CN115265928B - 用于液体泄漏定位的光纤结构和分布式液体泄漏定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于液体泄漏定位的光纤结构和分布式液体泄漏定位系统，包括光纤，所述光纤包括纤芯和包覆在所述纤芯外的包层，所述纤芯上刻有若干倾斜45°的弱反射面，若干所述弱反射面沿所述光纤长度方向排列，所述弱反射面将所述纤芯中的探测光部分反射到所述包层侧壁，并将从所述包层侧壁和外界介质界面反射回来的光重新耦合进入所述纤芯，使其沿与所述探测光相反方向传输，形成后向反射光信号。本发明提供的技术方案可以实现一种实时监测，结构简单，成本低廉，定位精度高，监测范围广的液体泄露定位功能。

Description

用于液体泄漏定位的光纤结构和分布式液体泄漏定位系统

技术领域

本申请涉及终端技术领域，尤其涉及一种用于液体泄漏定位的光纤结构和分布式液体泄漏定位系统。

背景技术

液体泄漏监测的应用领域包括：1、液体运输和存储时的泄漏监测，包括城市给排水管道的泄漏监测、输油管道的泄漏监测、工业园区特殊液体存储罐泄漏监测等，如城市自来水管道泄漏问题，一旦管道发生泄漏，不仅造成水资源的浪费，还严重影响城市交通、卫生和居民的生活。2、工程结构渗漏监测，包括大坝渗漏、矿井渗漏等，如大坝渗漏会使坝体软弱结构面的强度降低，使坝体中某些断裂带或岩土的结构发生变化，导致变形发生，如不及时发现并维修，将降低大坝的使用寿命。所以，及时发现管道或工程结构发生了液体泄漏，并准确定位发生了泄漏的位置，将大大降低泄漏造成的经济损失和安全隐患。

传统自来水管道的泄漏检测是通过流量计计算管道流量的大小判断管道是否发生泄漏，确认漏水后再通过听漏法人工探测泄漏的位置，这种方法耗时耗力，听漏法需要泄漏水管有足够强度的噪音才可以监测，对静态渗流(无声音)的泄漏管道无法检测。

近年来，随着光纤传感技术的发展，分布式光纤传感技术开始逐渐被应用于各种液体泄漏监测应用，目前大部分分布式光纤液体泄漏监测都是通过传感液体泄漏造成的温度变化间接判断是否有液体泄漏，比如将分布式光纤拉曼测温系统用于大坝渗漏监测和油气管道泄漏监测，这种方法虽然监测范围广、定位精度高，但是易受到环境温度变化的干扰，探测信噪比较低。除此之外，还有基于分布式光纤传感器的监测方案通过探测液体泄漏产生声波而判断泄漏点的位置，这种方法不受温度变化的影响，但是只能用于监测高压泄漏，无法用于静态渗漏。

综上，目前应用在液体泄漏的分布式光纤检测系统均存在成本高昂、结构复杂、受环境影响大的问题。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种用于液体泄漏定位的光纤结构和分布式液体泄漏定位系统，以解决相关技术中存在的成本高昂、结构复杂、受环境影响大的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种用于液体泄漏定位的光纤结构，包括：

光纤，所述光纤包括纤芯和包覆在所述纤芯外的包层，所述纤芯上刻有若干倾斜45°的弱反射面，若干所述弱反射面沿所述光纤长度方向排列，所述弱反射面将所述纤芯中的探测光部分反射到所述包层侧壁，并将从所述包层侧壁和外界介质界面反射回来的光重新耦合进入所述纤芯，使其沿与所述探测光相反方向传输，形成后向反射光信号。

可选的，所述光纤为单模光纤或者多模光纤。

可选的，所述弱反射面通过自动化飞秒激光加工技术加工而成。

可选的，通过控制相邻两个所述弱反射面之间的间距来控制分布式光纤液体泄漏定位传感器的空间分辨率。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种分布式液体泄漏定位系统，包括：

