专利名称：基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统及方法。
背景技术：
分布式光纤传感是伴随着社会的需求而逐渐发展壮大的一种新型实时在线监测技术，基本原理是利用一根光纤同时传输和感知信号，结合先进的信号处理技术，可以探测长达几十公里光纤不同位置的温度和应变等物理量，实现真正的分布式测量。光纤所特有的质轻、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，也使分布式光纤传感器得到了众多研究人员和应用单位的青睐，近几十年来取得了巨大的进步。到目前为止，关于光纤传感器在各种领域的研究正进行的如火如荼。光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤位移传感器与光纤电流传感器等各种特殊用途的光纤传感器层出不穷，几乎可以应用在传统电学传感器工作的各种领域，并且具有比传统的电学传感器更高的灵敏度及使用寿命。在目前有关光纤传感器研究的各种领域中，分布式光纤传感器是目前最有吸引力和发展前途的一类传感器。分布式光纤传感是利用光纤纵向特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的实时测量，能够为人们提供被测物理参量的空间分布及其随时间变化的特征，可以广泛的应用在国土安防，围界入侵监测，建筑物健康监测，输油管道监测等领域。这类传感器根据传感原理可以分为以下几种基于干涉原理的分布式光纤传感器；基于光时域反射原理的分布式光纤传感器；基于布拉格光纤光栅原理的分布式光纤传感器。基于布拉格光纤光栅原理的分布式光纤传感器是利用布拉格光纤光栅中心波长对温度与应力等物理量敏感进行传感的技术。通过在一根普通的光纤上串联多个光纤光栅，即可进行温度、应变或其它物理量的分布式监测与测量。国内外已有多家研究机构与公司对其进行了大量的研究与开发，目前主要难点是如何精确、快速的解调出各个光纤光栅的中心波长，实时监测各个光纤光栅中心波长的偏移，以准确反应外界的被测量变化；其次，由于每个光纤光栅都需要一定的独立工作带宽，因此受光源带宽限制，传感链路上串接的光纤光栅数量不能无限制的增加。传统采用宽带光源与法布里-帕罗滤波器进行探测与波长解调的方法均面临以上几个问题，且不能区分传感链路上工作波段重合的多个光纤光栅中心波长的变化。
发明内容
本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种基于光时域反射与光纤光栅技术的分布式实时监测系统及方法，该方法可以实时并快速地解调出光纤光栅的中心波长，并可以区分传感链路上工作波段重合的多个光纤光栅中心波长的变化。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是—种基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，包括激光器、激光器波长监测单元、两个光纤耦合器、光环形器、至少两组光纤光栅传感器、延迟光纤、光电探测器、激光器控制单元、信号采集与处理单元、计算机，其特征在于激光器控制单元分别与激光器、计算机电连接；激光器与第一光纤耦合器的合路端光连接；第一光纤耦合器的两个分光端分别与光环形器I端口、激光器波长监测单元连接，其中激光器波长监测单元用于激光器出射波长标定，保证波长测量精度；光环形器II端口与第二光纤耦合器的合路端光连接；第二光纤耦合器的一个分路端与一组光纤光栅光连接，剩余分路端分别经一延迟光纤与对应的剩余组光纤光栅光连接；光环形器III端口与光电探测器光连接，信号采集与处理单元分别与激光器波长监测单元、光电探测器、计算机电连接。所述的的激光器为波长可调谐激光器。本发明使用具有较高扫描频率的波长可调谐激光器作为探测光源，通过激光器控制单元对激光器输出的起始波长和波长扫描间隔进行设定，激光器发射脉冲光，每次发射脉冲的波长可控已知。所述的两组光纤光栅传感器为两个工作波段重合的光纤光栅组，且每组内都是由工作波段不重合的光纤光栅传感器串接组成。光纤耦合器的分光比根据实际情况合理选择；光环形器是三端口光环形器。光电探测器是PIN或APD型光电探测器，并包含有前置放大电路与整形电路。激光器控制单元可以设置波长可调谐激光器扫描的起始波长与波长扫描间距。激光器波长监测单元包含有光电探测器、波长校准器件，用于反馈控制激光器使之输出稳定的波长。