CN116539189A - 一种多芯光纤分布式传感系统及测量方法 - Google Patents

一种多芯光纤分布式传感系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多芯光纤分布式传感系统及测量方法，多芯光纤分布式传感系统包括激光器、环形器和光纤环路结构，激光器与环形器的第一端口相连，光纤环路结构与环形器的第二端口相连；还包括光波分复用器、第一光探测器和第二光探测器，光波分复用器的复用端口与环形器的第三端口相连，光波分复用器的两个分用端口分别连接第一光探测器和第二光探测器，光波分复用器用于分离拉曼散射光中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，第一光探测器用于将斯托克斯光信号转换为斯托克斯电信号，第二光探测器用于将反斯托克斯光信号转换为反斯托克斯电信号。本发明实施例，以实现将两种独立光纤传感系统融合在一起，实现温度和弯曲两个参量的同时测量。

Description

一种多芯光纤分布式传感系统及测量方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种多芯光纤分布式传感系统及测量方法。
背景技术
分布式光纤传感可以测量光纤沿线的信息，被广泛应用于长距线路监测。通过测量不同的散射光，可以得到光纤的不同物理信息。其中，拉曼分布式温度传感(Ramandistributed temperature sensing，RDTS)通过测量拉曼散射光的强度来获取温度信息。RDTS以其远距离全分布式测量、抗电磁辐射、实时连续测量等突出优点，在过去几十年得到了探索。拉曼分布式温度传感系统具有广泛应用于电网、油气管道、核工业等领域。由于易于部署，单端拉曼分布式温度传感解决方案通常用于远程温度感测。其采集反向散射反斯托克斯(anti-stokes，AS)和斯托克斯(stokes，S)信号以滤除与温度无关的强度变化。然而，由于反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光具有不同的波长，因此该方案会受到波长相关损耗(wavelength-dependent loss，WDL)的显着影响，从而导致温度测量误差。其中反斯托克斯具有较短的波长，可以避免由波长相关的损耗和色散引起的误差。为了避免波长相关损耗的影响，仅使用AS信号(AS-only)的双端拉曼分布式温度传感系统应运而生。AS-only方案可以通过消除波长相关损耗引起的温度误差来提高拉曼分布式温度传感系统的稳定性。然而，为了消除与温度无关的强度变化，单波长解调通常采用双端检测方案。因此，双端拉曼分布式温度传感系统方案是单波长解调在复杂应用环境中的首选。常用的双端结构是光纤折叠法，其中光纤对折，光纤的两端连接到拉曼分布式温度传感设备。然后收集并解调两端的反向散射反斯托克斯信号以获得温度曲线。然而，使用单根光纤形成环路在实际敷设环境中可能会遇到困难。如在实际应用中需要将两根光纤或一根光纤折叠成环，部署极为不方便。单端AS-only拉曼分布式温度传感的一种改进是在在传感光纤末端使用反射器。但是，强反射会导致光电探测器饱和，并可能由于光纤连接的一个或多个端面产生多次反射，从而导致温度解调出现误差。
另一方面，在诸如电力通信光缆和电缆隧道监测的应用场景中，需要在电力通信光缆中利用闲置的纤芯或传感光纤中同时完成分布式温度传感和分布式弯曲传感。受限于闲置纤芯或传感光纤纤芯的剩余数量，需要在有限数量的纤芯上复用温度传感与弯曲传感，且温度参量解调需要与弯曲参量解调相互独立。然而，传统的拉曼分布式光纤传感在传感光纤的任意位置上的后向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光的变化与光纤的温度、弯曲同时相关，从而难以对温度和弯曲进行解耦，导致实际应用中拉曼分布式光纤传感系统难以独立对拉曼散射光变化进行定性分析，限制了其在一些场景下的应用。而在单根光纤或单个纤芯中复用两套独立的分布式光纤传感系统，又会因为信号的串扰问题和功率问题，增大了接收端信号分离、探测难度的同时也降低了接收端的信噪比。
发明内容
本发明实施例提供一种多芯光纤分布式传感系统及测量方法，以实现将两种独立光纤传感系统融合在一起，实现温度和弯曲两个参量的同时测量。
