CN219914342U - 一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，涉及光电信息技术领域。该长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，包括光电耦合器一，光电耦合器一的输入端连有半导体窄线宽激光器，光电耦合器一输出的其中一路激光与电光调制器的输入端连接，光电耦合器一输出的另一路激光经过光纤偏振扰频器并与光电耦合器三的输入端连接；光电耦合器二，光电耦合器二的输入端与光纤掺铒光纤放大器的输出端相连，光电耦合器二的一个输出端与环路器一的输入端相连，光电耦合器二的另一个输出端与环路器二的输入端相连。解决了在实际的工程监测实施项目中，如何采取新的监测装置获得准确的工程结构形变信息的问题。

Description

一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统

技术领域

本实用新型涉及光电信息技术技术领域，具体为一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统。

背景技术

沿光纤中向前传输的光线，由于光纤材质的内部作用，会被实时散射并反向传输。在反向传输的散射光中，有瑞利分量、布里渊分量、以及拉曼分量。其中，光纤局部受到的应变或者温变，将引起布里渊散射光分量的频率发生改变，同时也会引起拉曼散射光分量的光强发生变化。目前，基于此光学特性的分布式光纤传感系统，越来越多地应用在建筑基坑、道路桥梁，铁路大坝等各类工程建设领域的结构安全监测中。在对工程结构形变进行分布式光纤监测的项目中，结构形变信息的准确获得尤其关键，它能为正确评估工程结构的受力受损以及断裂预警提供信息支撑。基于布里渊散射光的形变监测系统，结构形变或者结构温度的改变，都能引发传感光纤中的布里渊散射光的频率移动，我们无法区分形变与温度二者各自具体影响，因此，在实际的工程监测实施项目中，如何采取新的监测装置获得准确的工程结构形变信息，成为工程监测技术领域值得研究的问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，解决了在实际的工程监测实施项目中，如何采取新的监测装置获得准确的工程结构形变信息的问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，包括：

光电耦合器一，所述光电耦合器一的输入端连有半导体窄线宽激光器，所述光电耦合器一输出的其中一路激光与电光调制器的输入端连接；

光电耦合器二，所述光电耦合器二的输入端与光纤掺铒光纤放大器的输出端相连，所述光电耦合器二的一个输出端与环路器一的输入端相连，所述光电耦合器二的另一个输出端与环路器二的输入端相连，所述环路器一的一个输出端与多模光纤相连，所述环路器一的另一个输出端与波分复用器的输入端相连，所述环路器二的一个输出端与单模光纤相连；以及

光电耦合器三，所述环路器二的另一个输出端与所述光电耦合器三的一个输入端相连，所述波分复用器的一个输出端与光电探测器二的输入端相连，所述波分复用器的另一个输出端与光电探测器三的输入端相连，所述光电耦合器三的输出端与光电探测器一的输入端相连，所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三的输出端均与数据采集处理模块连接，所述光电探测器二和光电探测器三对所述波分复用器输入的拉曼斯托克斯和反斯托克斯散射光信号进行处理后输入到所述数据采集处理模块，所述光电探测器一对光电耦合器三输入的布里渊散射光和移频参考光进行相干处理后输入到所述数据采集处理模块。

上述技术方案，其原理和效果为：

优选的，所述光电耦合器一输出的另一路激光经过光纤偏振扰频器并与所述光电耦合器三的输入端连接。

优选的，所述光电耦合器一为9：1光电耦合器，所述光电耦合器二和所述光电耦合器三均为50：50光电耦合器。

优选的，所述半导体窄线宽激光器的光谱线宽小于1KHZ,波长为1550nm。

优选的，所述电光调制器的消光比为40dB,波长为1550nm，电光带宽为12GHz。

优选的，所述光纤掺铒光纤放大器是信号增益最大为47dB。

优选的，所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三的3dB探测带宽均大于50GHz，波长均为1550nm，输出功率为均12dBm。

