电缆隧道多参数光纤分布式传感测量装置及测量方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是基于光时域分析技术的多参数分布式传感系统，主要应用于电缆隧道中温度、湿度以及气体浓度的多点分布式检测。

背景技术

近年来，随着我国经济实力的增长和城市化建设的需求，国家电网公司加大了输电网电缆化投资力度，使电缆隧道的总里程数不断刷新。目前我国已成为世界上电缆隧道最多，建设发展最快的国家。随之而来的是对于电缆隧道运维管理的需求大大增加，其中对于电缆隧道内温度、湿度以及相应气体浓度的检测必不可少。然而，当前电缆隧道内针对上述参数的探测传感器大多仍旧停留在多种检测手段及相关设备拼装组合的阶段，不但传感器结构复杂，而且传感信号繁杂、数据传输需求量大，在现场应用中系统功耗大、稳定性差且难以实现监测的本质安全。当前，在电缆隧道内尚缺乏结构简单、功耗低、本质安全且可以对温度、湿度以及气体浓度同时进行探测的系统装置，使得电缆隧道内温度、湿度以及气体浓度参数的在线监测难以有效实施。

技术实现要素：

本发明的目的是提供电缆隧道多参数光纤分布式传感测量装置及测量方法，实现电缆隧道内温度、湿度以及气体浓度参数的同时在线监测，结构简单、功耗低且本质安全。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一发明提供了一种电缆隧道多参数光纤分布式传感测量装置，完成对电缆隧道内参数在线监测，包括激光发射单元、激光基准信号单元、激光反馈信号单元、控制单元、分布式探头阵列，激光发射单元的控制端与控制单元的输出端连接，激光发射单元的输出端一路与激光基准信号单元的输入端连接，另一路与分布式探头阵列的输入端连接，分布式探头阵列的输出端与激光反馈信号单元的输入端连接，激光反馈单元的输出端与控制单元的输入端连接。

进一步地，激光发射单元包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器的输入端分别与激光器高频驱动电路/温控电路电连接，激光器高频驱动电路/温控电路与控制单元电连接；第一激光器与第二激光器发出的脉冲激光束经过第一分束器后进入第二分束器，第二分束器分束后一束进入激光基准信号单元，另一束进入分布式探头阵列。

进一步地，所述激光基准信号单元包括第三波分复用器、第三光电探测器和第四光电探测器；进入激光基准信号单元的光经第三波分复用器后分作两束，第一激光器的出射光进入第三光电探测器，第二激光器的出射光进入第四光电探测器；第三光电探测器和第四光电探测器响应得到的光电信号由多通道高速数据采集电路获取发送至控制单元，作为光信号分析的参考信号。

进一步地，第二分束器另一束出射光经过环形器后一路进入第二波分复用器，第二波分复用器的出射光分为两束：第一激光器的出射光和第二激光器的出射光分别进入分布式探头阵列；分布式探头阵列的反射光按照原路径返回，经过环形器后进入第一波分复用器，第一波分复用器的出射光分作两束，第一激光器的反射光传输至第一光电探测器，第二激光器的反射光传输至第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器的输出光电信号与多通道高速数据采集电路连接，多通道高速数据采集电路与控制单元电连接。

进一步地，所述分布式探头阵列包括若干串联连接的探头，相邻两探头之间串接有用来放大激光信号的延时器；所述探头包括气室、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅特征波长不同，第一激光器出射光射向第一光纤光栅后一部分光线沿原路径反射，另一部分光线射向第二光纤光栅后出射光一部分射向延时器，另一部分沿原路径反射；第二激光器的出射光经过气室被待测气体吸收后射向第三光纤光栅，出射光一部分射向延时器，另一部分沿原路径反射。

进一步地，所述气室表面设置有若干孔洞，气室通过孔洞与外界环境相连通，完成对外界环境气体进行检测。

本发明第二方面提供了电缆隧道多参数光纤分布式传感测量方法，具体如下：

分布式探头阵列的不同探头的反射回波信号将在不同时刻到达第一光电探测器和第二光电探测器，通过对时域上的回波信号进行解调，实现对不同探头处温度、湿度以及气体浓度信息的解调。

进一步地，第一激光器出射光波长由短及长进行扫描，解调获取分布式探头阵列中第一光纤光栅反射回波信号it1’、it2’、……、itn’以及第二光纤光栅的反射回波信号ih1’、ih2’、……、ihn’；通过监测反射回波信号波长的漂移，根据光纤光栅特征参数完成温度和湿度检测参数的推演。

