专利名称：一种分布式光纤多参量传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种分布式光纤传感器，尤其是涉及一种分布式光纤多参量传感
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背景技术：
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。与传统的机械类和电子类传感器相比，光纤传感器具有测量灵敏度高、动态范围宽、抗电磁干扰、耐腐蚀和体积小巧等优点。分布式光纤传感器是目前应用较多的一种新型的光纤传感器，它利用光时域反射技术(OTDR)实现沿光纤分布的任一点的参量测量，可实现线型大范围空间的实时在线监测，满足人们对海量监测信息的需求。20世纪90年代，英国的^rk公司利用光时域拉曼散射技术(ROTDR)研制出测量距离为2km的分布式光纤温度传感系统(DTS)，通过测得的探测光纤的反馈信号反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号，将这些光信号数据带入相关计算公式，可以得出温度测量参数，实现了对光纤的温度分布式测量。目前该产品已在国内交通隧道、地铁、电缆火情监测等领域取得了较好的应用。1998年，美国的Jaehee Park等人报道了将基于相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)用于入侵探测的实验研究(Jaehee Park. Proc. of SPIE，1998,3555 49 56)，通过测得探测光纤反馈的相干瑞利散射光信号，根据光强发生变化的事件位置同探测光纤振动的位置相对应，光强的变化量与探测光纤的振动强度对应，得出探测光纤上的振动位置与强度，实现了分布式光纤传感器对振动(入侵位置)的测量。1999年，四川大学的刘浩吾等人利用光时域反射(OTDR)损耗曲线与光纤微弯的关系，研制了混泥土裂缝监测传感器，根据测得的探测光纤的反馈瑞利散射光信号，得出光纤损耗和故障的测量参数，实现了分布式光纤传感器对损耗和故障的测量。目前分布式光纤传感器已在电力、石化、交通、土木和航天等领域得到了广泛应用。但是随着各行业生产安全要求的提高，功能单一的分布式光纤传感器已不能满足需要， 用户为了更全面地了解工程安全状况，往往需要同时对温度、振动、损耗和故障等参量进行全方位实时监控，一般需要配备至少两套不同的分布式光纤传感器才能满足要求，不但设备投资成本大，而且也浪费了大量的光纤资源。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种分布式光纤多参量传感器，不用配置多台设备，就可以同时实现对温度、振动、损耗和故障多个参量的分布式测量。本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为一种分布式光纤多参量传感器，包括光源、光源驱动模块、波分复用器模块、探测光纤、光电探测模块和数据采集及控制电路模块，还包括外调制器，所述的外调制器的输入端与所述的光源的输出端相连，所述的外调制器的输出端与所述的波分复用器模块的输入端相连，所述的波分复用器模块的第一
3输出端与所述的探测光纤相连，所述的波分复用器模块的第二输出端、第三输出端和第四输出端分别与所述的光电探测模块的三个输入端相连，所述的光电探测模块的输出端与所述的数据采集及控制电路模块的输入端相连，所述的数据采集及控制电路模块的输出端与所述的光源驱动模块的输入端相连。所述的外调制器和所述的波分复用器模块之间还设置有增益可调的光纤放大器， 所述的外调制器的输出端与所述的光纤放大器的输入端相连，所述的光纤放大器的输出端与所述的波分复用器模块的输入端相连。所述的光源为窄线宽光纤激光器或者窄线宽半导体激光器，所述的光源驱动模块用于接收所述的数据采集及控制电路模块的输出信号，产生恒流电信号或者窄脉冲的驱动电信号。所述的外调制器是电光调制器、声光调制器、磁光调制器、电吸收调制器和高速光开关中的一种。