第一方面，本发明实施例提供一种多芯光纤分布式传感系统，包括激光器、环形器和光纤环路结构，所述激光器与所述环形器的第一端口相连，所述光纤环路结构与所述环形器的第二端口相连；
还包括光波分复用器、第一光探测器和第二光探测器，所述光波分复用器的复用端口与所述环形器的第三端口相连，所述光波分复用器的两个分用端口分别连接所述第一光探测器和所述第二光探测器，所述光波分复用器用于分离拉曼散射光中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，所述第一光探测器用于将斯托克斯光信号转换为斯托克斯电信号，所述第二光探测器用于将反斯托克斯光信号转换为反斯托克斯电信号。
可选地，还包括光开关，所述光开关连接于所述光纤环路结构与所述环形器的第二端口之间。
可选地，所述光纤环路结构包括第一多芯光纤扇入扇出模块、第二多芯光纤扇入扇出模块和多芯光纤；
所述光开关的两个输出端口分别与所述第一多芯光纤扇入扇出模块的两个端口相连，所述第一多芯光纤扇入扇出模块与所述第二多芯光纤扇入扇出模块之间以所述多芯光纤相连，所述第二多芯光纤扇入扇出模块的两个端口通过单模光纤相连。
可选地，所述多芯光纤包括中央纤芯和偏芯；
与所述光开关连接的所述第一多芯光纤扇入扇出模块的两个端口分别对应所述中央纤芯和一根所述偏芯。
可选地，还包括数据采集卡和中央处理器；
所述数据采集卡的两个通道分别与所述第一光探测器和所述第二光探测器相连，用于接收所述斯托克斯电信号以及所述反斯托克斯电信号；
所述中央处理器与所述数据采集卡相连，用于从所述反斯托克斯电信号中解调出温度数据，从所述斯托克斯电信号中解调出弯曲数据。
可选地，所述激光器还与所述数据采集卡的触发端口相连，用于在发射激光脉冲时，同步触发所述数据采集卡对所述斯托克斯电信号和所述反斯托克斯电信号的接收。
可选地，还包括掺饵放大器，所述掺饵放大器连接于所述激光器与所述环形器的第一端口之间。
第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面所述多芯光纤分布式传感系统的测量方法，包括：
通过第一光探测器和第二光探测器采集测量光强数据，测量光强数据为测量过程中的光强数据，包括反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号；
根据所述第二光探测器获取的反斯托克斯光信号，解调出传感光纤沿线不同位置的温度T(z)；
根据所述第一光探测器获取的斯托克斯光信号，以及传感光纤沿线不同位置的温度，解调出传感光纤沿线不同位置的弯曲损耗B(z,R)。
可选地，满足：
其中，z为位置，T(z)为位置z处的温度，T0为参考光纤处环境温度，J为两个算术平均结果集合中位置z处的几何平均集合，J0为几何平均集合的第一个元素；
其中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，Δv为拉曼频移。
可选地，满足：
其中，φs为传感光纤在位置z处的光强，φrs为参考光纤的光强，为预标定阶段采集的参考光纤的光强，/>为预标定阶段采集的传感光纤在位置z处的光强，Tc(z)为预标定阶段测得的传感光纤在z处的光强。
本发明实施例提供的一种多芯光纤分布式传感系统，通过光波分复用器分离传感光纤中的后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光。采用第一光探测器来探测斯托克斯光信号(即斯托克斯光)，根据斯托克斯光信号形成斯托克斯电信号；采用第二光探测器来探测反斯托克斯光信号(即反斯托克斯光)，根据反斯托克斯光信号形成反斯托克斯电信号。从而可以根据斯托克斯电信号和反斯托克斯电信号，分别获取温度和弯曲传感信息，将两种独立光纤传感系统融合在一起，实现温度和弯曲两个参量的同时测量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多芯光纤分布式传感系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于多芯光纤分布式传感系统的测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种多芯光纤分布式传感系统的示意图，参考图1，多芯光纤分布式传感系统包括激光器10、环形器30和光纤环路结构50。