进一步地，第二激光器的一束强度为ig0的脉冲到达第一探头，在第一探头中被气室中的气体吸收后强度变为ig1，经过第一探头的第三光纤光栅的部分反射后，一部分脉冲光束被反射，其强度为ig1r31，另一部分脉冲光束透射过第三光纤光栅，并经过延时器后向探头而传输，其强度为ig1t31；其中r31为第一探头中第三光纤光栅的反射率，而透射的强度为ig1t31的脉冲光束经过第二探头中气室内气体的吸收后其强度变为ig2，反射一部分脉冲光束，其强度为ig2r31，透射一部分脉冲光束，其强度为ig2t31；依次类推，直到探头n；

对于探头1光纤光栅3的回波信号ig1’，

其中，α1为与第一探头中气室和待测气体特征吸收波长有关的常数，c1为气室内气体的浓度；

同理，对于探头2光纤光栅3的回波信号ig2’，

依次类推，对于回波信号ign’，

基于公式(1)-(n)，通过获取的回波信号ig1’、ig2’、……、ign’，最终可以反演得到各个探头处待测气体的浓度值。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本发明将温度、湿度以及气体浓度参数探测的器件串接于光纤之上，在对多参数进行检测时，实现了由多种传感器的简单拼接到系统有效集成的跨越，真正提出一种一体化的多参数(温度、湿度、气体浓度)探测装置；

2、系统采用光时域分析技术，一束激光脉冲可实现多点同时检测，大大提高光源利用效率；

3、探测装置采用分布式结构，仅通过两根光纤即可实现对长距离范围内多个待测点的探测，大大减少了探测光源的数量，有效降低了探测系统的功耗，同时价格更加低廉；

4、在监测现场，所提出探测装置均为光信号的光纤传输，免于电磁干扰的影响，且检测过程在现场无带电操作，具有本质安全属性。

附图说明

图1是本发明电缆隧道多参数光纤分布式传感测量装置结构示意图；

图2是本发明各探头中光信号的分布以及回波信号的解释说明示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明所提出的系统装置如图1所示，主要由激光器高频驱动电路/温控电路、激光器1、激光器2、分束器1、分束器2、环形器、波分复用器1、波分复用器2、波分复用器3、延时器、光电探测器1(pd1)、光电探测器2(pd2)、光电探测器3(pd3)、光电探测器4(pd4)、多通道高速数据采集电路、微控制器(mcu)以及分布式探头阵列。

其中分布式探头阵列由探头1、探头2、……、探头n组成。每一个探头均由气室、光纤光栅1、光纤光栅2以及光纤光栅3组成。其中光纤光栅1与光纤光栅2的特征波长不同，分别用于对环境温度和湿度的感知，且随着环境温度与湿度的变化，两光纤光栅的特征波长不会发生重合。光纤光栅3为啁啾光栅，其反射的特征波长范围较宽，可以完全覆盖待测气体吸收峰的展宽。

激光器1与激光器2分别与激光器高频驱动电路/温控电路电连接，接收驱动、温控电路的控制。光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测器4与多通道高速数据采集电路电连接，多通道高速数据采集电路与mcu电连接，多通道高速数据采集电路在微控制器的控制下获取光电探测器产生的光电信号，进一步将获取信号送入微控制器进行计算解调。激光器、分束器、环形器、波分复用器、延时器、探头以及探头内的光纤光栅、气室按照如图1所示的方式通过光纤相连接。

气室通过其上的打孔与外界环境相连通，用于对环境中的气体进行检测。激光器1与探头中的光纤光栅1、光纤光栅2相对应，作为环境温度、湿度的主动探测光源。激光器1波长扫描范围覆盖光纤光栅1与光纤光栅2的特征波长。即使环境温度与湿度发生变化时，光纤光栅1与光纤光栅2的特征波长依然处于激光器1的扫描波长范围内。

激光器2与探头中的光纤光栅3相对应，作为气体浓度的主动探测光源，其波长扫描范围与待测气体的吸收特征光谱所在的波长一致。

在激光器高频驱动电路/温控电路的驱动控制下，激光器1与激光器2分别发射出波长扫描的脉冲激光束。两激光器发射出的脉冲激光束经过分束器1后进入同一根光纤进行传输。经过分束器2分束后，一部分进入环形器，另一部分进入波分复用器3。进入波分复用器3的那一部分经分光后按照波长不同分成两束，一束为激光器1的出射光，另一束为激光器2的出射光。两束脉冲光分别到达光电探测器3(pd3)和光电探测器4(pd4)并响应出光电信号。所得光电信号由多通道高速数据采集电路获取并作为光信号分析的参考信号。经过分束器2分出的另一束脉冲光经过环形器引导后到达波分复用器2。