信号采集与处理单元包括数据采集与信号处理两部分，数据采集是由高速数字采集卡实现；结合延迟光纤产生的时延，该采集卡能够在时间上将两组不同光纤光栅的反射信号分开，从而实现时域上的复用。本发明主要利用光时域反射解决同一光纤链路上多个工作波段重合的光纤光栅传感器的识别问题。通过检测光纤光栅反射光传输到光电探测器的时间差识别多个工作波段重合的光纤光栅，并确定其物理位置。基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统的方法，基特征在于按以下几个步骤进行(1)计算机通过激光器控制单元对波长可调谐激光器光源的起始扫描波长与波长扫描间隔进行设定，扫描光纤光栅中心波长所在波段；(2)光电探测器通过对光纤光栅传感器进行位置-中心波长编码，确定各个光纤光栅传感器的物理位置；(3)当波长可调谐激光器发射的脉冲光对至少两组光纤光栅组进行扫描时，信号采集与处理单元通过光时域反射区分工作波段重合的光纤光栅的反射光强；(4)计算机根据各个光纤光栅反射信号的强度与时间的对应关系，找出所有光纤光栅组中各个光纤光栅最强反射时间点，并结合激光器输出波长-时间曲线，实现光纤光栅波长的实时快速解调，确定各个光纤光栅传感器的温度与应力。本发明具有以下创新点(I)米用光时域反射与分布式光纤光栅相结合的技术,可以识别同一光纤链路上光学参数相同的多个光纤光栅，扩展而来系统可监测光纤光栅数量。(2)对光纤光栅传感器进行位置-中心波长编码，利用波长可调谐激光器进行探测，通过波长扫描的方法可以快速地解调和定位系统各个光纤光栅传感单元。
图1是本发明的一实施例的系统光路与电路图。图2是两组光纤光栅情况下，激光器进行扫描时，光纤光栅反射图。
具体实施例方式下面结合附图、实施例，并结合光时域反射原理对本发明作进一步说明如图1所示，基于光时域反射与光纤光栅技术的分布式实时监测系统图，这里以两组光纤光栅为监测对象，如果需要监测更长的距离，可以通过增加多组光纤光栅来实现。本发明包括波长可调谐激光器1、二个光纤耦合器(2，4)、光环形器3、激光器波长监测单元
5、光电探测器6、激光器控制单元7、信号处理单元8、计算机9、延迟光纤10、相同的两组光纤光栅(11，12)，其中每组光纤光栅包含二十个工作波段不重合的光纤光栅传感单元；激光器控制单元7分别与波长可调谐激光器1、计算机9电连接；波长可调谐激光器I与第一光纤耦合器2的合路端光连接；第一光纤耦合器2的两个分光端分别与光环形器3 I端口31、激光器波长监测单元5连接，其中激光器波长监测单元5用于波长可调谐激光器出射波长标定，保证波长测量精度；光环形器3 II端口 32与第二光纤耦合器4的合路端光连接；第二光纤耦合器4的一个分路端与一组光纤光栅11光连接，另一分路端分别经一延迟光纤10与另一组光纤光栅12光连接；光环形器3 III端口 33与光电探测器6光连接，信号采集与处理单元8分别与激光器波长监测单元7、光电探测器6、计算机9电连接。通过激光器控制单元7设置波长可调谐激光器I的起始扫描波长与波长扫描间隔。这里假设设定初始波长为1520nm，扫描到1560nm停止。波长可调谐激光器每扫描一次发出一系列窄脉冲，这些窄脉冲波长从1520nm递增至1560nm。脉冲光经第一光纤耦合器2分光，其中一部分光接入激光器波长监测单元5，用作波长监测，以保证波长解调精度；另一部分光注入光环形器3 I端口 31。从光环形器3 II端口 32输出的光经另一光纤耦合器4分为两部分，一部分直接注入第一组光纤光栅11，另一部分进过一段足够长的延迟光纤10注入第二组光纤光栅12。各个光纤光栅所反射的光经过光纤耦合器4进入光环形器3 II端口 32，从光环形器3 III端口 33输出，进入光电探测器6，并接入信号采集与处理单元8，进行数据的采集与处理。由于延迟光纤10的作用，两组光纤光栅所反射的光到达光电探测器6的时间不同，因此根据光时域反射原理，可以从时域上精确地分辨两组光纤光栅所反射的光强，由此也可以从时域上分辨出两组光纤光栅中工作波段重合的光纤光栅。光纤光栅对不同波长的光反射率不同，根据各个光纤光栅最强反射点对应的激光器输出波长来确定各个光纤光栅的中心波长。光纤光栅外界温度、应力等各种物理量的改变均会导致其中心波长产生偏移，因此根据光纤光栅中心波长的偏移量可以精确地解调光纤光栅外界物理量的变化。这里结合图2对系统工作原理做进一步说明。图中画出了系统运行时，激光器输出光强-时间图与探测器接收的光强-时间图。当激光器进行一次扫描时，根据光时域反射原理，在时间上不仅可以区分工作波段不重合的光纤光栅，也可以清晰地区分工作波段重合的光纤光栅。如探测器接收的光强-时间图中，两组光纤光栅中中心波长为λ P \ 2、A20的各两对光纤光栅所反射的光，在时间上均可以清晰的区分出来。因此通过定位各个光纤光栅最强反射点，结合激光器发射波长-时间曲线，就可以快速的解调出各个光纤光栅的中心波长。鉴于本发明米用了光时域反射与分布式光纤光栅相结合的技术，可以监测工作波段重合的多个光纤光栅，打破了传统方法中光源带宽对分布式光纤光栅传感系统中光纤光栅数目的限制，使分布式光纤光栅传感技术可以监测更长的距离。本发明可广泛地应用于`各种需要进行长距离、分布式监测测量领域。