激光器10与环形器30的第一端口相连，光纤环路结构50与环形器30的第二端口相连。多芯光纤分布式传感系统还包括光波分复用器60、第一光探测器71和第二光探测器72。光波分复用器60的复用端口与环形器30的第三端口相连。光波分复用器60的两个分用端口分别连接第一光探测器71和第二光探测器72。光波分复用器60用于分离拉曼散射光中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号。第一光探测器71用于将斯托克斯光信号转换为斯托克斯电信号，第二光探测器72用于将反斯托克斯光信号转换为反斯托克斯电信号。
本发明实施例提供的一种多芯光纤分布式传感系统，通过光波分复用器60分离传感光纤中的后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光。采用第一光探测器71来探测斯托克斯光信号(即斯托克斯光)，根据斯托克斯光信号形成斯托克斯电信号；采用第二光探测器72来探测反斯托克斯光信号(即反斯托克斯光)，根据反斯托克斯光信号形成反斯托克斯电信号。从而可以根据斯托克斯电信号和反斯托克斯电信号，分别获取温度和弯曲传感信息，将两种独立光纤传感系统融合在一起，实现温度和弯曲两个参量的同时测量。
示例性地，参考图1，激光器10发射激光脉冲，激光脉冲经由环形器30的第一端口传输至环形器30的第二端口，并由环形器30的第二端口传输至光纤环路结构50，经由光纤环路结构50处理后的激光脉冲传输至环形器30的第三端口，并由环形器30的第三端口传输至光波分复用器60，进而可以由光波分复用器60分离拉曼散射光中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号。
示例性地，参考图1，激光器10发射激光脉冲，激光脉冲的宽度为30ns，激光器10产生的激光脉冲的波长为1550nm。
可选地，参考图1，多芯光纤分布式传感系统还包括光开关40，光开关40连接于光纤环路结构50与环形器30的第二端口之间。光开关40的一侧端口与光纤环路结构50相连，光开关40的另一侧端口与环形器30的第二端口相连。
示例性地，参考图1，光开关40为多路光开关，具体为1x2光开关。光开关40具有用于切换控制的控制接口。光开关40的控制接口与中央处理器90相连，用于在中央处理器90的控制下切换光路的方向。光开关40的控制接口与中央处理器90的I/O通道相连。光开关40用于切换光路在经过不同纤芯的方向，通过测量两个纤芯中的反向散射的反斯托克斯光，可以对结果进行自校准，以消除与温度无关的光强度变化的影响。在其他实施方式中，在中央处理器90缺失I/O通道的实施方式中，光开关40的控制接口可以与数据采集卡80相连。
可选地，参考图1，光纤环路结构50包括第一多芯光纤扇入扇出模块51、第二多芯光纤扇入扇出模块52和多芯光纤53。光开关40的两个输出端口分别与第一多芯光纤扇入扇出模块51的两个端口相连，第一多芯光纤扇入扇出模块51与第二多芯光纤扇入扇出模块52之间以多芯光纤53相连，第二多芯光纤扇入扇出模块52的两个端口通过单模光纤相连。由于第一多芯光纤扇入扇出模块51与第二多芯光纤扇入扇出模块52的空间一致性，可以通过平均两个纤芯的温度来改进结果。这种单端环路结构不需要单独铺设光纤环路，降低了实际施工的难度和成本。
本发明实施例通过注入高同质性的多芯光纤53的单束光信号产生拉曼散射光，分别利用拉曼散射光光信号的不同分量容易受到温度和光纤弯曲影响的特性，但又考虑到斯托克斯光仍然会收到大幅度温度变化的影响，并从反斯托克斯信号中解调出温度数据后将温度物理量数据联合斯托克斯光信号中的光强数据解调出弯曲物理量数据。本发明实施例将两个独立的分布式传感系统融合到一起，在降低了纤芯的使用量的同时，也提高了弯曲物理量解调的准确度。
示例性地，多芯光纤53具体为同质多芯光纤，同质多芯光纤的各纤芯不仅尺寸大小一致，折射率也一直保持一致。同质多芯光纤可以为7芯光纤。
可选地，多芯光纤53包括中央纤芯和偏芯。与光开关40连接的第一多芯光纤扇入扇出模块51的两个端口分别对应中央纤芯和一根偏芯。当多芯光纤53发生弯曲时，中央纤芯不受应力作用，而偏芯产生的拉曼散射对弯曲敏感。