从两激光器出射且带有不同波长的脉冲激光束被波分复用器2分成两束，其中一束为激光器1所出射的光束，进入探头1中并向着光纤光栅1与光纤光栅2传输；另一束为激光器2所出射的光束，进入探头1中并向着气室、光纤光栅3传输。激光器1发射出的激光束波长由小到大首先覆盖光纤光栅1的特征波长，通过其特征波长的漂移感知环境温度的变化；然后随着激光束波长扫描的红移，将进一步覆盖光纤光栅2的特征波长，通过其特征波长的漂移感知环境湿度的变化。激光器1出射的光束进入探头1后，在扫描的短波段区间被光纤光栅1部分反射，另一部分能量透射，而光纤光栅2对于此波段无任何反射效应，光束完全透射；在扫描的长波段区间，激光束被光纤光栅2部分反射，另一部分能量透射，而光纤光栅1对于此波段无任何反射效应，光束完全透射。激光器2出射的光束进入探头1后，首先经过气室并被待测气体部分吸收，剩余光束能量进一步到达光纤光栅3并被部分反射，另一部分光束透射。

反射的光束沿入射的原路径返回，通过波分复用器2后对应于两激光器的光束合二为一并传输至环形器，并经过环形器的引导到达波分复用器1。脉冲光束经过波分复用器1的分光再次分成两束，其中一束对应于激光器1，并传输至光电探测器1引起光电信号，该光电信号反应了探头中光纤光栅1与光纤光栅2的响应信息，从而携带有探头处温度和湿度的信息；另一束对应于激光器2，并传输至光电探测器2引起光电信号，该光电信号由光纤光栅3反射并反映了探头中气室内气体对激光器2出射光束的吸收情况，携带有探头处气体浓度信息。在探头1中，所透射的光束无论是来自于激光器1还是激光器2，都将继续传输至探头1与探头2之间的延时器。延时器增大脉冲激光束传输的光程，从而延长其传输的时间。经过延时器后光束继续传输至探头2中，并重复其在探头1中的传播方式。依次类推，对应于两支激光器的探测光束将在各个探头发生部分反射和部分透射，透射光束将依次从探头1逐个传输至探头n。在探头n处，光纤光栅1、光纤光栅2以及光纤光栅3均对所对应的反射波段进行全反射。

对于光电探测器1与光电探测器2，不同探头的回波信号将在不同时刻依次到达，在时域上以相同的间隔形成一系列回波信号。通过对时域上的回波信号进行解调，将实现对不同探头处温度、湿度以及气体浓度信息的解调。

激光器1出射脉冲光束的波长由短及长进行扫描，可以完全覆盖探头内光纤光栅1与光纤光栅2的反射特征波长。光栅的反射特征波长与探头中待测环境内的温度、湿度成线性关系，通过检测两光栅的反射特征波长及其漂移可以对各个探头内的温度和湿度参数进行反演解调。

如图2所示，解调中获取各个探头中光纤光栅1的反射回波信号it1’、it2’、……、itn’以及光纤光栅2的反射回波信号ih1’、ih2’、……、ihn’。通过监测回波信号波长的漂移，根据光纤光栅的特征参数，可以快速实现相应温度和湿度参数的反演。

激光器2出射的脉冲光束能量由分束器2平均分为两束，一束到达光电探测4引起强度为ig0的光电信号。另一束强度为ig0的脉冲到达探头1。在探头1中被气室中的气体吸收后强度变为ig1，经过光纤光栅3的部分反射后，一部分脉冲光束被反射，其强度为ig1r31，另一部分脉冲光束透射过光栅，并经过延时器后向探头而传输，其强度为ig1t31。其中r31为探头1中光纤光栅3的反射率。而透射的强度为ig1t31的脉冲光束经过探头2中气室内气体的吸收后其强度变为ig2，然后发生类似于探头1中的过程，反射一部分脉冲光束，其强度为ig2r31，透射一部分脉冲光束，其强度为ig2t31。此过程依次类推，直到探头n。对于探头1光纤光栅3的回波信号ig1’，