所述的波分复用器模块为1X4结构，具有一个输入端和四个输出端，所述的波分复用器模块的第一输出端用于将脉冲光输入到所述的探测光纤中，第二输出端用于通过与入射波长一样的瑞利散射光信号或者背向干涉光信号，第三输出端和第四输出端则用于通过反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号。所述的光电探测模块用于接收所述的波分复用器模块输出的光信号，并将所述的光信号转换成电信号用于后续采集。所述的数据采集及控制电路模块用于采集所述的光电探测模块的输出信号。所述的探测光纤是多模光纤或者单模光纤。与现有技术相比，本实用新型的优点在于一种分布式光纤多参量传感器，通过控制光源驱动模块产生两种不同的驱动信号来驱动光源产生两种不同的光信号，然后调节外调制器的偏置电压，使之工作在透光状态或者脉冲调制状态，得到两种不同线宽的脉冲光， 得到的其中一种宽线宽脉冲光可以实现对光纤温度、损耗和故障参量的测量功能，另一种窄线宽脉冲光可以实现对光纤振动参量的测量功能。通过光源驱动模块产生不同的驱动信号，外调制器的使用，不但实现了在一套分布式光纤传感器上测量温度、振动、损耗和故障多个参量的功能，而且投资成本低，节约光纤资源，还拓展了分布式光纤传感器的应用领域；增加增益可调的光纤放大器，则可以使信号更强，增加测量的精度和可靠性。
图1为本实用新型实施例一的分布式光纤多参量传感器的结构示意图；图2为本实用新型实施例二的分布式光纤多参量传感器的结构示意图；图3为本实用新型中波分复用器模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。实施例一如图1和图3所示，一种分布式光纤多参量传感器，包括光源1、外调制器2、波分复用器模块4、探测光纤5、光源驱动模块6、光电探测模块7和数据采集及控制电路模块8。光源1为窄线宽激光器，光源1的输入端与光源驱动模块6的输出端相连，光源
4驱动模块6用于驱动光源1产生脉冲光或连续光，光源1的输出端与外调制器2的输入端相连，外调制器2的输出端与波分复用器模块4的输入端40相连，波分复用器模块4设置有四个输出端，其中第一输出端41与探测光纤5的一端相连，第二输出端42、第三输出端 43和第四输出端44分别与光电探测模块7的三个输入端相连，其中第二输出端42用于通过与入射波长一样的瑞利散射光，第三输出端43和第四输出端44则用于通过反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号，光电探测模块7的输出端与数据采集及控制电路模块8的输入端相连，数据采集及控制电路模块8的输出端与光源驱动模块6的输入端相连。实施例二 如图2和图3所示，一种分布式光纤多参量传感器，包括光源1、外调制器2、光纤放大器3、波分复用器模块4、探测光纤5、光源驱动模块6、光电探测模块7和数据采集及控制电路模块8。光源1为窄线宽激光器，光源1的输入端与光源驱动模块6的输出端相连，光源驱动模块6用于驱动光源1产生脉冲光或连续光，光源1的输出端与激光外调制器2的输入端相连，外调制器2的输出端与光纤放大器3的输入端相连，光纤放大器3的输出端与波分复用器模块4的输入端40相连，波分复用器模块4设置有四个输出端，其中第一输出端41与探测光纤5的一端相连，第二输出端42、第三输出端43和第四输出端44 分别与光电探测模块7的三个输入端相连，其中第二输出端42用于通过与入射波长一样的瑞利散射光，第三输出端43和第四输出端44则用于通过反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号，光电探测模块7的输出端与数据采集及控制电路模块8的输入端相连，数据采集及控制电路模块8的输出端与光源驱动模块6的输入端相连。本实用新型采用传统的光时域反射技术(OTDR)来实现光纤的损耗和故障测量功能，采用光时域拉曼散射技术(ROTDR)来实现光纤的温度测量功能，采用基于相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)来实现光纤的振动测量功能。为实现光纤的振动测量功能，光源 1为窄线宽激光器，而其线宽要求与分布式测量距离有关，线宽越小，激光相干性越高，可实现的测量距离越长。