CN116839676A - 一种基于分布式光纤的核爆试验综合参数探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤的核爆试验综合参数探测装置，包括：设计“四芯”光钢复合光缆；根据核爆环境将复合光缆埋于地底，并且从辐射半径为起点以螺旋线的形式向外盘旋布置；采集经过光缆返回的光信号，并且转化为电信号；处理得到的含有振动、温度、辐射的电信号；经过软件分析得出核爆能量波动区域的振动、温度、辐射信息，并得到可视化结果。本发明能够充分利用分布式光纤传感的优势，实现长距离、广范围、高实时性的核爆参数的采集，更加精确的反映核爆能量波动区域的环境状态。

Description

一种基于分布式光纤的核爆试验综合参数探测装置

技术领域

本发明属于核爆探测技术领域，涉及使用分布式光纤对核爆参数进行相关探测。

背景技术

进行核爆探测能力建设的过程中，通常使用点式传感器来测量温度、振动、辐射等参数。然而，这些传感器通常只能在特定的位置测量数据，而无法提供全面的监测。此外，这些传感器的数量有限，需要在多个位置安装许多传感器，以便提供足够的监测范围。

分布式传感光纤技术可以帮助解决这个问题。它利用一根长光纤作为传感器，将光纤在核爆区域内布置，使得整个光纤布置面都成为一个传感器。当光纤受到外部刺激时，它会改变反射光的强度和相位，这些变化可以通过光纤传输到接收端，从而测量各种参数。

分布式传感光纤技术具有很高的空间分辨率和时间分辨率，可以提供全面的核爆监测。同时，它还具有易于安装和维护、高精度、抗干扰能力强等优点。因此，利用分布式传感光纤技术对核爆的温度、振动、辐射等信息进行推测是一项非常有前途的技术，可以为核爆的安全运行提供更好的保障。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种利于分布式光纤传感技术的核爆探测装置，本方法可以利用分布式光纤灵敏度高，传输损耗小，响应快，可监测信息丰富等优点，对核爆能量波动区域内的振动、温度、辐射进行实时监测。

本发明采用了一种基于分布式光纤的核爆试验综合参数探测装置，该装置包括：温度探测模块、振动探测模块、辐射探测模块、数据采集模块、软件分析模块；

所述温度探测模块包括：光源模块、光学调制模块、信号放大模块、测温光纤、光学探测模块；

振动探测模块包括：光源模块、光学调制模块、信号放大模块、测振光纤、光学探测模块；

辐射探测模块包括：光源模块、光学调制模块、信号放大模块、测辐射光纤、光学探测模块；

温度探测模块/振动探测模块/辐射探测模块中都是：光源模块发出激光后，激光依次经过光学调制模块、信号放大模块、测温光纤/测振光纤/测辐射光纤、光学探测模块；光电探测模块将光信号转化为电信号传输给数据采集模块，数据采集模块将采集信号传给软件分析模块，软件分析模块计算出对应光纤位置处的温度、振动、辐射；

所述测温光纤、测振光纤、测辐射光纤、钢缆、隔热层一起组成光缆，所述测温光纤和测振光纤外壁覆盖一层隔辐射层；所述光缆中心为钢缆，测温光纤、测振光纤、测辐射光纤分别布置于钢缆的周围，再采用隔热层包围测温光纤、测振光纤、测辐射光纤和钢缆；

核爆的能量波动区域由内到外依次为：火球半径区域、轰爆半径区域、辐射半径区域、冲击波第一区域、热辐射半径区域、冲击波第二区域；所述光缆以辐射半径区域为起点，采用螺旋式向外延伸的布线方式埋在土壤下。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.可靠性高：可以在核爆的恶劣环境下进行长期稳定的测量；

2.测量参数多：可以测量振动、温度、辐射信息；

3.实时性高：可以对温度、振动、辐射进行实时的监控和分析；

4.灵敏性高：对于监测到微小的核爆参数变化，测量的误差比传统的参数监测方式小；

5.空间分辨率高：能够实现对监测区域内微小的空间变化进行高精度的测量。

6.覆盖范围广：在整个检测区域内布置光缆，可以实现全方位的高精度检测

7.安全性高:可以在核爆的影响范围外远距离的监测核爆的相关参数，对人的危害小，安全系数高。

附图说明

图1是核爆能量波动区域分布图；

图2是“四芯”光钢复合光缆的截面图；

图3是“四芯”光钢复合光缆的布线图；

图4是基于分布式光纤的核爆参数探测方法的流程示意图；

图5是基于分布式光纤的核爆参数探测装置。

具体实施方式

以下结合说明书附图对发明的技术方案进行详细说明。

核爆的能量波动区域包括火球半径、轰爆半径、辐射半径、冲击波第一区域、热辐射半径、冲击波第二区域。核爆中心部分为火球半径，这个区域内由核爆产生高温几乎可以让所有东西气化，由中心向外第二圈的轰爆半径区域内，核爆产生的巨大能量可以摧毁一切建筑物。以核爆中心区域向外，能量波动逐渐减小，采取核爆中心向外的第三圈，辐射半径为起点，将光缆以螺旋式向外延伸的布线方式埋在土壤下一定深度处。将光缆终端连接到放置在核爆能量波动区域外的观测点的分布式光纤监测装置，形成实时的监测系统，实时监测核爆的温度、振动、辐射信息。