其中α1为与探头1中气室和待测气体特征吸收波长有关的常数，c1为气室内气体的浓度。同理，对于探头2光纤光栅3的回波信号ig2’，

依次类推，对于回波信号ign’，

基于公式(1)-(n)，通过获取的回波信号ig1’、ig2’、……、ign’最终可以反演得到各个探头处待测气体的浓度值。

以电缆隧道内温度、湿度和甲烷气体的检测为例。选取激光器1的中心波长为1530nm，扫描范围为1528nm到1532nm。选取激光器2的中心波长为1653.7，扫描范围1nm，甲烷气体在此波段内有显著的吸收特征峰。微控制器以一定时间t为周期，向激光器驱动电路发送阶梯状的数字信号，即数字信号值随着时间的推移依次增大，呈现出阶梯状，但每个方波信号的周期均为t；在更大的时间范围t0内，微控制器重复上述过程，重复输出上述阶梯状的离散信号。激光器驱动电路将此阶梯状的周期数字信号转化为以时间t0为周期的模拟的锯齿波扫描电流信号，并分别将其持续的注入到激光器1与激光器2的控制电流输入引脚。两激光器在此锯齿波扫描电流信号的控制下周期性的持续输出波长由短到长的脉冲激光束。

两激光器出射的脉冲激光束经过分束器1进入一根光纤并经过分束器2进行分束。一部分作为参考光经过波分复用器3之后按波段再分为两束，分别为激光器1的出射光与激光器2的出射光。两脉冲光束分别引起光电探测器3与光电探测器4的响应，产生最终的参考信号。分束器2分出的另一束脉冲在环形器的引导下进入波分复用器2进行分光。与上述波分复用器3中的情况类似，脉冲光束被分为两束，一束为激光器1所出射，另一束为激光器2所出射。两束脉冲分别沿两根光纤进行传输，先后通过探头1、探头2、……、探头n以及探头间的延时器。在每一个探头中，当激光器1的出射脉冲光束扫描波段位于1528nm到1530nm波段时，来自于激光器1的出射脉冲部分被光纤光栅1反射，其余透射，而光纤光栅2对于该波段脉冲无任何反射作用，完全透过。在此波段内的脉冲光将被各个探头内的光纤光栅1依次反射，并在时域上的不同时刻最终到达光电探测器1。将光电探测器1所得时域上各个时刻所获取的回波信号分别与光电探测器3所得参考信号取比值用于去除激光器1的抖动，从而精确得到反射光信号的波长。基于光纤光栅反射特征波长与环境温度的关系，通过解调时域上各个时刻的反射光信号的波长可以实现对各个探头位置处环境温度的探测。类似的，当激光器1出射脉冲光束扫描波段处于1530nm到1532nm波段时，各个探头内的光纤光栅1对脉冲光束无任何反射作用，而光纤光栅2对于脉冲光束具有部分反射作用。在此波段内的脉冲光将被各个探头内的光纤光栅2依次反射，并在时域上的不同时刻最终到达光电探测器1。与上述相同，将光电探测器1所得时域上各个时刻所获取的回波信号分别与光电探测器3所得参考信号取比值用于去除激光器1的抖动，从而精确得到反射光信号的波长。基于光纤光栅反射特征波长与环境湿度的关系，通过解调时域上各个时刻的反射光信号的波长可以实现对各个探头位置处环境湿度的探测。激光器2出射的脉冲激光扫描波长以1653.7nm为中心波长，以1nm为扫描范围。由于光纤光栅3属于啁啾光栅，可以在整个激光器2出射脉冲光扫描波段范围内对脉冲光具有部分反射作用。在每一个探头中，相应的脉冲光经过气室时被其内的待测气体部分吸收。各个探头的回波信号强度与各探头内气室的浓度所呈现出的关系如所述公式(1)-公式(n)所表述。光电探测器2将依次响应激光器2出射脉冲光束的回波信号，并被多通道高速数据采集电路所获取。根据公式(1)-公式(n)所描述的递推关系，微控制器内的处理程序将依次解调反演得到气室中甲烷气体的浓度值。激光器1与激光器2各自独立工作，由于采用了波分复用器，两激光器出射脉冲光束相互无干扰，时域上的回波信号分别由两个光电探测器响应并送入多通道高速数据采集电路系统。在信号解调过程中，两者相互独立。激光器每次出射的脉冲光只有一个波长，且随着时间的推移每个出射脉冲的波长逐次增大，直到整个扫描周期t0结束，重新开始新一论扫描过程。虽然激光器1既用于对温度的探测也用于对湿度的探测，但是由于所述激光器脉冲输出的模式，对于温度的探测采用的是光纤光栅1反射的回波信号，对于湿度的探测采用的是光纤光栅2反射的回波信号。两组回波信号在时域上完全独立分离，同样无相互干扰。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。