本实用新型根据不同的测量距离选用不同线宽的激光器作为光源，当测量距离小于Ikm时激光器线宽小于500kHz即可，当测量距离达40km时激光器线宽需要小于5kHz。本实用新型主要通过光源驱动模块6直接驱动光源1产生两种光信号，然后调节外调制器2，得到不同线宽的脉冲光，从而实现光纤的温度、振动、损耗和故障测量功能。本实用新型实施例一中，光源1选用EMCORE公司窄线宽半导体激光器，其中心波长为1550nm、连续功率可达20mW，当激光器连续工作时，线宽小于5kHz，可实现的振动测量距离大于40km ；当激光器直接脉冲调制工作时，因频率啁啾效应，线宽展宽至IGHz以上，可大幅提高光纤受激布里渊散射阈值功率，符合拉曼分布式测温需求；外调制器2用于实现纳秒量级的激光脉冲，本实施例选用美国JDSU公司的电光调制器(EOM)，带尾纤输出，可实现Ins Ius的脉冲宽度；探测光纤5可以是单模光纤。本实用新型采用OTDR和ROTDR系统实现光纤温度、损耗和故障测量功能。为了得到OTDR与ROTDR系统所需的光源，首先通过光源驱动模块6直接产生窄脉冲的驱动电信号，使光源1产生窄脉冲、宽谱的脉冲光信号，由于光源1受到脉冲电流直接调制而产生频率啁啾，光源1输出脉冲光信号的线宽从5kHz展宽到IGHz以上；调节外调制器2的偏置电压使其工作在通光状态，即光功率最大输出状态。调制后线宽大于IGHz的脉冲光信号经波分复用器模块4输入到探测光纤5中，由于探测光纤5的材料的密度和折射率等光学性质存在微观不均勻性，探测光纤5内传输的脉冲光将出现后向散射现象，反射的散射光分别为瑞利散射光、反斯托克斯光和斯托克斯光，其中瑞利散射光与入射光波长相同，都为 1550nm，反斯托克斯光中心波长为1450nm，斯托克斯光中心波长为1663nm，波分复用器模块4利用三种散射光的波长不同而分别从第二输出端42、第三输出端43和第四输出端44 输出。光电探测模块7分别将三路光信号转换成电信号后输入数据采集及控制电路模块8 中，瑞利散射光转换成电信号后为\，斯托克斯光转换成电信号后为Vs，反斯托克斯光转换成电信号后为Va。其中瑞利散射光V,是OTDR系统所需的，利用\即可完成光纤损耗和故障的测量； 而反斯托克斯光Va与斯托克斯光Vs是ROTDR系统所需的，通过测量两者的比值 >可实现温度测量，两者的比值与温度的关系可参见式(1)，丄丄斗(O T T0 Mv[ ^(^K(^o)J式⑴中Ttl为标定温度，Vs(T0)为光纤温度为Ttl时斯托克斯光信号强度、Va(T0) 为光纤温度为Ttl时反斯托克斯光信号强度，Δ υ为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，、为反斯托克斯光信号频率，Us为斯托克斯光信号频率，Ua=u，Us = "ο-Δ υ , u ^为光源1发射光的频率。本实用新型采用Φ-OTDR系统实现光纤振动测量功能。光源1恒流工作时激光线宽为5kHz，满足长距离Φ-OTDR系统对线宽的要求。通过光源驱动模块6产生恒流电信号， 驱动光源1产生一个稳定的连续光输出，调节外调制器2，使其工作在脉冲调制状态，连续光经外调制器2调制成脉冲光后输出，即采用外调制的方式产生脉冲光，外调制方式可以避免啁啾效应而使光源1在调制成脉冲光时，线宽保持本身小于5kHz不变，外调制器2输出的脉冲光满足Φ-OTDR系统对光源1的需求。调制后线宽51ΛΖ窄线宽脉冲光经波分复用器模块4输入到探测光纤5中，由于探测光纤5的材料的密度和折射率等光学性质存在微观不均勻性，探测光纤5内传输的脉冲光将出现后向散射现象，反射的散射光分别为瑞利散射光、反斯托克斯光和斯托克斯光，Φ-OTDR系统仅需要其中的瑞利散射光信号，但瑞利散射光因探测光信号为线宽为5kHz的窄线宽探测光而干涉效应起主要作用，此时的瑞利散射光为干涉后的瑞利散射光。当探测光纤5的线路上入侵位置发生扰动时，探测光纤5 的相应位置的折射率将发生变化，从而导致该处光相位发生变化，由于干涉作用，相位的变化将引起后向瑞利散射光强度的变化，通过探测变化的干涉信号，并利用一定的数据处理方法可实现振动测量。本实施例中，记录通过光电探测模块7后瑞利散射光信号为Vp将第 i次采集的瑞利散射光信号记为，将间隔m次采集的瑞利散射光信号记为VHi_m)，根据公式⑵Vtc = Vr ⑴ _Vr(i_m) (2)此处m取2，将采集的任意次采样信号及与其间隔2次的采样信号输入数据采集及控制电路模块，相减的曲线νφ上光强发生变化的事件位置同光强振动的位置相对应，光强的变化量与探测光纤的振动强度对应，由此可得出探测光纤上的振动位置与强度。其中m可以取2 8中的任意正整数。
