一种光纤温度振动传感器及综合监控系统和方法
【专利摘要】本发明涉及光纤传感及安全防护领域，具体的说是一种能够同时监测温度信息及振动信息的光纤温度振动传感器及综合监控系统和方法，其特征在于包括脉冲激光器、2*2光耦合器、第一传感光纤、波分复用器、第二传感光纤、背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块，相干光信号光电接收模块，分别与背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块以及相干光信号光电接收模块的输出端相连接的数据采集单元，本发明与现有技术相比，具有更高的振动检测灵敏度。
【专利说明】一种光纤温度振动传感器及综合监控系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感及安全防护领域，具体的说是一种能够同时监测温度信息及振动信息的光纤温度振动传感器及综合监控系统和方法。
【背景技术】
[0002]分布式光纤温度传感器是利用光纤自发拉曼散射光强受温度调制的原理和光时域反射原理而组成的分布式光纤拉曼温度传感器，具有广阔的应用市场。由于它可以在线实时预报现场的温度及其变化的趋势，设置报警温度对现场温度变化进行监测，是一种本质安全型的线型感温探测器，已成功应用于石油石化、电力及港口等领域。
[0003]光纤周界安防作为新一代周界报警系统，有很强的军用及民用价值，可以用于监狱、重要军事目标、武器库等周界的安防监控，还可以用于核电站、石油石化等重要设施的周界安防监控，光纤周界安防主要采用了光纤振动传感器，通过监测边界小范围内环境应力变化对光纤的影响，分析入侵振动信号，并对其仅行判断和报警。
[0004]在现有技术中，中国专利CN200910099463.7公布了一种全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，采用瑞利散射信号进行应力监测、拉曼散射光进行温度监测，但该方案应力大小与光纤损耗关系采用仿真模型计算，精度不高。中国专利CN201010566517.9公布的一种融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，采用布里渊技术实现温度及应力的同步测量，但该方案结构复杂，成本昂贵。中国专利CN201210059875.X公布的一种同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置及方法，采用瑞利自相干进行振动的检测及定位，但定位精度较差。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种结构合理、生产成本低、准确可靠，特别适用于温度和振动同时检测应用环境的光纤温度振动传感器及综合监控系统和方法。
[0006]本发明可以通过以下措施达到:
一种光纤温度振动传感器，设有测温环路、振动相干环路以及位置判定环路，其特征在于包括设有测温环路、振动相干环路以及位置判定环路，其特征在于包括脉冲激光器、与脉冲激光器输出端相连接的2*2光耦合器、与2*2光耦合器的一路输出端经光纤延迟线相连接的第一传感光纤、输入端与2*2光耦合器的第二个输出端相连接的波分复用器、与波分复用器的COM端相连接的第二传感光纤、分别与波分复用器的输出端相连接的依次用于接收第二传感光纤输出的背向拉曼反斯托克斯光信号、背向拉曼斯托克斯光信号以及瑞利散射信号的背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块，与2*2光耦合器的输出端相连接的用于接收由第一传感光纤以及第二传感光纤输出的两路背向瑞利散射信号相干后信号的相干光信号光电接收模块，分别与背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块以及相干光信号光电接收模块的输出端相连接的数据采集单元。
[0007]本发明中所述数据采集单元中设有用于接收背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块输出的电信号的背向光接收电路、输出端分别与脉冲激光器、背向光接收电路、以及间隔采集电路相连接的脉冲触发电路，输入端与相干光信号光电接收模块相连接的间隔采集电路，与背向光接收电路输出端相连接的累加处理电路，以及分别与累加处理电路、间隔采集电路相连接的上传电路。
[0008]本发明中脉冲光纤激光器的中心波长可以为1550nm，脉冲宽度10ns，重复频率IOKHz,峰值功率20W，谱宽0.1nm ;2*2光纤耦合器，对应的中心波长为1550nm，分光比为50:50，插入损耗〈0.7dB ;对应的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片，以及与Rayleigh散射光滤波片相连的1*2耦合器构成；数据采集单元，采样率分为100MSPS和10KSPS，100MSPS采样率对应的模拟输入通道数为3，IOKMSPS采样率对应的模拟输入通道数为1，ADC精度为12bits。