第一方面所述的用于液体泄漏定位的光纤结构；

信号调制模块，所述信号调制模块用于将探测光输入到所述的用于液体泄漏定位的光纤结构，将所述用于液体泄漏定位的光纤结构产生的后向反射光信号传递给信号解调模块；

信号解调模块，所述信号解调模块用于接收所述后向反射光信号，根据所述后向反射光信号，计算出传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置。

可选的，所述信号调制模块包括：

激光光源；

光源调制模块，所述光源调制模块用于将所述激光光源发出的光进行调制产生脉冲探测光；

光纤环形器，所述光纤环形器用于将所述脉冲探测光输入到所述用于液体泄漏定位的光纤结构，将所述用于液体泄漏定位的光纤结构产生的后向反射光信号传递给信号解调模块。

可选的，所述信号解调模块包括：

光电探测器，所述光电探测器用于接收所述后向反射光信号，输出电信号；

信号采集卡，所述信号采集卡用于所述电信号，形成光时域反射曲线信号；

处理器，所述处理器用于接收所述光时域反射曲线信号，并通过数据分析判断传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置。

可选的，根据所述后向反射光信号，计算出传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置，包括：

获取一条无液体泄漏时的所述后向反射光信号；

将实时探测得到的所述后向反射光信号减去无液体泄漏时的所述后向反射光信号，得到差分光时域曲线；

根据所述差分光时域曲线上面数值发生变化的位置，来判断是否存在液体泄漏以及确定泄漏的位置。

可选的，当所述差分光时域曲线上面数值发生超过设定阈值时，则判断为存在液体泄漏，反之，为不存在液体泄漏。

可选的，通过下式计算液体泄漏的位置：

其中d为产生后向反射光信号的点与所述信号解调模块的距离，τ为接收到后向反射光信号相对发出脉冲探测光的时延，c为真空中光速，n_eff为所述光纤的等效折射率。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请的光纤纤芯上刻有若干45°的弱反射面，能够将一部分束缚在纤芯的探测光反射到光纤包层及外界介质界面，并在光纤包层及外界介质界面垂直反射之后沿着与探测光相反方向传输，形成携带外界介质折射率信息的后向反射光信号，克服了传统光纤传感器探测光难以感知外界介质的缺点，并且采用弱反射面的设计，可以保持纤芯中的探测光仍能保持较低的损耗继续沿光纤传输，因此可以在一根光纤上制备数量众多的弱反射面，进而达到长距离分布式液体泄漏检测的效果。

本申请的信号的调制与解调方案采用的是光时域反射计进行强度直接探测的方式，根据光时域曲线某个位置的强度变化量是否超过一定阈值来探测该位置是否有液体泄漏，可以克服传统分布式光纤传感检测系统(如分布式光纤拉曼测温系统以及分布式光纤声波振动传感系统、分布式布里渊系统等)复杂、成本高昂的缺点，进而达到低成本、抗温度干扰、定位精度高，测量范围广，可实时监测的分布式液体泄漏检测，在一定范围内还可以对泄漏液体折射率进行初步估算的效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种分布式光纤液体泄漏定位传感器的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种分布式液体泄漏定位系统的结构示意图。

图3为本发明一实施方式的泄漏事件造成的光时域曲线变化示意图。

图中的附图标记有：

1、光纤；2、弱反射面；3、信号调制模块；4、信号解调模块；5、纤芯；6、包层。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据一示例性实施例示出的一种分布式光纤液体泄漏定位传感器的结构示意图，如图1所示，可以包括：光纤1，所述光纤1包括纤芯5和包覆在所述纤芯5外的包层6，所述纤芯5上刻有若干倾斜45°的弱反射面2，若干所述弱反射面2沿所述光纤1长度方向排列，所述弱反射面2将所述纤芯5中的探测光部分反射到所述包层6侧壁，并将从所述包层6侧壁和外界介质界面反射回来的光重新耦合进入所述纤芯5，使其沿与所述探测光相反方向传输，形成后向反射光信号。