权利要求
1.一种基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，包括激光器、激光器波长监测单元、两个光纤耦合器、光环形器、至少两组光纤光栅传感器、延迟光纤、光电探测器、激光器控制单元、信号采集与处理单元、计算机，其特征在于激光器控制单元分别与激光器、计算机电连接；激光器与第一光纤耦合器的合路端光连接；第一光纤耦合器的两个分光端分别与光环形器I端口、激光器波长监测单元连接，光环形器II端口与第二光纤耦合器的合路端光连接；第二光纤耦合器的一个分路端与一组光纤光栅光连接，剩余分路端分别经一延迟光纤与对应的剩余组光纤光栅光连接；光环形器III端口与光电探测器光连接，信号采集与处理单元分别与激光器波长监测单元、光电探测器、计算机电连接。
2.根据权利要求1所述的基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，其特征在于所述的激光器为波长可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，其特征在于所述的两组光纤光栅传感器为两个工作波段重合的光纤光栅组，且每组内都是由工作波段不重合的光纤光栅传感器串接组成。
4.根据权利要求1所述的基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，其特征在于所述的光电探测器是PIN或APD型光电探测器，并包含有前置放大电路与整形电路。
5.根据权利要求1所述的基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，其特征在于所述的激光器控制单元能设置波长可调谐激光器扫描的起始波长与波长扫描间距。
6.根据权利要求1所述的基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，其特征在于所述的激光器波长监测单元包含有光电探测器、波长校准器件，用于反馈控制激光器使之输出稳定的波长。
7.根据权利要求1-6之一所述的基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统的方法，基特征在于按以下几个步骤进行(I)计算机通过激光器控制单元对波长可调谐激光器光源的起始扫描波长与波长扫描间隔进行设定，扫描光纤光栅中心波长所在波段； (2)光电探测器通过对光纤光栅传感器进行位置-中心波长编码，确定各个光纤光栅传感器的物理位置； (3)当波长可调谐激光器发射的脉冲光对至少两组光纤光栅组进行扫描时，信号采集与处理单元通过光时域反射区分工作波段重合的光纤光栅的反射光强； (4)计算机根据各个光纤光栅反射信号的强度与时间的对应关系，找出所有光纤光栅组中各个光纤光栅最强反射时间点，并结合激光器输出波长-时间曲线，实现光纤光栅波长的实时快速解调，确定各个光纤光栅传感器的温度与应力。
全文摘要
本发明涉及一种基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统及方法，系统为激光器控制单元分别与激光器、计算机电连接；激光器与第一光纤耦合器的合路端光连接；第一光纤耦合器的两个分光端分别与光环形器Ⅰ端口、激光器波长监测单元连接，光环形器Ⅱ端口与第二光纤耦合器的合路端光连接；第二光纤耦合器的一个分路端与一组光纤光栅光连接，剩余分路端分别经一延迟光纤与对应的剩余组光纤光栅光连接；光环形器Ⅲ端口与光电探测器光连接，信号采集与处理单元分别与激光器波长监测单元、光电探测器、计算机电连接。方法可以实时并快速地解调出光纤光栅的中心波长，并可以区分传感链路上工作波段重合的多个光纤光栅中心波长的变化。
文档编号G01D5/36GK103063242SQ20121057265
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者张哲民, 杨帆, 张晓磊 申请人:武汉康普常青软件技术有限公司