权利要求1.一种分布式光纤多参量传感器，包括光源、光源驱动模块、波分复用器模块、探测光纤、光电探测模块和数据采集及控制电路模块，其特征在于还包括外调制器，所述的外调制器的输入端与所述的光源的输出端相连，所述的外调制器的输出端与所述的波分复用器模块的输入端相连，所述的波分复用器模块的第一输出端与所述的探测光纤相连，所述的波分复用器模块的第二输出端、第三输出端和第四输出端分别与所述的光电探测模块的三个输入端相连，所述的光电探测模块的输出端与所述的数据采集及控制电路模块的输入端相连，所述的数据采集及控制电路模块的输出端与所述的光源驱动模块的输入端相连。
2.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的外调制器和所述的波分复用器模块之间还设置有增益可调的光纤放大器，所述的外调制器的输出端与所述的光纤放大器的输入端相连，所述的光纤放大器的输出端与所述的波分复用器模块的输入端相连。
3.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的光源为窄线宽光纤激光器或者窄线宽半导体激光器，所述的光源驱动模块用于接收所述的数据采集及控制电路模块的输出信号，产生恒流电信号或者窄脉冲的驱动电信号。
4.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的外调制器是电光调制器、声光调制器、磁光调制器、电吸收调制器和高速光开关中的一种。
5.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的波分复用器模块为1X4结构，具有一个输入端和四个输出端，所述的波分复用器模块的第一输出端用于将脉冲光输入到所述的探测光纤中，第二输出端用于通过与入射波长一样的瑞利散射光信号或者背向干涉光信号，第三输出端和第四输出端则用于通过反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号。
6.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的光电探测模块用于接收所述的波分复用器模块输出的光信号，并将所述的光信号转换成电信号用于后续采集。
7.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的数据采集及控制电路模块用于采集所述的光电探测模块的输出信号。
8.如权利要求1所述的一种分布式光纤多参量传感器，其特征在于所述的探测光纤是多模光纤或者单模光纤。
专利摘要本实用新型公开了一种分布式光纤多参量传感器及多参量测量方法，包括光源、光源驱动模块、波分复用器模块、探测光纤、光电探测模块、数据采集及控制电路模块和外调制器，光源驱动模块的输出端与光源的输入端相连，外调制器的输入端与光源的输出端相连，激光外调制器的输出端与波分复用器模块的输入端相连，波分复用器的输出端分别与探测光纤的输出端和光电探测模块的输入端相连，光电探测模块的输出端与数据采集及控制电路模块相连，数据采集及控制电路模块的输出端与光源驱动模块的输入端相连，优点是可以在一套分布式光纤传感器上测量温度、振动、损耗和故障多个参量的功能，投资成本低，节约光纤资源，还拓展了分布式光纤传感器的应用领域。
文档编号G01H9/00GK202041323SQ20112008601
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者任尚今, 侯光恩, 刘航杰, 张真毅, 张秀峰, 李林克, 李浩泉 申请人:宁波诺驰光电科技发展有限公司