由上述实施例可知，本申请的光纤纤芯上刻有若干45°的弱反射面，能够将一部分束缚在纤芯的探测光反射到光纤包层及外界介质界面，并在光纤包层及外界介质界面垂直反射之后沿着与探测光相反方向传输，形成携带外界介质折射率信息的后向反射光信号，克服了传统光纤传感器探测光难以感知外界介质的缺点，并且采用弱反射面的设计，可以保持纤芯中的探测光仍能保持较低的损耗继续沿光纤传输，因此可以在一根光纤上制备数量众多的弱反射面，进而达到长距离分布式液体泄漏检测的效果。

在本申请一实施例中，所述光纤1为单模光纤1或者多模光纤1。

在本申请一实施例中，所述弱反射面2通过自动化飞秒激光加工技术加工而成。通过控制相邻两个所述弱反射面2之间的间距来控制分布式光纤1液体泄漏定位传感器的定位空间分辨率。这种设计具有较高灵活性，根据实际应用场合的需要，可通过编程由光刻系统控制光纤1中每个弱反射面2之间的间距。

自动化飞秒激光加工技术对光纤1纤芯5中特定区域的折射率进行调制，调制区域的尺寸、位置和形状可以通过调整加工参数和工艺控制，加工后的光纤1纤芯5中会存在一系列呈45°倾斜的折射率阶跃分界面，设弱反射面2处纤芯5光45°入射的反射率为R_c，其大小受折射率调制程度的影响，设置为10^-3～10^-4.入射到第n个弱反射面2的入射光强为E_ni，该点反射回到发射端的信号光强为E_no，则：

其中R_s为光垂直入射在包层6侧壁上的反射率，包层6折射率和包层6外介质折射率大小，表达式为：

其中n_c为包层6折射率，n为包层6外介质折射率。

通过(1)(2)式可以看出，当包层6外壁为空气时，反射光信号较大，当包层6外壁被液体覆盖后，反射光信号将降低。

参考图2，根据本申请实施例提供一种分布式液体泄漏定位系统，包括：上述的分布式光纤1液体泄漏传感器、信号调制模块3和信号解调模块4，所述信号调制模块3用于将探测光输入到所述的分布式光纤1液体泄漏传感器，将所述分布式光纤1液体泄漏传感器产生的后向反射光信号传递给信号解调模块4；所述信号解调模块4用于接收所述后向反射光信号，根据所述后向反射光信号，计算出传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置。

由上述实施例可知，本申请的信号的调制与解调方案采用的是光时域反射计进行强度直接探测的方式，根据光时域曲线某个位置的强度变化量是否超过一定阈值来探测该位置是否有液体泄漏，可以克服传统分布式光纤传感检测系统(如分布式光纤拉曼测温系统以及分布式光纤声波振动传感系统、分布式布里渊系统等)复杂、成本高昂的缺点，进而达到低成本、抗温度干扰、定位精度高，测量范围广，可实时监测的分布式液体泄漏检测，在一定范围内还可以对泄漏液体折射率进行初步估算的效果。

在本申请一实施例中，所述信号调制模块3包括：激光光源、光源调制模块和光纤1环形器，所述激光光源可为连续光源；所述光源调制模块可为声光调制器或者电光调制器，用于将所述激光光源发出的光进行调制产生脉冲探测光；所述光纤1环形器用于将所述脉冲探测光输入到所述分布式光纤1液体泄漏传感器，将所述分布式光纤1液体泄漏传感器产生的后向反射光信号传递给信号解调模块4。

所述信号调制模块3发出的脉冲光信号在所述传感及光纤1中传输时，在各个所述倾斜45°的弱反射面2处会产生后向反射光信号以及瑞利散射光信号；经过设计，所述后向反射光信号大于所述瑞利散射光信号；所述后向反射光信号以及所述瑞利散射光信号都会沿相反方向传输到所述信号解调模块4中被接收，所述后向反射光信号在光纤1中不同位置的倾斜45°的弱反射面2产生的反射光回到所述信号解调模块4的时间不同，所述信号解调模块4通过这种时延来计算产生该信号的位置，具体计算公式如下：

其中d为产生后向反射或散射光信号的点与所述信号解调模块4的距离，τ为接收到后向反射或散射光信号相对发出脉冲信号光的时延，c为真空中光速，n_eff为所述传感及光纤1等效折射率。根据不同位置的反射或散射光信号的强度，所述信号解调模块4会输出一条光纤1中每个位置反射或散射信号光光强的曲线，即光时域反射曲线。经过设计，由于所述后向反射光信号大于所述瑞利散射光信号，在光时域反射曲线上表现为一系列周期性强度高于瑞利散射的反射峰，每个反射峰对应一个倾斜45°的弱反射面2。反射峰的强度与包层6外的外界介质的折射率相关；泄漏的液体浸没到刻有倾斜45°的弱反射面2的位置时，会大大降低光在包层6侧壁的反射率，从而导致对应反射峰的信号强度降低。

在本申请一实施例中，所述信号解调模块4包括：光电探测器、信号采集卡和处理器，所述光电探测器用于接收所述后向反射光信号，输出电信号；所述信号采集卡用于所述电信号，形成光时域反射曲线信号；所述处理器用于接收所述光时域反射曲线信号，并通过数据分析判断传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置。

所述信号解调模块4可以实时地分析光时域反射曲线的数据，通过每个反射峰的峰值高度是否降低判断该弱反射面2处光纤1外是否存在液体，并通过确定峰值降低的反射峰对应的弱反射面2位置定位发生液体泄漏的位置。

所述信号解调模块4还可根据式(2)通过降低的幅度计算液体折射率，由此进行泄漏液体种类识别，进一步提高液体泄漏监测的可靠性。

具体地，根据所述后向反射光信号，计算出传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置，包括：

S1：获取一条无液体泄漏时的所述后向反射光信号；

S2：将实时探测得到的所述后向反射光信号减去无液体泄漏时的所述后向反射光信号，得到差分光时域曲线；

S3：根据所述差分光时域曲线上面数值发生变化的位置，来判断是否存在液体泄漏以及确定泄漏的位置。

进一步地，当所述差分光时域曲线上面数值发生超过设定阈值时，则判断为存在液体泄漏，反之，为不存在液体泄漏。

进一步地，通过下式计算液体泄漏的位置：

其中d为产生后向反射光信号的点与所述信号解调模块4的距离，τ为接收到后向反射光信号相对发出脉冲探测光的时延，c为真空中光速，n_eff为所述光纤1的等效折射率。

实施例：

光纤1为商用单模光纤，光纤1刻有倾斜45°的弱反射面2阵列；信号调制模块3产生特定脉宽的脉冲探测光信号，输入到光纤1中，本实施例中，脉宽为10纳秒；倾斜45°的弱反射面2可以将光纤1纤芯中的光部分反射到包层侧壁，并将从包层侧壁和外界介质界面反射回来的光重新耦合进入纤芯，使其沿与入射光相反方向传输，形成后向反射光信号。后向反射光信号以及沿光纤的瑞利散射光信号都会沿相反方向传输到信号解调模块4中被接收，后向反射光信号在光纤中不同位置的倾斜45°的弱反射面2产生的反射光回到信号解调模块4的时间不同，信号解调模块4通过这种时延来计算产生该信号的位置。

如图1所示，刻有弱反射面阵列的光纤1中的弱反射面2相对光纤倾斜45°角，入射光在弱反射面2与普通纤芯间的45°折射率分界面反射后垂直向上进入包层6，剩下的大部分透射光继续在纤芯5中向后传输，在包层6和外界环境的分界面，根据菲涅尔理论，部分反射光会垂直反射回到45°折射率分界面，并重新耦合进入纤芯5，使其沿与入射光相反方向传输回到光时域反射仪3的信号接收端。

刻有弱反射面阵列的光纤1通过自动化飞秒激光加工技术加工而成，光纤中每个弱反射面2之间的间距可有程序控制，通过设计弱反射面2之间的距离控制传感器的空间分辨率，本实施例将弱反射面2之间的间距设置为1米，即传感器的空间分辨率为1米。

进一步地，加工过程中通过调整激光功率和曝光时间调整对加工区域的折射率调制深度，本实施例设计入射光在分界面的反射率约为万分之一。

弱反射面2的反射率高于无折射率调制的纤芯5的瑞利散射强度，所以弱反射面光纤的光时域反射曲线是由一系列反射峰组成的周期性信号，每个反射峰对应一个弱反射面2，包层外泄漏的液体会大大降低光在包层侧壁的反射率，对应反射峰的信号强度降低。

具体地，光纤包层反射率为1.44，未泄漏处的弱反射面2处的包层6外壁反射率约为0.0325，如果有水(折射率为1.33)泄漏覆盖到光纤包层6外壁，此时包层6外壁反射率约为0.00158，即说明光纤外壁被水覆盖后，该处弱反射面2对应的反射峰相对峰值会下降95％(如图3)。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种用于液体泄漏定位的光纤结构，其特征在于，包括：

光纤，所述光纤包括纤芯和包覆在所述纤芯外的包层，所述纤芯上刻有若干倾斜45°的弱反射面，若干所述弱反射面沿所述光纤长度方向排列，所述弱反射面将所述纤芯中的探测光部分反射到所述包层侧壁，并将从所述包层侧壁和外界介质界面反射回来的光重新耦合进入所述纤芯，使其沿与所述探测光相反方向传输，形成后向反射光信号；

所述光纤为单模光纤或者多模光纤；

通过控制相邻两个所述弱反射面之间的间距来控制分布式光纤液体泄漏定位传感器的空间分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种用于液体泄漏定位的光纤结构，其特征在于，所述弱反射面通过自动化飞秒激光加工技术加工而成。

3.一种分布式液体泄漏定位系统，其特征在于，包括：

权利要求1-2任一项所述的用于液体泄漏定位的光纤结构；

信号调制模块，所述信号调制模块用于将探测光输入到所述的用于液体泄漏定位的光纤结构，将所述用于液体泄漏定位的光纤结构产生的后向反射光信号传递给信号解调模块；

信号解调模块，所述信号解调模块用于接收所述后向反射光信号，根据所述后向反射光信号，计算出传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置。

4.根据权利要求3所述的一种分布式液体泄漏定位系统，其特征在于，所述信号调制模块包括：

激光光源；

光源调制模块，所述光源调制模块用于将所述激光光源发出的光进行调制产生脉冲探测光；

光纤环形器，所述光纤环形器用于将所述脉冲探测光输入到所述用于液体泄漏定位的光纤结构，将所述用于液体泄漏定位的光纤结构产生的后向反射光信号传递给信号解调模块。

5.根据权利要求3所述的一种分布式液体泄漏定位系统，其特征在于，所述信号解调模块包括：

光电探测器，所述光电探测器用于接收所述后向反射光信号，输出电信号；

信号采集卡，所述信号采集卡用于所述电信号，形成光时域反射曲线信号；

处理器，所述处理器用于接收所述光时域反射曲线信号，并通过数据分析判断传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置。

6.根据权利要求3所述的一种分布式液体泄漏定位系统，其特征在于，根据所述后向反射光信号，计算出传感区域中是否存在液体泄漏以及泄漏的位置，包括：

获取一条无液体泄漏时的所述后向反射光信号；

将实时探测得到的所述后向反射光信号减去无液体泄漏时的所述后向反射光信号，得到差分光时域曲线；

根据所述差分光时域曲线上面数值发生变化的位置，来判断是否存在液体泄漏以及确定泄漏的位置。

7.根据权利要求6所述的一种分布式液体泄漏定位系统，其特征在于，当所述差分光时域曲线上面数值发生超过设定阈值时，则判断为存在液体泄漏，反之，为不存在液体泄漏。

8.根据权利要求6所述的一种分布式液体泄漏定位系统，其特征在于，通过下式计算液体泄漏的位置：

其中d为产生后向反射光信号的点与所述信号解调模块的距离，τ为接收到后向反射光信号相对发出脉冲探测光的时延，c为真空中光速，n_eff为所述光纤的等效折射率。