第三单模光纤04，上述振动监测子系统20包括第二激光光源21、第一耦合器22、第二耦合器23、第三耦合器24、第四耦合器25、第二光电探测器26和第三光电探测器27，其中，上述第一耦合器22包括第五端口221、第六端口222和第七端口223，上述第五端口221与上述第二激光光源21连接；上述第二耦合器23包括第八端口231、第九端口232、第十端口233和第十一端口234，上述第八端口231与上述第六端口222连接，上述第九端口232与上述第一单模光纤02的一端连接，上述第十端口233与上述第二单模光纤03的一端连接；上述第三耦合器24包括第十二端口241、第十三端口242和第十四端口243，上述第十二端口241与上述第七端口223连接，上述第十三端口242与上述第三单模光纤04的一端连接；上述第四耦合器25包括第十五端口251、第十六端口252和第十七端口253，上述第十五端口251与上述第一单模光纤02的另一端连接，上述第十六端口252与上述第二单模光纤03的另一端连接，上述第十七端口253与上述第三单模光纤04的另一端连接；上述第二光电探测器26与上述第十一端口234连接，上述第二光电探测器26用于将上述第十一端口234输出的光信号转换为第一振动信号；上述第三光电探测器27与上述第十四端口243连接，上述第三光电探测器27用于将上述第十四端口243输出的光信号转换为第二振动信号。具体地，上述耦合器均为3dB耦合器，上述第二激光光源发出的光经过第一耦合器分成两束光，一束光经过第二耦合器分光后分别沿第一单模光纤和第二单模光纤正向传输，另一束光经过第三耦合器后沿第三单模光纤传输至第四耦合器，第四耦合器将这一束光分光后分别沿第一单模光纤和第二单模光纤反向传输，使得第一单模光纤和第二单模光纤内有正反两个方向的光传输，其中，正向传输的光的传输路径为第二耦合器-第一单模光纤和第二单模光纤-第四耦合器-第三单模光纤-第三耦合器，正向传输的光最终被第三光电探测器接收并转换为第二振动信号，正向传输的光的传输路径为第三耦合器-第三单模光纤-第四耦合器-第一单模光纤和第二单模光纤-第二耦合器，最终被第二光电探测器接收并转换为第一振动信号。

需要说明的是，上述振动监测子系统采用双M-Z振动监测结构，大大提高振动监测子系统的灵敏度。

本申请的一种实施例中，如图1所示，上述传感系统还包括数据采集器40，上述数据采集器40与上述第一光电探测器13、上述第二光电探测器26、上述第三光电探测器27和上述处理器30连接，用于将上述第一温度信号、上述第二温度信号、上述第一振动信号和上述第二振动信号传输至上述处理器30。具体地，上述数据采集器为四通道数据采集卡，四通道数据采集卡将采集的第一温度信号、第二温度信号、第一振动信号和第二振动信号传输至处理器，处理器对温度信号和振动信号进行后续处理。

本申请的一种实施例中，上述第一激光光源为脉冲光源，上述脉冲光源发出的脉冲光的中心波长1550nm，上述脉冲光的平均功率为2mW，上述脉冲光的频率10kHz。具体地，采用脉冲光源，可以周期性地对分布式光纤的温度异常进行检测，使得检测的温度信号时间断不连续的，便于区分，并且，技术人员还可以根据实际需求确定合适的检测频率，通过调整脉冲光的频率来调节检测频率至预定值。

本申请的一种实施例中，上述波分复用器的中心波长包括1450nm、1550nm和1660nm。具体地，上述波分复用器为1×3光纤波分复用器，基于薄膜滤波技术进行分光，其中心波长为1450nm，1550nm，1660nm，具有偏振相关损耗低、信道隔离度高、可靠性高的优点。

本申请的一种实施例中，上述第一光电探测器的中心波长为1550nm，上述第一光电探测器为铟砷化镓-雪崩二极管。具体地，上述第一光电探测器的材料为铟砷化镓，由于铟砷化镓的低损耗波长范围是1000nm～1700nm，第一光电探测器的中心波长设置为1550nm可以提高系统的信噪比。并且，铟砷化镓-雪崩二极管可以检测极其微弱的光信号，具有灵敏度高、响应速度快、噪声小、光电转换效率高等优点。

本申请的一种实施例中，上述第二激光光源为的中心波长为1550nm，上述第二激光光源的线宽小于5000Hz。具体地，由于振动监测子系统采用M-Z光纤干涉仪原理，因此对光源的性能要求很高，光源的线宽小于5000Hz，提高了相干长度，进而提高了振动监测子系统的定位精度，并且，使得光源实现超低相位噪声且相对强度噪声、高灵敏度、温度的波长稳定度极佳。

本申请的一种实施例中，上述第一耦合器、上述第二耦合器、上述第三耦合器和上述第四耦合器为3dB耦合器，上述3dB耦合器的偏振相关损耗小于0.02dB，上述3dB耦合器的回波损耗大于50dB。具体地，3dB耦合器可以将光按照1:1进行分光，进一步提高提高振动监测子系统的灵敏度，上述3dB耦合器的偏振相关损耗小于0.02dB，上述3dB耦合器的回波损耗大于50dB，减少光信号损耗的影响，提高信号传输距离，提高传感系统的检测距离

