CN214748030U - 分布式光纤振动和温度传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种分布式光纤振动和温度传感系统，包括激光器，激光器的输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的第一输出端连接第三耦合器的第一输入端，第二输出端通过调制器连接第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端连接第一环形器的第一端，第一环形器的第二端连接振动传感用第一传感光纤，第三端连接第三耦合器的第二输入端，第三耦合器的输出端连接平衡探测器；第二耦合器的第二输出端连接第二环形器的第一端，第二环形器的第二端连接温度传感用第二传感光纤，第三端通过波分复用器分别连接第一探测器和第二探测器，平衡探测器、第一探测器和第二探测器分别连接数据采集卡。本系统结构简单，可实现温度和振动同时解调。
Description
技术领域
本实用新型属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种分布式光纤振动和温度传感系统。
背景技术
光纤传感技术始于1977年，伴随着光纤技术和光纤通信技术的发展而兴起的一种新型传感技术。它以光波为传感信号，以光纤为传输介质，感知和探测外界被测信号。当光在光纤中传播时，外界环境因素的变化会对光波参数进行调制，通过检测被调制的光波参数就可以获得外界环境的信息，从而实现传感。而在分布式光纤传感技术中，光纤既作为信号传输介质，又是传感单元,即将整根光纤作为传感单元，传感点是连续分布的，因此可以测量光纤沿线任意位置处的信息，实现长达上百公里的温度、应变、振动、声波的全分布式测量，具有不可替代的优势，为此，分布式光纤传感技术受到了人们越来越多的重视，成为目前光纤传感技术的重要研究方向。
根据被测光信号的不同，分布式光纤传感器可以分为基于光纤的瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种类型，单独的一种类型只能对有限的参量实现测量。然而在实际中，外部事件往往会造成温度、振动、应变等多参数共同变化，若只对单一参量进行检测，则不能反映外部事件的完整信息，因此会导致较高的误报率和漏报率，局限性较大。多个参量之间还往往存在交叉敏感的问题，这对外部事件的信息获取带来了困难，不利于工程应用。因此，对事件的不同因素进行综合感知和分析，可以实现更精确更有效地识别，从而在动态和静态两方面对被测单元进行系统评估。
既有的融合型分布式光纤传感系统包括：：布里渊光时域反射仪(BOTDR)与拉曼光时域反射仪(ROTDR)的融合系统，主要由南安普敦大学M.N.Alahbabi课题组提出，实现了温度和应变的同时测量；相位敏感型光时域反射仪
与偏振型光时域反射仪(POTDR)的融合系统，主要由电子科技大学饶云江课题组提出，实现了对偏振和相位信息的同时获取；以及POTDR与BOTDR的融合系统，主要由南京大学张旭苹课题组提出，实现了应变和振动的同时测量。然而，不同的分布式光纤传感系统往往基于不同的光散射机理，其传感原理有别且存在系统结构不同的问题。如何把多种独立的系统正确融合在一起以期实现多个参量的测量，在尽可能复用更多器件的情况下避免单独系统相互之间的干扰，从而在保障融合系统性能的同时降低成本，这是目前亟需得到解决的难题。
实用新型内容
本实用新型提供一种分布式光纤振动和温度传感系统，以解决目前振动和温度传感时系统需分别单独设置，每个系统测量参数单一，整体结构体积庞大的问题。
根据本实用新型实施例的第一方面，提供一种分布式光纤振动和温度传感系统，包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、调制器、第一环形器、第二环形器、第一传感光纤和第二传感光纤，所述激光器的输出端连接该第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端连接该第三耦合器的第一输入端，第二输出端通过该调制器连接该第二耦合器的输入端，所述第二耦合器的第一输出端连接该第一环形器的第一端，该第一环形器的第二端连接该第一传感光纤，第三端连接该第三耦合器的第二输入端，该第三耦合器的输出端连接平衡探测器；
所述第二耦合器的第二输出端连接该第二环形器的第一端，该第二环形器的第二端连接该第二传感光纤，第三端连接波分复用器的输入端，所述波分复用器的第一输出端连接第一探测器，第二输出端连接第二探测器，所述平衡探测器、第一探测器和第二探测器分别与数据采集卡连接，其中所述第一传感光纤用于振动传感，第二传感光纤用于温度传感。
在一种可选的实现方式中，所述调制器包括串联的电光调制器和声光调制器，所述串联的电光调制器和声光调制器的一自由端连接该第一耦合器的第二输出端，另一自由端连接该第二耦合器的输入端。