通过测量多模光纤沿线温度信息，使用高精度解调算法对拉曼散射光收集到的温度信息进行解算，得到更加准确有效的温度补偿量。测量单模光纤沿线的布里渊散射光信息，运用短时傅里叶变换STFT智能算法解调出光纤沿线的布里渊频移信息，由于此频移信息无法区分是由应变引起，或是由温变引起，因此将此前得到的温度补偿值对布里渊散射光收集到的应变/温变混合信息进行处理，对应变温度混合数据进行温度干扰剔除，最终获得准确的应变值。由于布里渊频移信息是通过短时傅里叶变换STFT智能算法获得，以算法软件替代硬件，避免了传统繁杂的光电模块组合方案，同时又通过紧凑的的高精度拉曼温度补偿方式，获得了工程结构所受形变的准确值。在如工地等复杂的使用环境下，做到降低成本的同时极大的提高了系统的应变监测精度,从仪器端优化工程形变监测。

具体的，激光器产生的激光经光电耦合器一后输入电光调制器，电光调制器将激光进行调制后输入光纤掺铒光纤放大器，调制后的脉冲光由光纤掺铒光纤放大器进行放大后经过光电耦合器二和环路器一输入多模光纤，多模光纤沿线上产生的斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光经过环路器一输入进波分复用器，波分复用器将背向散射光中的斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光分出来，将斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光分别输入进两个光电探测器中，光电探测器对斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光进行探测，接着由光电探测器输入采集卡即数据采集处理模块。这里，半导体窄线宽激光器与光纤掺铒光纤放大器、多模光纤和波分复用器组成了一个全分布式光纤拉曼温度监测模块，将多模光纤沿线的温度信息以拉曼斯托克斯和反斯托克斯散射光的形式精确探测到，通过拉曼斯托克斯与反斯托克斯光强的比值来求取温度，以斯托克斯光为参考信号，将多光纤沿线的斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光的比值转换为温度信息。

激光器产生的激光由光电耦合器一将激光以90％和10％的比例分别输入进电光调制器和光纤偏振扰频器，一路电光调制器将输入的激光调制成脉冲光，接着将脉冲光输入光纤掺铒光纤放大器，调制过的脉冲光由光纤掺铒光纤放大器进行放大后经过光电耦合器二和环路器二输入进单模光纤，单模光纤沿线上产生的背向布里渊散射光经过光纤环路器二输入进光电耦合器三，另一路未经调制的激光由光电耦合器一输入进光纤偏振扰频器，光纤偏振扰频器减少激光的噪声，然后将激光输入进光电耦合器三，光电耦合器三将探测光和参考光输入进光电探测器一进行探测，接着由光电探测器一输入采集卡即数据采集处理模块。在这里，由上文提到的部件组成了布里渊光时域反射应力和温度监测模块，输入采集卡的布里渊光时域信号被转换为布里渊频域信号，光纤沿线的温度和应力信息以布里渊频谱变化的形式探测。

数据采集处理模块对测温部分以拉曼斯托克斯散射光信号作为参考信号，先求出反斯托克斯散射光与斯托克斯散色光的光强比，接着分别测量待测光纤部位温度及已知温度下的反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光光强比，再将待测光纤部位温度与已知温度下的光强比相除并根据公式求解，即可得到光纤待测部位温度。本装置相对于其他测量装置，既有较好的系统稳定性，又有较高的灵敏度。

数据采集处理模块在测应变部分通过布里渊信号解调算法，解调得到布里渊信号频移值，然后将上述中所测得的光纤沿线温度变化，通过布里渊频移与温度之间的关系公式转换为布里渊频移值，将测量得到的布里渊频移值与和温度变化解算出的布里渊频移值进行补偿算法处理，消除温度对于布里渊频移的影响，通过STFT短时傅里叶算法精确得到光纤沿线的应变信息。

