CN201688927U

CN201688927U - 一种分布式光纤传感测量装置

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Publication number: CN201688927U
Application number: CN2009202955740U
Authority: CN
Inventors: 涂勤昌; 顾海涛; 张艳辉
Original assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Current assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2019-12-29

Abstract

本实用新型涉及一种分布式光纤传感测量装置，包括测量主机和传感光缆，其中，测量主机包括信号处理单元，特点是：所述传感光缆包括第一段和重叠段，所述第一段的一端连接测量主机；所述重叠段包括第二段和折返段；信号处理单元，用于处理所述第一段返回的信号，得到第一段所处区域内的外界参量，以及处理与同一空间点相对应的第二段和折返段上的点返回的信号，从而得到在所述同一空间点处的参量。本实用新型具有降低传感光缆尾端测量波动、增大有效测量长度、简便、经济等优点。

Description

一种分布式光纤传感测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种分布式光纤传感测量装置。

背景技术

OTDR(光时域反射仪)是利用光在光纤中的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。分布式光纤传感系统就是一种基于OTDR技术的新型的实时、分布式测量系统。目前商业化的分布式光纤传感系统有基于拉曼散射原理的分布式光纤温度传感系统、基于自发布里渊散射原理的分布式光纤温度应变传感系统等。

分布式光纤传感系统的基本结构包括测量主机、传感光缆和其它外部设备，如消防电源、网络传输模块等。请参阅图1，一种分布式光纤传感系统的传感光缆敷设示意图，传感光缆从测量主机引出，沿测量区域线型敷设。其中，传感光缆既是传感元件，又是传输介质。当外界参量(温度、应变等)作用到传感光缆中的传感光纤时，在光纤内传输的光波特性(幅度、相位、频率等)发生变化，对光波特性(幅度、相位、频率等)的测量可以计算出外界参量的大小。

对于分布式光纤传感系统而言，背向散射信号因光纤损耗而指数衰减，而系统的噪声基本保持不变，因此系统的信噪比随测量距离的增加而指数下降，如图2所示。对分布式光纤传感系统，计算得到的温度或应变波动幅度与系统信噪比直接相关，信噪比越高，计算得到的温度或应变波动幅度越小。为了实现温度或应变测量的可靠性，系统的信噪比要大于一固定值。为保证系统的信噪比在要求的范围内，系统的总测量长度就受到一定的限制。

同时，在测量距离较长的测量点处，温度或应变的微小波动也会引起系统测量值的较大波动，使系统容易误判。如某型号的分布式光纤温度传感系统在2km处的温度波动噪声为2℃，但在4km处的温度波动噪声将会增加到4℃，这样在测量距离比较大的测量点处，温度的微小波动也会引起系统的报警，使仪器远程监测能力下降。

为减小温度波动噪声，提高系统的信噪比，现有技术采用以下几种方法解决：

1、提高入射光功率。

可以通过将更强的光注入光缆中的光纤来提高信号的强度，但提高入射光功率会增加系统监测的成本。

2、增加测量时间。

增加测量时间，可以增多对测量信号的累加平均次数，进而提高测量准确性。但测量时间的增加会影响系统的响应速度。

3、增加脉冲宽度。

脉冲宽度的增加，会提高系统入射光信号的能量，进而提高信噪比。但脉冲宽度的增加将会牺牲系统的空间分辨率，使对测量点空间位置的监测产生偏差。

可见上述方法均存在不足。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种分布式光纤传感测量装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种分布式光纤传感测量装置，包括测量主机和传感光缆，测量主机包括信号处理单元，其特点是：

所述传感光缆包括第一段和重叠段，所述第一段的一端连接测量主机；

所述重叠段包括第二段和折返段；

信号处理单元，用于处理所述第一段返回的信号，得到第一段所处区域内的外界参量，以及处理与同一空间点相对应的第二段和折返段上的点返回的信号，从而得到在所述同一空间点处的参量。