[0009]本发明中所述测温环路由脉冲激光器、波分复用器、第二传感光纤、背向反斯托克斯光电接收模块、背向斯托克斯光电接收模块和数据采集单元组成。
[0010]本发明中所述振动相干环路由脉冲激光器、2*2耦合器、光纤延迟线、波分复用器、第一传感光纤、背向瑞利散射信号光电接收模块和数据采集单元组成。
[0011]本发明所述位置判定电路由脉冲激光器、波分复用器、第一传感光纤、第二传感光纤、光电接收模块和数据采集单元组成。
[0012]本发明中所述数据采集单元在接收背向拉曼斯托克斯光、背向拉曼反斯托克斯光和瑞利散射信号信号接收电路的采样频率与脉冲宽度有如下关系:Ssf=100/X，中:Ssf为采样频率，单位:MSPS，X为脉冲宽度，单位为ns。
[0013]本发明中所述数据采集单元在接收瑞利相干光信号接收电路的采样频率与脉冲宽度有如下关系:Srf=100/X，其中:S,f为采样频率，单位:KSPS，X为脉冲宽度，单位为ns。
[0014]本发明脉冲宽度与传感器重复频率和测量距离有如下关系:fs=100/X，Ls=100/X，其中:fs为重复频率，单位:KHz, Ls为测量距离,单位为Km, X为脉冲宽度，单位为ns。
[0015]—种光纤温度振动综合监控系统，设有工控机以及与工控机相连接的光纤温度震动传感器，其特征在于光纤温度振动传感器采用上述结构，数据采集单元经上传电路将接收到的拉曼散射信号、瑞利信号和瑞利相干信号经USB总线上传至工控机。
[0016]一种光纤温度振动综合监控系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1:数据采集单元向脉冲激光器发送脉冲触发信号，触发脉冲激光器输出脉冲光；步骤2:脉冲激光器输出的光信号经2*2耦合器后，50%光经光纤延迟线进入第一传感光纤，另50%光经波分复用器的com端进入第二传感光纤；
步骤3:光信号进入传感光纤后，第二传感光纤中产生的后向散射拉曼光信号及瑞利散射信号经波分复用器分成斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射信号，分别由与波分复用器相连接的相应的光电接收模块接收，同时第二传感光纤中的瑞利散射信号信号进入2*2耦合器的一路输入端，第一传感光纤中产生的瑞利散射信号经光纤延迟线3进入2*2耦合器的另一路输入端，两路光纤产生的瑞利散射信号在2*2耦合器发生干涉，产生的相干光信号由与其相连的相干光信号光电接收模块接收；步骤4:数据采集单元中的背向光接收电路接收背向散射斯托克斯光、背向散射反斯托克斯光以及瑞利散射信号产生的电信号由背向光接收电路进行采集，并由累加处理电路进行累加处理，光纤中经2*2耦合器输出的瑞利干涉的输出电信号由间隔采集电路进行采集，经累加处理电路及间隔采用电路采集的数据由与其相连的上传电路上传至工控机；步骤5:工控机接收由数据采集单元上传的数据后，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，上位机将传感光纤上的信号强度计算出光纤所处位置处的温度信息，根据入侵产生的相位差，通过检测干涉信号的信号判定是否发生入侵，根据瑞利散射信号对应力敏感的特性，监测光纤应力变化，确定应力位置，输出入侵地点。
[0017]本发明中测温环路根据以下原理获得待测区域的温度信息:当入射激光与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子成为斯托克斯散射光子，吸收一个声子成为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz。纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R(T)与温度相关，其表达式为:
【权利要求】
1.一种光纤温度振动传感器，设有测温环路、振动相干环路以及位置判定环路，其特征在于包括设有测温环路、振动相干环路以及位置判定环路，其特征在于包括脉冲激光器、与脉冲激光器输出端相连接的2*2光耦合器、与2*2光耦合器的一路输出端经光纤延迟线相连接的第一传感光纤、输入端与2*2光耦合器的第二个输出端相连接的波分复用器、与波分复用器的COM端相连接的第二传感光纤、分别与波分复用器的输出端相连接的依次用于接收第二传感光纤输出的背向拉曼反斯托克斯光信号、背向拉曼斯托克斯光信号以及瑞利散射信号的背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块，与2*2光耦合器的输出端相连接的用于接收由第一传感光纤以及第二传感光纤输出的两路背向瑞利散射信号相干后信号的相干光信号光电接收模块，分别与背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块以及相干光信号光电接收模块的输出端相连接的数据采集单元。