本公开的有益效果：

本实用新型提出了一种长距离单多模混合工程形变监测系统，在使用布里渊散射技术测量应变与温度的混合信息基础上，通过应用只对温度信息敏感而对应变信息不敏感的拉曼散射光，进行温度信息的准确测量，对前面的应变温度混合数据进行温度干扰剔除。在布里渊散射技术中我们采用单模光纤进行传感，以获得更加精准的布里渊频率移动值，在拉曼散射分量的检测中我们采用传输光强较大的多模光纤进行传感，以获得更加准确的温度值，使温度补偿更加准确有效，最终获得准确的应变值，完成工程形变的精准监测。解决了在实际的工程监测实施项目中，如何采取新的监测装置获得准确的工程结构形变信息的问题。

附图说明

图1为本实用新型长距离单多模混合光纤工程应变监测系统图。

1、半导体窄线宽激光器；2、光电耦合器一；3、电光调制器；4、光纤掺铒光纤放大器；5、光纤偏振扰频器；6、光电耦合器二；7、环路器一；8、环路器二；9、多模光纤；10、单模光纤；11、光电耦合器三；12、波分复用器；13、光电探测器一；14、光电探测器二；15、光电探测器三；16、数据采集处理模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

请参考图1，一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，包括：

光电耦合器一2，光电耦合器一2的输入端连有半导体窄线宽激光器1，光电耦合器一2输出的其中一路激光与电光调制器3的输入端连接；

光电耦合器二6，光电耦合器二6的输入端与光纤掺铒光纤放大器4的输出端相连，光电耦合器二6的一个输出端与环路器一7的输入端相连，光电耦合器二6的另一个输出端与环路器二8的输入端相连，环路器一7的一个输出端与多模光纤9相连，环路器一7的另一个输出端与波分复用器12的输入端相连，环路器二8的一个输出端与单模光纤10相连；以及

光电耦合器三11，环路器二8的另一个输出端与光电耦合器三11的一个输入端相连，波分复用器12的一个输出端与光电探测器二14的输入端相连，波分复用器12的另一个输出端与光电探测器三15的输入端相连，光电耦合器三11的输出端与光电探测器一13的输入端相连，光电探测器一13、光电探测器二14和光电探测器三15的输出端均与数据采集处理模块16连接，光电探测器二14和光电探测器三15对波分复用器12输入的拉曼斯托克斯和反斯托克斯散射光信号进行处理后输入到数据采集处理模块16，光电探测器一13对光电耦合器三11输入的布里渊散射光和移频参考光进行相干处理后输入到数据采集处理模块16。

进一步的，所述光电耦合器一2输出的另一路激光经过光纤偏振扰频器5并与所述光电耦合器三11的输入端连接。

进一步的，光电耦合器一2为9：1光电耦合器，光电耦合器二6和光电耦合器三11均为50：50光电耦合器。

进一步的，半导体窄线宽激光器1的光谱线宽小于1KHZ,波长为1550nm。

进一步的，电光调制器3的消光比为40dB,波长为1550nm，电光带宽为12GHz。

进一步的，光纤掺铒光纤放大器4是信号增益最大为47dB。

进一步的，光电探测器一13、光电探测器二14和光电探测器三15的3dB探测带宽均大于50GHz，波长均为1550nm，输出功率为均12dBm。

其中，分布式光纤拉曼温度传感：

当激光脉冲在光纤中传播时，背向拉曼散射光回到光纤的始端，每个激光脉冲产生的背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量为：

斯托克斯拉曼散射光的光通量为：

其中，K_S、K_AS分别为与光纤的斯托克斯散射截面、反斯托克斯散射截面有关的系数；νS、νAS分别为斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子的频率；α₀、α_AS、α_S为在光纤中入射光、反斯托克斯拉曼光以及斯托克斯拉曼光的平均传播损耗；R_S(T)、R_AS(T)是与光纤分子低能级和高能级上的粒子数分布有关的系数，是背向斯托克斯拉曼散射光、背向反斯托克斯拉曼散射光的温度调制函数。

R_S(T)＝[1-exp(-hΔν/kT)]^-1

R_AS(T)＝[exp(-hΔν/kT)-1]^-1

其中，h是普朗克常数，h＝6.626×10-34J·s；Δν是拉曼声子频率，Δν＝1.32×1013Hz；T是热力学温度。

采用的解调方法是用斯托克斯拉曼散射信号的通道作参考，用反斯托克斯拉曼散射信号与斯托克斯拉曼散射信号的比值来解调温度，得到空间温度场的分布，因此在定标光纤温度为T₀，待测光纤的温度为T时：