本申请的一种实施例中，上述第二光电探测器与第三光电探测器为PIN场效应晶体管，上述PIN场效应晶体管的放大倍数为1～2000，上述PIN场效应晶体管的带宽为1MHZ。具体地，通常采用与光源波长响应的光电探测器，即PIN场效应晶体管的中心波长1550nm，使其具有较高的光电探测器响应度，上述PIN场效应晶体管具有灵敏度高、响应时间短、噪声小、功耗小等特点。

本申请的一种实施例中，上述多模光纤的涂覆层材料为丙烯酸盐，使得多模光纤的工作温度范围为-50～85℃，外层护套材料为聚四氟乙烯，进一步将多模光纤的工作温度范围扩展为-195～260℃，使得光纤可以适用于复杂环境，如深山、边境线、矿区等。

本申请的一种实施例中，上述第一单模光纤、上述第二单模光纤和上述第三单模光纤内传输1550nm中心波长的光波时，损耗系数<0.20dB/km，减少光信号损耗的影响，提高信号传输距离，提高传感系统的检测距离。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的分布式光纤的传感系统中，温度监测子系统用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号，振动监测子系统用于监测分布式光纤的振动，得到振动信号，处理器与温度监测子系统和振动监测子系统连接，处理器用于根据温度信号和振动信号确定告警信息，告警信息包括温度异常和振动发生的位置。上述传感系统通过温度监测子系统和振动监测子系统分别监测分布式光纤的温度和振动，处理器根据监测的温度信号和振动信号确定温度异常和振动发生的位置，从而发出告警信息，即通过同时监测温度和振动两个指标，大大降低了告警误报率，并且两个定位位置互相验证，提高了定位精度，解决了分布式光纤检测系统的误报率高且定位误差大的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式光纤的传感系统，其特征在于，包括：

温度监测子系统，用于监测分布式光纤的温度，得到温度信号；

振动监测子系统，用于监测所述分布式光纤的振动，得到振动信号；

处理器，与所述温度监测子系统和所述振动监测子系统通信连接，用于根据所述温度信号和所述振动信号确定告警信息，所述告警信息包括温度异常的位置区域和振动发生的位置区域。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分布式光纤包括多模光纤，所述温度监测子系统包括：

第一激光光源；

波分复用器，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口与所述第一激光光源连接，所述第二端口与所述多模光纤连接，用于将所述第一激光光源发出的光传输至所述多模光纤，并接收从所述多模光纤返回的斯托克斯光和反斯托克斯光；

第一光电探测器，与所述第三端口和所述第四端口连接，用于将所述第三端口输出的斯托克斯光转换为第一温度信号，将所述第四端口输出的反斯托克斯光转换为第二温度信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分布式光纤还包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述振动监测子系统包括：

第二激光光源；

第一耦合器，包括第五端口、第六端口和第七端口，所述第五端口与所述第二激光光源连接；

第二耦合器，包括第八端口、第九端口、第十端口和第十一端口，所述第八端口与所述第六端口连接，所述第九端口与所述第一单模光纤的一端连接，所述第十端口与所述第二单模光纤的一端连接；

第三耦合器，包括第十二端口、第十三端口和第十四端口，所述第十二端口与所述第七端口连接，所述第十三端口与所述第三单模光纤的一端连接；

第四耦合器，包括第十五端口、第十六端口和第十七端口，所述第十五端口与所述第一单模光纤的另一端连接，所述第十六端口与所述第二单模光纤的另一端连接，所述第十七端口与所述第三单模光纤的另一端连接；

第二光电探测器，与所述第十一端口连接，用于将所述第十一端口输出的光信号转换为第一振动信号；

第三光电探测器，与所述第十四端口连接，用于将所述第十四端口输出的光信号转换为第二振动信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传感系统还包括：

数据采集器，与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述处理器连接，用于将所述第一温度信号、所述第二温度信号、所述第一振动信号和所述第二振动信号传输至所述处理器。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一激光光源为脉冲光源，所述脉冲光源发出的脉冲光的中心波长1550nm，所述脉冲光的平均功率为2mW，所述脉冲光的频率10kHz。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述波分复用器的中心波长包括1450nm、1550nm和1660nm。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一光电探测器的中心波长为1550nm，所述第一光电探测器为铟砷化镓-雪崩二极管。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二激光光源的中心波长为1550nm，所述第二激光光源的线宽小于5000Hz。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一耦合器、所述第二耦合器、所述第三耦合器和所述第四耦合器为3dB耦合器，所述3dB耦合器的偏振相关损耗小于0.02dB，所述3dB耦合器的回波损耗大于50dB。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二光电探测器与第三光电探测器为PIN场效应晶体管，所述PIN场效应晶体管的放大倍数为1～2000，所述PIN场效应晶体管的带宽为1MHZ。

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