进一步，所述第二段、折返段上点的返回信号的处理方式为：

所述空间同一点记为D点，所述第二段上到D点最近的点记为E点、所述折返段上到D点最近的点记为F点，所述E点和F点即为与所述D点相对应的点；

信号处理单元处理所述E点和F点返回的信号，从而得到D点对应的外界参量。

作为优选，信号处理单元将E点和F点返回的信号做加权平均，作为空间D点对应的信号，其中，第二段E点返回信号的加权系数a与对应折返段F点返回信号的加权系数b的关系为：a+b＝1，且a≠1。

所述第二段E点返回信号的加权系数a为：0.4≤a＜1。

所述传感光缆折返敷设段长度不大于正向敷设区和正向敷设段长度之和的一半。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、降低光缆尾端测量波动。

传感光缆尾端信号衰减最大，将传感光缆折返敷设，通过将末段传感光缆重叠区域的信号加权平均，能够有效降低传感光缆尾端的测量波动，提高测量准确性。

2、增大测量长度。

为了实现温度或应变测量的可靠性，系统的信噪比要大于一固定值。为保证系统的信噪比在要求的范围内，系统的总测量长度就受到一定的限制。而采用末段光缆折返敷设的方式，可以有效提高传感光缆尾端的信噪比，从而增大总的测量长度。

3、简便、经济。

通过传感光缆折返敷设的方式降低系统的测量波动，简便、经济，不增加系统测量主机成本，也不牺牲系统的响应时间和空间分辨率。

附图说明

图1为背景技术中传感光缆敷设示意图；

图2为光纤传感系统中信噪比与测量距离的关系；

图3为实施例中传感光缆敷设示意图；

图4为实施例1中利用本实用新型和现有技术分别测得的温度曲线；

图5为实施例2中利用本实用新型和现有技术分别测得的温度曲线；

图6为实施例3中利用本实用新型和现有技术分别测得的应变曲线；

图7为实施例4中利用本实用新型和现有技术分别测得的温度曲线；

图8为实施例5中利用本实用新型和现有技术分别测得的应变曲线；

图9为实施例6中利用本实用新型和现有技术分别测得的应变曲线。

具体实施方式

实施例1

请参阅图3，一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量装置，包括测量主机和传感光缆；测量主机包括信号处理单元；

测量主机包括光源、信号处理单元、光纤波分复用系统以及光电接收和放大模块等。

传感光缆包括两部分：第一段和重叠段，第一段的长度为5000m；重叠段的传感光缆在B点折返，形成第二段AB和折返段BC，且第二段AB和折返段BC相互贴近；其中，AB段与BC段的长度均为500m；

重叠段内空间一点，记为D点，对应传感光缆第二段和折返段各一点，分别记为E点和F点，第二段上E点到D点的距离最近，折返段上F点到D点的距离最近；确定与空间D点相对应的传感光缆第二段上的E点的过程为现有技术，而与D点相对应的传感光缆折返段上的F点与折返点B点的距离BF和E点与折返点B点的距离BE相同，则通过E点和折返点B点的位置，可以确定出F点的位置；

信号处理单元能够将E点和F点返回的信号做加权平均，作为空间D点对应的信号的大小；其中，AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b均为0.5。

本实施例还提供了一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量方法，请参阅图3，包括以下步骤：

a、敷设传感光缆

6000m长的传感光缆从测量主机O点引出，沿测量区域敷设，形成第一段OA，第一段段的长度为5000m；传感光缆继续敷设，在折返点B点折返，折返段BC与第二段AB相互贴近，形成重叠段，以便折返段BC与第二段AB能同时响应同一外界温度场；其中，AB段与BC段的长度均为500m；光纤损耗系数α＝0.9dB/km；

在传感光缆折返点B点点火，信号处理单元通过对传感光缆返回信号的分析，得出B点所处空间位置；

b、信号处理：

对传感光缆第一段OA信号的处理：

信号处理单元对第一段OA返回的信号进行处理，得到OA段测量区域内外界温度的大小；此信号处理过程是本领域的现有技术，在此不再赘述；

对传感光缆重叠段信号的处理：

如重叠段所处区域内的空间一点，记为D点，对应传感光缆第二段和折返段各一点，分别记为E点和F点，第二段上E点到D点的距离最近，折返段上F点到D点的距离最近；其中，E点、F点与B点的距离相同；通过B点的空间位置，确定出E点和F点的位置；

确定与空间D点相对应的传感光缆第二段上的E点的过程为现有技术，而与D点相对应的传感光缆折返段上的F点与折返点B点的距离BF和E点与折返点B点的距离BE相同，则通过E点和折返点B点的位置，可以确定出F点的位置；

信号处理单元将传感光缆上的AB段E点和BC段F点返回的信号做加权平均，作为空间D点对应的外界信号的大小，本实施例E点和F点返回信号的权重系数均为0.5；通过信号处理单元的处理，得到空间D点对应的外界温度的大小；

将空间D点对应的外界信号的值进行处理，得到相应的外界温度，此信号处理过程为本领域的现有技术，在此不再赘述；

同理，可得到传感光缆重叠段所处区域内空间各点对应的温度。

利用上述方法测量区域OB段的温度，得到的结果如图4下图所示，利用现有技术得到的结果如图4上图所示。

可以看出，在前5000m的测量距离内，本实施例和现有技术中的测得结果基本相近；但在5000m～5500m之间的测量距离内，本实施例测得温度的波动噪声明显小于现有技术。

可见，通过末段传感光缆折返敷设的方法来减小传感光缆尾端的温度波动噪声是可行的。

传感光缆末段折返敷设，降低了传感光缆尾端的温度波动幅度，从而减小系统的误报率，提高系统的可靠性。

实施例2

一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量装置，与实施例1不同的是：

信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b分别为0.9和0.1。

本实施例还提供了一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量方法，与实施例1不同的是：

利用上述方法对某一时刻测量区域OB段的温度进行测量，得到的结果如图5下图所示，利用传统方法得到的结果如图5上图所示。

实施例3

一种分布式布里渊散射应变传感测量装置，与实施例1不同的是：

传感光缆的第一段的长度为18000m，第二段和折返段的长度均为2000m；

测量主机用于测量应变；

第二段和折返段相应点返回信号的加权系数a和b分别为0.7和0.3。

本实施例还提供了一种分布式光纤布里渊散射应变传感测量方法，请参阅图3，包括以下步骤：

a、对于该分布式光纤应变传感装置，光纤损耗系数α＝0.2dB/km；

传感光缆末段的2000m采用双芯单模光纤，在光纤末端B点采用光纤熔接机将双芯光纤熔接在一起；

将上述带有末段2000m双芯单模光纤的传感光缆自测量主机O引出，沿测量区域敷设，形成第一段OA和重叠段，其中第一段OA的长度为18000m；重叠段包括第二段AB和折返段BC，AB段和BC段的长度均为2000m，并在B点连接，以使BC段的信号能够通过AB段返回测量主机；双芯单模光纤的使用保证了AB段和BC段光纤紧密贴近，并能同时感应同一外界应变场；

在传感光缆折返点B点施加压力，信号处理单元通过对传感光缆返回的信号进行分析，得出B点所处空间位置；

b、信号处理：

对传感光缆第一段OA信号的处理：

信号处理单元对传感光缆第一段OA返回的信号进行处理，得到OA段所处区域各点的应变；此信号处理过程是本领域的现有技术，在此不再赘述；

对传感光缆重叠段返回信号的处理：

将传感光缆AB段E点和BC段F点返回的信号做加权平均，作为空间D点对应的外界信号的大小，本实施例E点和F点返回信号的权重系数a和b分别为0.7和0.3；通过信号处理单元的处理，得到D点对应的外界应变的大小；

将空间D点对应的外界信号的值进行处理，得到相应的外界应变，此信号处理过程为本领域的公知常识，在此不再赘述；

同理，得到传感光缆重叠段所处区域内各点对应的应变。

利用本方法测得的结果如图6下图所示，利用传统方法测得的结果如图6上图所示。

可以看出，在18000m之前的测量距离内，本方法和现有技术基本相近；但在18000m～20000m之间的测量距离内，本方法测得的应变的波动噪声明显小于现有技术。

可见，通过末段传感光缆折返敷设的方法来减小传感光缆尾端的应变波动噪声是可行的。

传感光缆末段折返敷设，降低了传感光缆尾端的应变波动幅度，从而减小系统的误报率，提高系统的可靠性。

实施例4

一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量装置，与实施例1不同的是：传感光缆第一段的长度为4000m，第二段和折返段的长度均为1000m；

信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b分别为0.8和0.2。

在步骤a中，6000m的传感光缆从测量主机O点引出，沿测量区域敷设，传感光缆第一段OA段的长度为4000m；传感光缆继续敷设，在折返点B点折返，其中，AB段与BC段的长度均为1000m；

在步骤b中，信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b分别为0.8和0.2。

利用上述方法对某一时刻测量区域OB段的温度进行测量，得到的结果如图7下图所示，利用传统方法传感光缆无折返敷设时得到的结果如图7上图所示。

可以看出，在4000m之前的测量距离内，末段传感光缆无折返敷设和有折返敷设时得到的温度测量结果基本相近；但在4000m～5000m之间的测量距离内，传感光缆折返敷设情况下得到的测量结果的温度波动噪声明显小于无折返敷设时的温度波动噪声。

实施例5

一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量装置，与实施例1不同的是：传感光缆第一段的长度为3000m，第二段和折返段的长度均为1500m；

信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b分别为0.6和0.4。

在步骤a中，6000m的传感光缆从测量主机O点引出，沿测量区域敷设，传感光缆第一段OA段的长度为3000m；传感光缆继续敷设，在折返点B点折返，其中，AB段与BC段的长度均为1500m；

在步骤b中，信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b分别为0.6和0.4。

利用上述方法对某一时刻测量区域OB段的温度进行测量，得到的结果如图8下图所示，利用传统方法传感光缆无折返敷设时得到的结果如图8上图所示。

可以看出，在3000m之前的测量距离内，末段传感光缆无折返敷设和有折返敷设时得到的温度测量结果基本相近；但在3000m～4500m之间的测量距离内，传感光缆折返敷设情况下得到的测量结果的温度波动噪声明显小于无折返敷设时的温度波动噪声。

实施例6

一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量装置，与实施例5不同的是：信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b均是测量距离z的函数，即a＝0.7*exp(-0.0002*(z-3000))，b＝1-a，其中，z的取值范围为[3000，4500]。

本实施例还提供了一种分布式光纤拉曼散射温度传感测量方法，与实施例5不同的是：

在步骤b中，信号处理单元在进行信号处理时对AB段E点和BC段F点返回信号的加权系数a和b均是测量距离z的函数，本实施例a为指数递减函数：a＝0.7*exp(-0.0002*(z-3000))，其中，z的取值范围为[3000，4500]，b＝1-a。则，经过计算，a的取值范围为：[0.52，0.7]，b的取值范围为：[0.3，0.48]

利用上述方法对某一时刻测量区域OB段的温度进行测量，得到的结果如图9下图所示，利用传统方法传感光缆无折返敷设时得到的结果如图9上图所示。

信号处理单元在进行信号处理时，对第二段AB段E点和折返段BC段F点返回信号的加权系数既可以为常数，也可以为变量，均可降低尾端温度波动噪声。

上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。本实用新型的关键是：传感光缆包括第一段、由第二段和折返段组成的重叠段，处理与同一空间点相对应的第二段和折返段上的点返回的信号，从而得到在所述同一空间点处的参量，而对于第一段返回信号的处理则是现有技术。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型做出的任何形式的改变均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种分布式光纤传感测量装置，包括测量主机和传感光缆，其中，测量主机包括信号处理单元，其特征在于：

所述重叠段包括第二段和折返段；

2.根据权利要求1所述的传感测量装置，其特征在于：所述传感光缆折返敷设段长度不大于正向敷设区和正向敷设段长度之和的一半。