在实际测量中，只要测出经光电转换后Φ_AS(T)、Φ_S(T)、Φ_AS(T0)、Φ_S(T₀)的电平值和定标光纤的温度T₀，k_B是玻尔兹曼常数，k_B＝1.380×10-23J·K-1，求出温度T。

光纤布里渊光时域反射传感系统

光纤中背向布里渊散射频移为：

ν_B＝2nV_a/λ₀

其中νB为光纤折射率，V_a为光纤中的声波速度，λ₀是入射光波长；

光纤中的声波速度可表示为：

其中，k为泊松比；E为杨氏模量；ρ为光纤介质的密度。折射率n和这些参量都是温度和应力的函数，分别记为n(ε，T)、E(ε，T)、k(ε，T)、ρ(ε，T)，将代入ν_B＝2nV_a/λ₀得：

经过分析，可以将布里渊频移变化量随光纤温度和应变的变化量近似成线性变化，可表示为

Δν_B＝C_ν,TΔT+C_ν,εΔε

其中，C_ν,T和C_ν,ε分别为布里渊频移变化的温度系数和应变系数。当入射光波长为1553.8nm时，C_ν,T＝1.1MHz/℃，C_ν,ε＝0.0483MHz/με

通过测量多模光纤9沿线温度信息，使用高精度解调算法对拉曼散射光收集到的温度信息进行解算，得到更加准确有效的温度补偿量。测量单模光纤10沿线的布里渊散射光信息，运用短时傅里叶变换STFT智能算法解调出光纤沿线的布里渊频移信息，由于此频移信息无法区分是由应变引起，或是由温变引起，因此将此前得到的温度补偿值对布里渊散射光收集到的应变/温变混合信息进行处理，对应变温度混合数据进行温度干扰剔除，最终获得准确的应变值。由于布里渊频移信息是通过短时傅里叶变换STFT智能算法获得，以算法软件替代硬件，避免了传统繁杂的光电模块组合方案，同时又通过紧凑的的高精度拉曼温度补偿方式，获得了工程结构所受形变的准确值。在如工地等复杂的使用环境下，做到降低成本的同时极大的提高了系统的应变监测精度,从仪器端优化工程形变监测。

具体的，首先半导体窄线宽激光器1产生的激光经光电耦合器一2后输入电光调制器3，电光调制器3将激光进行调制后输入光纤掺铒光纤放大器4，调制后的脉冲光由光纤掺铒光纤放大器4进行放大后经过光电耦合器二6和环路器一7输入多模光纤9，多模光纤9沿线上产生的斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光经过环路器一7输入进波分复用器12，波分复用器12将背向散射光中的斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光分出来，将斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光分别输入进两个光电探测器中，光电探测器对斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光进行探测，接着由光电探测器输入采集卡即数据采集处理模块16。这里，半导体窄线宽激光器1与光纤掺铒光纤放大器4、多模光纤9和波分复用器12组成了一个全分布式光纤拉曼温度监测模块，将多模光纤9沿线的温度信息以拉曼斯托克斯和反斯托克斯散射光的形式精确探测到，通过拉曼斯托克斯与反斯托克斯光强的比值来求取温度，以斯托克斯光为参考信号，将多光纤9沿线的斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光的比值转换为温度信息；