2.根据权利要求1所述的一种光纤温度振动传感器，其特征在于所述数据采集单元中设有用于接收背向反斯托克斯信号光电接收模块、背向斯托克斯信号光电接收模块、瑞利散射信号光电接收模块输出的电信号的背向光接收电路、输出端分别与脉冲激光器、背向光接收电路、以及间隔采集电路相连接的脉冲触发电路，输入端与相干光信号光电接收模块相连接的间隔采集电路，与背向光接收电路输出端相连接的累加处理电路，以及分别与累加处理电路、间隔采集电路相连接的上传电路。
3.根据权利要求1所述的一种光纤温度振动传感器，其特征在于脉冲光纤激光器的中心波长为1550nm，脉冲宽度10ns，重复频率IOKHz，峰值功率20W，谱宽0.1nm ;2*2光纤耦合器，对应的中心波长为1550nm，分光比为50:50，插入损耗〈0.7dB ;对应的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片，以及与Rayleigh散射光滤波片相连的1*2耦合器构成；数据采集单元，采样率分为100MSPS和10KSPS，100MSPS采样率对应的模拟输入通道数为3，IOKMSPS采样率对应的模拟输入通道数为1，ADC精度为12bits。
4.根据权利要求1所述的一种光纤温度振动传感器，其特征在于所述数据采集单元在接收背向拉曼斯托克斯光、背向拉曼反斯托克斯光和瑞利散射信号信号接收电路的采样频率与脉冲宽度有如下关系:Ssf=100/X，中:Ssf为采样频率，单位:MSPS，X为脉冲宽度，单位为nso
5.根据权利要求1所述的一种光纤温度振动传感器，其特征在于所述数据采集单元在接收瑞利相干光信号接收电路的采样频率与脉冲宽度有如下关系:Srf=100/X，其中采样频率，单位:KSPS，X为脉冲宽度，单位为ns。
6.根据权利要求1所述的一种光纤温度振动传感器，其特征在于脉冲宽度与传感器重复频率和测量距离有如下关系:fs=100/X，Ls=100/X，其中:fs为重复频率，单位:KHz，Ls为测量距离，单位为Km, X为脉冲宽度,单位为ns。
7.一种光纤温度振动综合监控系统，设有工控机以及与工控机相连接的光纤温度震动传感器，其特征在于光纤温度振动传感器为如权利要求1-6中任意一项所述，数据采集单元经上传电路将接收到的拉曼散射信号、瑞利信号和瑞利相干信号经USB总线上传至工控机。
8.—种如权利要求1所述的光纤温度振动综合监控系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:数据采集单元向脉冲激光器发送脉冲触发信号，触发脉冲激光器输出脉冲光；步骤2:脉冲激光器输出的光信号经2*2耦合器后，50%光经光纤延迟线进入第一传感光纤，另50%光经波分复用器的com端进入第二传感光纤； 步骤3:光信号进入传感光纤后，第二传感光纤中产生的后向散射拉曼光信号及瑞利散射信号经波分复用器分成斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射信号，分别由与波分复用器相连接的相应的光电接收模块接收，同时第二传感光纤中的瑞利散射信号信号进入2*2耦合器的一路输入端，第一传感光纤中产生的瑞利散射信号经光纤延迟线3进入2*2耦合器的另一路输入端，两路光纤产生的瑞利散射信号在2*2耦合器发生干涉，产生的相干光信号由与其相连的相干光信号光电接收模块接收； 步骤4:数据采集单元中的背向光接收电路接收背向散射斯托克斯光、背向散射反斯托克斯光以及瑞利散射信号产生的电信号由背向光接收电路进行采集，并由累加处理电路进行累加处理，光纤中经2*2耦合器输出的瑞利干涉的输出电信号由间隔采集电路进行采集，经累加处理电路及间隔采用电路采集的数据由与其相连的上传电路上传至工控机；步骤5:工控机接收由数据采集单元上传的数据后，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，上位机将传感光纤上的信号强度计算出光纤所处位置处的温度信息，根据入侵产生的相位差，通过检测干涉信号的信号判定是否发生入侵，根据瑞利散射信号对应力敏感的特性，监测光纤应力变化，确定应力位置，输出入侵地点。
【文档编号】G01K11/32GK103616089SQ201310641014
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】李德和, 王建强, 夏俊玲, 史振国 申请人:威海北洋电气集团股份有限公司