在另一种可选的实现方式中，还包括第一光纤放大器，所述第二耦合器的第一输出端通过该第一光纤放大器连接该第一环形器的第一端。
在另一种可选的实现方式中，还包括第二光纤放大器，所述第二耦合器的第二输出端通过该第二光纤放大器连接该第一环形器的第一端。
在另一种可选的实现方式中，
所述激光器用于向所述第一耦合器提供激光信号；
所述第一耦合器将所述激光信号分成两路，一路作为本振光提供给所述第三耦合器，另一路经过该调制器调制成探测脉冲光，提供给该第二耦合器；
所述第二耦合器将所述探测脉冲光分成两路，一路通过该第一环形器提供给该第一传感光纤，另一路通过该第二环形器提供给该第二传感光纤；
所述第一传感光纤在接收到所述探测脉冲光后，产生后向传输的瑞利散射光，该瑞利散射光通过该第一环形器提供给该第三耦合器；
所述第三耦合器对该本振光和该瑞利散射光进行拍频，形成拍频信号；
所述平衡探测器将该拍频信号转换为电信号，提供给该数据采集卡；
所述第二传感光纤在接收到所述探测脉冲光后，产生后向传输的拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光，该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光通过该第二环形器提供给该波分复用器；
所述波分复用器将该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光分别提供给第一探测器和第二探测器；
所述第一探测器和第二探测分别将该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光转换为电信号，提供给该数据采集卡，其中基于瑞利散射光对振动进行传感，基于拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光对温度进行传感。
在另一种可选的实现方式中，所述电光调制器用于将所述激光信号调制成探测脉冲光；
所述声光调制器用于对所述探测脉冲光进行频移，并将频移后的探测脉冲光提供给所述第二耦合器。
在另一种可选的实现方式中，所述第一光纤放大器用于对所述第一耦合器的第一输出端输出的探测脉冲光进行功率放大，并将功率放大后的探测脉冲光提供给所述第一环形器；所述第一环形器将该探测脉冲光提供给该第一传感光纤。
在另一种可选的实现方式中，所述第二光纤放大器用于对所述第一耦合器的第二输出端输出的探测脉冲光进行功率放大，并将功率放大后的探测脉冲光提供给所述第二环形器；所述第二环形器将该探测脉冲光提供给该第二传感光纤。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用第一耦合器将激光器产生的激光信号分成一路，一路作为振动传感用本振光，另一路经调制后形成的探测脉冲光，作为振动和温度传感共用的测量光，可见本系统中振动和温度传感复用了激光信号和探测脉冲光，振动和温度传感不必分别设置对应的激光信号和探测脉冲光产生装置，因而降低了系统结构复杂度和系统成本，本系统融合了传统的
(相位敏感型光时域反射仪)和R-OTDR(拉曼光时域反射仪)系统，解决了单个传感系统测量参量单一的问题，实现了温度和振动两种参量的同时解调；此外，本系统基于
和R-OTDR两种技术，采用两根传感光纤分别对振动和温度进行测量，避免了两种信号之间的相互影响，从而实现两种参量独立且同时的信号解调；
2、本实用新型中调制器包括电光调制器和声光调制器，利用电光调制器将激光调制器调制成探测脉冲光，其可调制形成的探测脉冲光的带宽更窄，从而可以使分布式传感的空间分辨率更高；并且本实用新型还利用声光调制器对探测脉冲光进行频移，采用两个单元分别对探测脉冲光的带宽和频移进行调制，可以提高调制灵活度；
3、本实用新型通过在第二耦合器与第一环形器之间设置第一光纤放大器，对振动传感用探测脉冲光的功率进行调控，如此在将将适当功率的探测脉冲光入射至第一传感光纤后，可以实现振动的有效传感；
4、本实用新型在第二耦合器与第二环形器之间设置了第二光纤放大器，对温度传感用探测脉冲光的功率进行调控，如此在将适当功率的探测脉冲光入射至第二传感光纤后，可以实现温度的有效传感。
附图说明
图1是本实用新型分布式光纤振动和温度传感系统的一个实施例结构示意图；