所述的光缆为“四芯”光钢复合光缆，由三个经过封装处理的光纤和金属线芯组成，光纤分别负责核爆振动、温度、辐射的测量，钢芯可以承受核爆产生的振动，此复合光缆可以提高核爆监测线路的可靠性。根据测量不同数据对应的光纤特性、测量原理的差异进行相应的封装处理，包括隔热、隔辐射处理。对测温光纤和测振光纤外包覆一层防辐射材料，使得光纤可以才核爆产生的高辐射外部环境下准确的检测核爆相关的振动和温度信息，在“四芯”外包覆隔热材料，保证测温光纤在可承受的工作温度内进行核爆数据的监测，避免测振光纤受到温度的影响导致检测不准确。

所述的光缆布线方式，埋在土壤下一定深度处，从而实现隔绝部分温度和辐射的作用，并且能有效的防止冲击波导致的光纤弯折、位置移动等，使得光缆在恶劣的环境内有效的完成信号采集任务；以螺旋线形式布置，可以扩大检测范围，便于对区域内不同点位的实时参数进行对比，全方位的监测不同地理环境以及不同区域的核爆产生的能量波动的特性。在布置光缆的过程中，可以根据需要调整光纤的间距和覆盖范围，以实现不同的监测要求。同时，也需要注意布置过程中的光纤弯曲和拉伸，以避免对光纤性能的影响。

本发明还提供一种基于分布式光纤的核爆参数探测装置系统，包括分布式光纤测温系统、分布式光纤测振系统、分布式光纤测辐射系统。

所述的三个系统的组成包括光源模块、信号放大模块、光学调制模块、光电探测模块、数据采集模块、分析软件模块。

所述的光源模块，用于产生激光光源，通过光纤传输到核爆区域，再通过光纤返回到检测器进行信号检测。

所述的信号放大模块，用于对传输链路中的信号光进行功率补偿，补偿光信号在长距离传输过程中的损耗。

所述的光学调制模块，用于调制光信号，通过改变光信号的幅度、相位和频率来实现光信号的调制，使其能够被反射到光学探测模块上。

所述的光电探测模块，用于将光辐射信号转变为电信号，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。

所述的数据采集模块，用于采集经过光电探测模块处理后得到的电信号。

所述的分析软件模块，用于分析和处理数据采集模采集到的数据，进行数据分析以及可视化等处理。

核爆能量波动区域的分布图如附图1所示；“四芯”光钢复合光缆的截面图如附图2所示；一种基于分布式光纤的核爆参数监测方法，其监测系统中的光钢复合光缆的布线图如附图3所示；基于分布式光纤的核爆参数探测方法的流程示意图如附图4所示；基于分布式光纤的核爆参数探测装置如附图5所示。

一种基于分布式光纤的长距离、广范围的核爆参数监测方法，其包括步骤：考虑核爆能量波动范围内的高温、高振动、高辐射的环境特征，以及对温度、振动、辐射的监测需求，设计耐高温、耐高辐射、高韧性的“四芯”光钢复合光缆(核爆时，地表温度极高、辐射极强、振动过于剧烈，裸露的光纤无法正常工作)；根据产生核爆时的环境特征，以及核爆能量波动的区域特性，设计由光钢复合光缆埋藏至地下的螺旋型光纤传感网，使其能够在保证光纤正常工作的环境条件下对核爆参数进行监测；通过比较核爆能量波动的不同区域内的环境特性，对螺旋式光纤传感网的疏密程度进行调整；当核爆发生时，传感光纤的信号产生变化，通过三参数监测模块耦合的核爆参数监测系统处理，得到所需的振动、温度、辐射信息，并进行可视化处理。

所述的“四芯”光钢复合光缆是由三根光纤和一根钢缆组成，三根光纤分别是测温光纤、测振光纤、测辐射光纤。由于辐射会导致光纤中内部产生点缺陷，这些点缺陷会吸收光信号，从而导致光纤传播光信号的能力下降，且辐射剂量越大，被辐射光纤的光信号传输能力就越弱，为防止这种情况的产生，对测温光纤和测振光纤进行外部包覆防辐射层处理，以保证光纤的测温、测振性能。核爆能量波动区域内会有强烈的振动，需要在三根光纤中加入钢缆，以增强复合光缆的可靠性。一般情况下，温度越高，分子、原子热运动就越剧烈。当被辐射光纤处于高温时，辐射中形成的色心会由于热运动而产生退化，光纤的退火效应就越迅速，宏观上表现为光纤的辐射致衰减值减小，而核爆区域内的极高温环境便会对光纤的测量性能造成巨大影响，为了使得光纤正常的传播光信号，对“四芯”进行外部包覆隔热层处理，在有隔热包覆层的测温光纤运作过程中，考虑隔热包覆层的传热系数以避免测温过程中由于隔热包覆层对热量的吸收导致的测量温度失真问题。

所述的测温、测振、测辐射光纤，当核爆事件发生时，会产生地面的振动和变形，导致地下介质的压缩和拉伸，从而改变光纤的折射率，利用光纤的敏感性和分布式光纤传感技术，可以实时监测光纤中的折射率变化，进而反推地下物理事件的空间位置和特征；核爆事件会引起地下介质的温度升高，温度变化会引起反斯托克斯光子数的变化(拉曼分布式传感器利用光纤中产生反斯托克斯拉曼散射信号测量光纤各处信息)，根据温度与光电探测器接收到反斯托克斯光子数之间的关系，以及温度在土壤中的传热性质，实现核爆检测区域内的温度测量；光纤作为传感元件与辐射发生相互作用，通过对辐射后光纤本身性质变化的测量(如光纤损耗、布拉格波长漂移等)，进而获取沿光纤链路上的辐射剂量信息。

所述的螺旋型光纤传感网，以核爆中心向外第三圈的辐射半径为起点，将光缆埋在地面之下，以螺旋线的形式向外盘旋布置。此布置方式旨在防止光纤受到核爆产生的冲击波导致折断或位置移动，以及避免超高温和辐射对光纤的影响。为实现广范围、全区域的核爆参数的监测，实行螺旋式布线方式布置光钢复合光缆，螺旋线的疏密程度可以通过地理环境特性以及测量的需求进行调整，以实现最佳监测效果。在能量密度大或能量波动剧烈的区域，需要更密集地布置光缆以提高测量精度。而在能量小或能量波动不明显的区域，可以适当减少光缆的布置密度以降低成本。

综上，本发明的技术方案如下：

针对核爆能量波动区域的环境特性，本发明设计了一种“四芯”光钢复合光缆，该光缆具有抗高振动、耐强辐射和耐高温的特性；为了满足所需的测量数据需求和环境特性，调整光缆的布置密度，采用螺旋线的方式将其埋在地下；根据光纤测温、测振和测辐射对光信号的需求的差异，通过光源模块发射各种测量光纤所需的光信号，并通过光学调制模块调制光信号，最后通过光学探测模块接收返回光信号；将光钢复合光缆沿线的振动、辐射和温度信号采集到数据采集模块中，然后传入分析软件模块进行处理和分析，得到核爆区域内的准确参数，并进行可视化处理；最终，完成对核爆区域内温度、振动和辐射的监测。

Claims (1)

1.一种基于分布式光纤的核爆试验综合参数探测装置，该装置包括：温度探测模块、振动探测模块、辐射探测模块、数据采集模块、软件分析模块；

所述温度探测模块包括：光源模块、光学调制模块、信号放大模块、测温光纤、光学探测模块；

振动探测模块包括：光源模块、光学调制模块、信号放大模块、测振光纤、光学探测模块；

辐射探测模块包括：光源模块、光学调制模块、信号放大模块、测辐射光纤、光学探测模块；

温度探测模块/振动探测模块/辐射探测模块中都是：光源模块发出激光后，激光依次经过光学调制模块、信号放大模块、测温光纤/测振光纤/测辐射光纤、光学探测模块；光电探测模块将光信号转化为电信号传输给数据采集模块，数据采集模块将采集信号传给软件分析模块，软件分析模块计算出对应光纤位置处的温度、振动、辐射；

所述测温光纤、测振光纤、测辐射光纤、钢缆、隔热层一起组成光缆，所述测温光纤和测振光纤外壁覆盖一层隔辐射层；所述光缆中心为钢缆，测温光纤、测振光纤、测辐射光纤分别布置于钢缆的周围，再采用隔热层包围测温光纤、测振光纤、测辐射光纤和钢缆；

核爆的能量波动区域由内到外依次为：火球半径区域、轰爆半径区域、辐射半径区域、冲击波第一区域、热辐射半径区域、冲击波第二区域；所述光缆以辐射半径区域为起点，采用螺旋式向外延伸的布线方式埋在土壤下。