激光器产生的激光由光电耦合器一2将激光以90％和10％的比例分别输入进电光调制器3和光纤偏振扰频器5，一路电光调制器3将输入的激光调制成脉冲光，接着将脉冲光输入光纤掺铒光纤放大器4，调制过的脉冲光由光纤掺铒光纤放大器4进行放大后经过光电耦合器二6和环路器二8输入进单模光纤10，单模光纤10沿线上产生的背向布里渊散射光经过光纤环路器二8输入进光电耦合器三11，另一路未经调制的激光由光电耦合器一2输入进光纤偏振扰频器5，光纤偏振扰频器5减少激光的噪声，然后将激光输入进光电耦合器三11，光电耦合器三11将探测光和参考光输入进光电探测器一13进行探测，接着由光电探测器一13输入采集卡即数据采集处理模块16。在这里，由上文提到的部件组成了布里渊光时域反射应力和温度监测模块，输入采集卡的布里渊光时域信号被转换为布里渊频域信号，光纤沿线的温度和应力信息以布里渊频谱变化的形式探测。

数据采集处理模块16对测温部分以拉曼斯托克斯散射光信号作为参考信号，先求出反斯托克斯散射光与斯托克斯散色光的光强比，接着分别测量待测光纤部位温度及已知温度下的反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光光强比，再将待测光纤部位温度与已知温度下的光强比相除并根据公式求解，即可得到光纤待测部位温度。本装置相对于其他测量装置，既有较好的系统稳定性，又有较高的灵敏度。

数据采集处理模块16在测应变部分通过布里渊信号解调算法，解调得到布里渊信号频移值，然后将上述中所测得的光纤沿线温度变化，通过布里渊频移与温度之间的关系公式转换为布里渊频移值，将测量得到的布里渊频移值与和温度变化解算出的布里渊频移值进行补偿算法处理，消除温度对于布里渊频移的影响，通过STFT短时傅里叶算法精确得到光纤沿线的应变信息。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于，包括：

光电耦合器一(2)，所述光电耦合器一(2)的输入端连有半导体窄线宽激光器(1)，所述光电耦合器一(2)输出的其中一路激光与电光调制器(3)的输入端连接；

光电耦合器二(6)，所述光电耦合器二(6)的输入端与光纤掺铒光纤放大器(4)的输出端相连，所述光电耦合器二(6)的一个输出端与环路器一(7)的输入端相连，所述光电耦合器二(6)的另一个输出端与环路器二(8)的输入端相连，所述环路器一(7)的一个输出端与多模光纤(9)相连，所述环路器一(7)的另一个输出端与波分复用器(12)的输入端相连，所述环路器二(8)的一个输出端与单模光纤(10)相连；以及

光电耦合器三(11)，所述环路器二(8)的另一个输出端与所述光电耦合器三(11)的一个输入端相连，所述波分复用器(12)的一个输出端与光电探测器二(14)的输入端相连，所述波分复用器(12)的另一个输出端与光电探测器三(15)的输入端相连，所述光电耦合器三(11)的输出端与光电探测器一(13)的输入端相连，所述光电探测器一(13)、光电探测器二(14)和光电探测器三(15)的输出端均与数据采集处理模块(16)连接，所述光电探测器二(14)和光电探测器三(15)对所述波分复用器(12)输入的拉曼斯托克斯和反斯托克斯散射光信号进行处理后输入到所述数据采集处理模块(16)，所述光电探测器一(13)对光电耦合器三(11)输入的布里渊散射光和移频参考光进行相干处理后输入到所述数据采集处理模块(16)。

2.根据权利要求1所述的一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于：所述光电耦合器一(2)输出的另一路激光经过光纤偏振扰频器(5)并与所述光电耦合器三(11)的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于：所述光电耦合器一(2)为9：1光电耦合器，所述光电耦合器二(6)和所述光电耦合器三(11)均为50：50光电耦合器。

4.根据权利要求1所述的一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于：所述半导体窄线宽激光器(1)的光谱线宽小于1KHZ,波长为1550nm。

5.根据权利要求1所述的一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于：所述电光调制器(3)的消光比为40dB,波长为1550nm，电光带宽为12GHz。

6.根据权利要求5所述的一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于：所述光纤掺铒光纤放大器(4)是信号增益最大为47dB。

7.根据权利要求6所述的一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统，其特征在于：所述光电探测器一(13)、光电探测器二(14)和光电探测器三(15)的3dB探测带宽均大于50GHz，波长均为1550nm，输出功率为均12dBm。