图2是本实用新型分布式光纤振动和温度传感系统的另一个实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例中的技术方案，并使本实用新型实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本实用新型分布式光纤振动和温度传感系统的一个实施例结构示意图。该系统可以包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、调制器、第一环形器、第二环形器、第一传感光纤和第二传感光纤，所述激光器的输出端连接该第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端连接该第三耦合器的第一输入端，第二输出端通过该调制器连接该第二耦合器的输入端，所述第二耦合器的第一输出端连接该第一环形器的第一端，该第一环形器的第二端连接该第一传感光纤，第三端连接该第三耦合器的第二输入端，该第三耦合器的输出端连接平衡探测器；所述第二耦合器的第二输出端连接该第二环形器的第一端，该第二环形器的第二端连接该第二传感光纤，第三端连接波分复用器的输入端，所述波分复用器的第一输出端连接第一探测器，第二输出端连接第二探测器，所述平衡探测器、第一探测器和第二探测器分别与数据采集卡连接，其中所述第一传感光纤用于振动传感，第二传感光纤用于温度传感。
本实施例中，所述激光器用于向所述第一耦合器提供激光信号(该激光信号可以为窄线宽光信号)，作为温度和振动传感的共同光源；所述第一耦合器将所述激光信号分成两路，一路作为本振光提供给所述第三耦合器，另一路经过该调制器调制成探测脉冲光，提供给该第二耦合器；所述第二耦合器将所述探测脉冲光分成两路，一路通过该第一环形器提供给该第一传感光纤，另一路通过该第二环形器提供给该第二传感光纤；所述第一传感光纤在接收到所述探测脉冲光后，产生后向传输的瑞利散射光，该瑞利散射光通过该第一环形器提供给该第三耦合器；所述第三耦合器对该本振光和该瑞利散射光进行拍频，形成拍频信号(由此实现振动相干探测)；所述平衡探测器将该拍频信号转换为电信号，提供给该数据采集卡；所述第二传感光纤在接收到所述探测脉冲光后，产生后向传输的拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光，该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光通过该第二环形器提供给该波分复用器(例如波分复用器的com端)；所述波分复用器将该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光分别提供给第一探测器和第二探测器(例如将所述第二传感光纤后向传输回的散射光中波长为1663nm的拉曼散射斯托克斯光由波分复用器的1端口滤波输出给第一探测器，将散射光中波长为1450nm的反斯托克斯光滤波输出给第二探测器)；所述第一探测器和第二探测分别将该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光转换为电信号，提供给该数据采集卡(该第一探测器和第二探测器可以为雪崩光电二极管探测器)，基于瑞利散射光对振动进行传感，基于拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光对温度进行传感。
数据采集卡在采集到拍频电信号后，可以首先利用IQ(即同相正交)解调技术对拍频电信号进行幅度解调得到初始幅度信号，进行相位解调得到初始相位信号。对多组幅度信号进行移动平均和移动差分处理可以得到振动的位置信息，实现对振动的定位；对初始相位信号进行相位解缠绕，得到相位展开信号，选取振动区域前后的两个位置作为参考点，将相位展开信号在参考位置的两个相位相减得到振动区域相位，对多组相位展开信号进行相同操作得到振动区域的相位变化，该相位变化和外界振动应变成线性关系，对其进行傅里叶变换得到该位置的频域信息。
数据采集卡在采集到拉曼散射斯托克斯电信号和反斯托克斯电信号后，首先利用拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光的双路解调算法，按照以下公式得到第二传感光纤沿线的分布式温度信息：
式中：T是光纤温度；T0是参考温度；k是玻尔兹曼常数；h是普朗克常数；Δv是拉曼频移量；Pas(T0)是参考温度时的反斯托克斯光功率；Ps(T0)时参考温度时的斯托克斯光功率；Pas(T)是光纤温度为T时的反斯托克斯光功率；Ps(T)时光纤温度为T时的斯托克斯光功率。通过第一探测器测得Ps(T)，第二探测器测得Pas(T)，采用取平均等算法，带入上式即可获得分布式温度信息。
由上述实施例可见，本实用新型采用第一耦合器将激光器产生的激光信号分成一路，一路作为振动传感用本振光，另一路经调制后形成的探测脉冲光，作为振动和温度传感共用的测量光，可见本系统中振动和温度传感复用了激光信号和探测脉冲光，振动和温度传感不必分别设置对应的激光信号和探测脉冲光产生装置，因而降低了系统结构复杂度和系统成本，本系统融合了传统的
(相位敏感型光时域反射仪)和R-OTDR(拉曼光时域反射仪)系统，解决了单个传感系统测量参量单一的问题，实现了温度和振动两种参量的同时解调；此外，本系统基于
和R-OTDR两种技术，采用两根传感光纤分别对振动和温度进行测量，避免了两种信号之间的相互影响，从而实现两种参量独立且同时的信号解调。