可选地，参考图1，多芯光纤分布式传感系统还包括数据采集卡80和中央处理器90。数据采集卡80的两个通道分别与第一光探测器71和第二光探测器72相连，数据采集卡80用于接收斯托克斯电信号以及反斯托克斯电信号。中央处理器90与数据采集卡80相连，中央处理器90用于从反斯托克斯电信号中解调出温度数据，从斯托克斯电信号中解调出弯曲数据。
可选地，参考图1，激光器10还与数据采集卡80的触发端口相连，激光器10还用于在发射激光脉冲时，同步触发数据采集卡80对斯托克斯电信号和反斯托克斯电信号的接收。
可选地，参考图1，多芯光纤分布式传感系统还包括掺饵放大器20，掺饵放大器20连接于激光器10与环形器30的第一端口之间。激光器10与掺饵放大器20相连，掺饵放大器20与环形器30的第一端口相连。
图2为本发明实施例提供的一种基于多芯光纤分布式传感系统的测量方法流程图，参考图1和图2，基于多芯光纤分布式传感系统的测量方法包括：
S110、通过第一光探测器和第二光探测器采集测量光强数据，测量光强数据为测量过程中的光强数据，包括反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号。
S120、根据第二光探测器获取的反斯托克斯光信号，解调出传感光纤沿线不同位置的温度T(z)。
S130、根据第一光探测器获取的斯托克斯光信号，以及传感光纤沿线不同位置的温度，解调出传感光纤沿线不同位置的弯曲损耗B(z,R)。
本发明实施例中，为实现弯曲与温度的同步、判别测量，我们采用ROTDR(RamanOptical Time-Domain Reflectometry，光学时域反射测量技术)检测拉曼斯托克斯光的损耗特性，从而获取了曲率信息(即弯曲信息)。与反斯托克斯光相比，斯托克斯的光强度受温度影响较小。并且，斯托克斯光的波长比反斯托克斯光和瑞利背向散射光大，光纤弯曲时更容易泄漏。所以将弯曲损耗等效为弯曲检测，即将弯曲损耗的解调结果作为弯曲检测结果。与反斯托克斯光相比，斯托克斯光虽然对温度变化不敏感，但当环境温度变化很大时，温度对斯托克斯光强度的影响仍然存在。为了避免温度对曲率测量的影响，先进行温度解调，将得到传感光纤的温度解调结果T(z)引入弯曲损耗解调中。
可选地，温度T(z)满足：
其中，z为位置，T(z)为位置z处的温度，T0为参考光纤处环境温度，J为两个算术平均结果集合中位置z处的几何平均集合，J0为几何平均集合的第一个元素。
其中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，Δv为拉曼频移。
可选地，弯曲损耗B(z,R)满足：
其中，φs为传感光纤在位置z处的光强，φrs为参考光纤的光强，为预标定阶段采集的参考光纤的光强，/>为预标定阶段采集的传感光纤在位置z处的光强，Tc(z)为预标定阶段测得的传感光纤在z处的光强。在温度T(z)所满足公式中已经介绍的参数在此不再重复介绍。
可选地，基于多芯光纤分布式传感系统的测量方法中，在上述步骤S10之前还可以包括预标定的步骤：
S11、获取参考光纤处环境温度T0；采集传感光纤和参考光纤的斯托克斯光的光强度以得到和/>
其中，为预标定阶段采集的参考光纤的光强，/>为预标定阶段采集的传感光纤在位置z处的光强。
S12、通过第一光探测器和第二光探测器采集标定光强数据，标定光强数据为预标定阶段中的光强数据，包括反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号。
S13、解调整个传感光纤的温度Tc(z)。
其中，温度Tc(z)满足：
在温度T(z)所满足公式中已经介绍的参数在此不再重复介绍。
可选地，基于多芯光纤分布式传感系统的测量方法中，还包括对数据采集卡80中数据的采集以及处理过程，具体包括：
S21、数据采集卡的两通道同时采集多次数据，对相同点位数据做算术平均。示例性地，数据采集卡的两通道同时采集6万次数据。
S22、控制光开关切换光传播的方向。
S23、数据采集卡的两通道同时采集多次数据，对相同点位数据做算术平均。示例性地，数据采集卡的两通道同时采集6万次数据。
S24、分别对每一通道两个算术平均结果做相同点位的几何平均。
本步骤中，分别对两通道中的每一通道的两个算术平均结果做相同点位的几何平均。
本发明实施例中，相较于多纤光缆，第一多芯光纤扇入扇出模块51与第二多芯光纤扇入扇出模块52的空间一致性更高，本发明实施例对两个纤芯的斯托克斯光和反斯托克斯光数据采集结果进行平均，从而降低了噪声提高了采样数据信噪比。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，包括激光器、环形器和光纤环路结构，所述激光器与所述环形器的第一端口相连，所述光纤环路结构与所述环形器的第二端口相连；
还包括光波分复用器、第一光探测器和第二光探测器，所述光波分复用器的复用端口与所述环形器的第三端口相连，所述光波分复用器的两个分用端口分别连接所述第一光探测器和所述第二光探测器，所述光波分复用器用于分离拉曼散射光中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，所述第一光探测器用于将斯托克斯光信号转换为斯托克斯电信号，所述第二光探测器用于将反斯托克斯光信号转换为反斯托克斯电信号。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，还包括光开关，所述光开关连接于所述光纤环路结构与所述环形器的第二端口之间。
3.根据权利要求2所述的多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，所述光纤环路结构包括第一多芯光纤扇入扇出模块、第二多芯光纤扇入扇出模块和多芯光纤；
所述光开关的两个输出端口分别与所述第一多芯光纤扇入扇出模块的两个端口相连，所述第一多芯光纤扇入扇出模块与所述第二多芯光纤扇入扇出模块之间以所述多芯光纤相连，所述第二多芯光纤扇入扇出模块的两个端口通过单模光纤相连。
4.根据权利要求3所述的多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，所述多芯光纤包括中央纤芯和偏芯；
与所述光开关连接的所述第一多芯光纤扇入扇出模块的两个端口分别对应所述中央纤芯和一根所述偏芯。
5.根据权利要求1所述的多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，还包括数据采集卡和中央处理器；
所述数据采集卡的两个通道分别与所述第一光探测器和所述第二光探测器相连，用于接收所述斯托克斯电信号以及所述反斯托克斯电信号；
所述中央处理器与所述数据采集卡相连，用于从所述反斯托克斯电信号中解调出温度数据，从所述斯托克斯电信号中解调出弯曲数据。
6.根据权利要求5所述的多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，所述激光器还与所述数据采集卡的触发端口相连，用于在发射激光脉冲时，同步触发所述数据采集卡对所述斯托克斯电信号和所述反斯托克斯电信号的接收。
7.根据权利要求1所述的多芯光纤分布式传感系统，其特征在于，还包括掺饵放大器，所述掺饵放大器连接于所述激光器与所述环形器的第一端口之间。
8.一种基于权利要求1所述多芯光纤分布式传感系统的测量方法，其特征在于，包括：
通过第一光探测器和第二光探测器采集测量光强数据，测量光强数据为测量过程中的光强数据，包括反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号；
根据所述第二光探测器获取的反斯托克斯光信号，解调出传感光纤沿线不同位置的温度T(z)；
根据所述第一光探测器获取的斯托克斯光信号，以及传感光纤沿线不同位置的温度，解调出传感光纤沿线不同位置的弯曲损耗B(z,R)。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，满足：
其中，z为位置，T(z)为位置z处的温度，T0为参考光纤处环境温度，J为两个算术平均结果集合中位置z处的几何平均集合，J0为几何平均集合的第一个元素；
其中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，Δv为拉曼频移。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，满足：
其中，φs为传感光纤在位置z处的光强，φrs为参考光纤的光强，为预标定阶段采集的参考光纤的光强，/>为预标定阶段采集的传感光纤在位置z处的光强，Tc(z)为预标定阶段测得的传感光纤在z处的光强。
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