参见图2，为本实用新型分布式光纤振动和温度传感系统的另一个实施例结构示意图。图2与图1所示实施例的区别在于，所述调制器包括串联的电光调制器和声光调制器，所述串联的电光调制器和声光调制器的一自由端连接该第一耦合器的第二输出端，另一自由端连接该第二耦合器的输入端。另外，该分布式光纤振动和温度传感系统还包括第一光纤放大器，所述第二耦合器的第一输出端通过该第一光纤放大器连接该第一环形器的第一端；还包括第二光纤放大器，所述第二耦合器的第二输出端通过该第二光纤放大器连接该第一环形器的第一端。其中，所述电光调制器用于将所述激光信号调制成探测脉冲光；所述声光调制器用于对所述探测脉冲光进行频移，并将频移后的探测脉冲光提供给所述第二耦合器。所述第一光纤放大器用于对所述第一耦合器的第一输出端输出的探测脉冲光进行功率放大，并将功率放大后的探测脉冲光提供给所述第一环形器；所述第一环形器将该探测脉冲光提供给该第一传感光纤。所述第二光纤放大器用于对所述第一耦合器的第二输出端输出的探测脉冲光进行功率放大，并将功率放大后的探测脉冲光提供给所述第二环形器；所述第二环形器将该探测脉冲光提供给该第二传感光纤。
本实施例中，虽然只采用声光调制器就可以将激光信号调制成探测脉冲光且可实现探测脉冲光的频移，但是电光调制器可以将激光信号调制成更窄的探测脉冲光，本实用新型中调制器包括电光调制器和声光调制器，利用电光调制器将激光调制器调制成探测脉冲光，其可调制形成的探测脉冲光的带宽更窄，从而可以使分布式传感的空间分辨率更高；并且本实用新型还利用声光调制器对探测脉冲光进行频移，采用两个单元分别对探测脉冲光的带宽和频移进行调制，可以提高调制灵活度。
在采用拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光进行温度测量时，如果拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光的功率太小，则第二传感光纤中的拉曼散射效应不明显，如果太大，又会产生受激拉曼散射，为此本实用新型在第二耦合器与第二环形器之间设置了第二光纤放大器，对温度传感用探测脉冲光的功率进行调控，如此在将适当功率的探测脉冲光入射至第二传感光纤后，可以实现温度的有效传感。同样地，本实用新型通过在第二耦合器与第一环形器之间设置第一光纤放大器，对振动传感用探测脉冲光的功率进行调控，如此在将将适当功率的探测脉冲光入射至第一传感光纤后，可以实现振动的有效传感。
由上述实施例可见，本实用新型采用第一耦合器将激光器产生的激光信号分成一路，一路作为振动传感用本振光，另一路经调制后形成的探测脉冲光，作为振动和温度传感共用的测量光，可见本系统中振动和温度传感复用了激光信号和探测脉冲光，振动和温度传感不必分别设置对应的激光信号和探测脉冲光产生装置，因而降低了系统结构复杂度和系统成本，本系统融合了传统的
(相位敏感型光时域反射仪)和R-OTDR(拉曼光时域反射仪)系统，解决了单个传感系统测量参量单一的问题，实现了温度和振动两种参量的同时解调；此外，本系统基于
和R-OTDR两种技术，采用两根传感光纤分别对振动和温度进行测量，避免了两种信号之间的相互影响，从而实现两种参量独立且同时的信号解调。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、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实用新型的一般性原理并包括本实用新型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，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本实用新型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。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来管制。
Claims (8)
1.一种分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、调制器、第一环形器、第二环形器、第一传感光纤和第二传感光纤，所述激光器的输出端连接该第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端连接该第三耦合器的第一输入端，第二输出端通过该调制器连接该第二耦合器的输入端，所述第二耦合器的第一输出端连接该第一环形器的第一端，该第一环形器的第二端连接该第一传感光纤，第三端连接该第三耦合器的第二输入端，该第三耦合器的输出端连接平衡探测器；
所述第二耦合器的第二输出端连接该第二环形器的第一端，该第二环形器的第二端连接该第二传感光纤，第三端连接波分复用器的输入端，所述波分复用器的第一输出端连接第一探测器，第二输出端连接第二探测器，所述平衡探测器、第一探测器和第二探测器分别与数据采集卡连接，其中所述第一传感光纤用于振动传感，第二传感光纤用于温度传感。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，所述调制器包括串联的电光调制器和声光调制器，所述串联的电光调制器和声光调制器的一自由端连接该第一耦合器的第二输出端，另一自由端连接该第二耦合器的输入端。
3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，还包括第一光纤放大器，所述第二耦合器的第一输出端通过该第一光纤放大器连接该第一环形器的第一端。
4.根据权利要求3所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，还包括第二光纤放大器，所述第二耦合器的第二输出端通过该第二光纤放大器连接该第一环形器的第一端。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，
所述激光器用于向所述第一耦合器提供激光信号；
所述第一耦合器将所述激光信号分成两路，一路作为本振光提供给所述第三耦合器，另一路经过该调制器调制成探测脉冲光，提供给该第二耦合器；
所述第二耦合器将所述探测脉冲光分成两路，一路通过该第一环形器提供给该第一传感光纤，另一路通过该第二环形器提供给该第二传感光纤；
所述第一传感光纤在接收到所述探测脉冲光后，产生后向传输的瑞利散射光，该瑞利散射光通过该第一环形器提供给该第三耦合器；
所述第三耦合器对该本振光和该瑞利散射光进行拍频，形成拍频信号；
所述平衡探测器将该拍频信号转换为电信号，提供给该数据采集卡；
所述第二传感光纤在接收到所述探测脉冲光后，产生后向传输的拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光，该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光通过该第二环形器提供给该波分复用器；
所述波分复用器将该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光分别提供给第一探测器和第二探测器；
所述第一探测器和第二探测分别将该拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光转换为电信号，提供给该数据采集卡，其中基于瑞利散射光对振动进行传感，基于拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光对温度进行传感。
6.根据权利要求2所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，
所述电光调制器用于将激光信号调制成探测脉冲光；
所述声光调制器用于对所述探测脉冲光进行频移，并将频移后的探测脉冲光提供给所述第二耦合器。
7.根据权利要求3所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，
所述第一光纤放大器用于对所述第一耦合器的第一输出端输出的探测脉冲光进行功率放大，并将功率放大后的探测脉冲光提供给所述第一环形器；所述第一环形器将该探测脉冲光提供给该第一传感光纤。
8.根据权利要求4所述的分布式光纤振动和温度传感系统，其特征在于，
所述第二光纤放大器用于对所述第一耦合器的第二输出端输出的探测脉冲光进行功率放大，并将功率放大后的探测脉冲光提供给所述第二环形器；所述第二环形器将该探测脉冲光提供给该第二传感光纤。
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| CN202121083729.1U CN214748030U (zh) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | 分布式光纤振动和温度传感系统 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN214748030U true CN214748030U (zh) | 2021-11-16 |
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ID=78624101
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Country Status (1)
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- 2021-05-20 CN CN202121083729.1U patent/CN214748030U/zh active Active
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |