一种分布式光纤振动和温度融合传感系统及方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，一种分布式光纤振动和温度融合传感系统及方法。

背景技术：

随着我国经济的飞速发展，我国的大型基础设施已经入大规模建设阶段。因此在实际应用中需要对这些超长距离、大规模基础设施的结构健康状态进行监测，开发研制可靠的大型基础设施的监测系统已成为现今研究的热点。分布式光纤传感系统由于具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感同时又具有体积小、易于安装埋设等优点，已经应用到很多结构健康检测领域。有长距离的天然气、石油管道监控、光缆监控等安全监测；也有民用设施如桥梁、大型建筑等土木工程的健康监测；还有敏感设施如机场、核电站、工厂以及军事基地等的安全监测。因此。光纤传感具有广泛的应用价值，研发基于光纤传感的安全监测系统具有重要的经济价值和社会意义。

基于瑞利、布里渊、拉曼散射的光时域反射技术已经被广泛应用于多种检测领域。但是由于它们自身原理和结构的局限性，只能分别进行振动、应力和温度的测量。然而在一些特定的结构健康检测中，例如石油管道泄漏检测、电力电缆沿线检测等领域，多参量的同时测量是人们希望关注的内容。因此一个能够同时测量振动和温度多参量信息的系统已成为迫切的需求。

目前，已有团队针对以上应用要求提出了一些多参量融合系统的方案。南京大学的yixinzhang、lanxia等在《anewdesignedfbgandφ-otdrhybridsystemforvibrationandtemperaturesensing》中利用光纤布拉格光栅对和ф-otdr相结合，以实现温度和振动同时传感的能力。探测光源注入到fbg后，将被fbg反射，形成相邻的两个脉冲信号，当温度发生变化时，两个fbg的反射谱将发生移动，导致每个fbg反射回的光脉冲的功率值发生变化。两个反射脉冲的功率的比值与温度存在线性关系。通过探测反射光波长的变化便可以实现温度的传感。利用这种比值的方式可以不需要知道反射脉冲功率的绝对值，对系统的温度性要求降低。但是这一结构需要在光纤内刻制光栅，增加了工程的实施难度。同时此方法只能对特定点的温度进行测量，会有一定的测量盲区存在。重庆大学的taozhu在2017年的photonicsglobalconference中报道了一种利用rotdr和ф-otdr结合进行测温和振动的测量方法。但是他所提出的系统需要发射两路不同的脉冲分别进行温度和振动的测量，这增加了系统结构的复杂程度。同时，他所提出的系统在进行振动测量时用了直接探测的方法，这样便无法充分消除edfa所带来的ase宽带噪声，噪声会与瑞利散射叠加到一起，严重影响传感距离。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术在同一个传感系统中同时实现高信噪比的分布式振动和温度测量方面的不足，而提供一种分布式光纤振动和温度融合传感系统及方法，可以同时实现振动和温度的测量；并且可以通过相干探测后再解缠绕的方法对测量得到的振动信号进行较为完好的还原。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种分布式光纤振动和温度融合传感系统，包括激光器、第一耦合器、脉冲发生器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、拉曼滤波器、第二耦合器、平衡探测器、第一雪崩探测器、第二雪崩探测器和信号采集卡；其中，

激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；

声光调制器，用于将初始探测光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将声光调制器输出的脉冲光放大后输出至光纤环形器；

光纤环形器，用于将最终探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；

传感光纤，用于当接收到最终探测光时，产生背向散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至拉曼滤波器；

拉曼滤波器，用于将接收到光纤环形器的第三端口3输出的背向散射光分成瑞利背向散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光；

第二耦合器，用于将拉曼滤波器输出的瑞利背向散射光与本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

平衡探测器，用于将相干光转换成电信号输出至信号采集卡；

第一雪崩探测器，用于将拉曼斯托克斯光转换成第一电信号后输出至信号采集卡；

第二雪崩探测器，用于将拉曼反斯托克斯光转换成第二电信号后输出至信号采集卡；

信号采集卡，用于根据触发脉冲，将第一电信号、第二电信号分别转换为数字信号进行后续处理。

作为本发明所述的一种分布式光纤振动和温度融合传感系统进一步优化方案，所述装置在同一根光纤上实现了振动和温度的同时测量。

作为本发明所述的一种分布式光纤振动和温度融合传感系统进一步优化方案，所述激光器为窄线宽激光器。

作为本发明所述的一种分布式光纤振动和温度融合传感系统进一步优化方案，所述声光调制器将初始探测光进行移频，并将瑞利背向散射光与本振光进行相干。

基于上述的一种分布式光纤振动和温度融合传感系统的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用激光器产生连续模式窄线宽激光，该窄线宽激光经第一耦合器分成两路：第一路作为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；

步骤二、设定脉冲发生器的脉冲宽度和脉冲周期，通过声光调制器将连续模式窄线宽激光转换为脉冲光，并通过掺铒光纤放大器将其放大，放大后的最终脉冲光通过光纤环形器的第1端口输入，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤中；

步骤三、传感光纤接收到最终脉冲光，产生背向散射光，并将背向散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至拉曼滤波器；

步骤四、拉曼滤波器将接收到的背向散射光分成瑞利背向散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光；瑞利背向散射光用于探测振动的频率和位置，拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯光均用于探测温度的变化；其中将瑞利背向散射光输入至第二耦合器与本振光进行相干，由平衡探测器进行探测；拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光分别由第一雪崩探测器和第二雪崩探测器进行探测；

步骤五、将平衡探测器、第一雪崩探测器和第二雪崩探测器探测到的信号输出至信号采集卡进行采集，处理得到振动和温度信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）实现同时对振动事件和温度变化的测量；

（2）通过对相干探测得到的幅度信息进行解调获得相位信息。

附图说明

图1是本发明的分布式光纤振动和温度融合传感系统的结构示意图；

图2a是本发明装置及方法测得锤子敲击事件的幅度图；

图2b是本发明装置及方法测得锤子敲击事件的频谱图；

图3a是本发明装置及方法测得的拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光曲线；

图3b是由斯托克斯和反斯托克斯曲线所计算得到的温度曲线；

图4a是本发明装置及方法测得100hz正弦信号的幅度图；

图4b是对相位进行解缠绕还原出来的100hz信号的相位信息。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明的系统结构图，包括激光器、第一耦合器、脉冲发生器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、拉曼滤波器、平衡探测器、第一雪崩探测器、第二雪崩探测器和信号采集卡；其中，

激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；

第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；

声光调制器，用于将初始探测光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将声光调制器输出的脉冲光放大为最终探测光后输出至光纤环形器；

光纤环形器，用于将最终探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；

传感光纤，用于当接收到最终探测光时，产生背向散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至拉曼滤波器；

拉曼滤波器，用于将接收到光纤环形器的第三端口3输出的背向散射光分成瑞利背向散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光；

第二耦合器，用于将拉曼滤波器输出的瑞利背向散射光与本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

平衡探测器，用于将相干光转换成电信号输出至信号采集卡；

第一雪崩探测器，用于将拉曼斯托克斯光转换成第一电信号后输出至信号采集卡；

第二雪崩探测器，用于将拉曼反斯托克斯光转换成第二电信号后输出至信号采集卡。

信号采集卡，用于根据触发脉冲，将第一电信号、第二电信号分别转换为数字信号进行后续处理。

所述装置在同一根光纤上实现了振动和温度的同时测量。

所述激光器为窄线宽激光器。

所述声光调制器将初始探测光进行移频，并将瑞利背向散射光与本振光进行相干。

使用器件性能：激光器的型号为rio激光器，该激光器波长为1550nm，线宽为3khz，输出光功率为11dbm；声光调制器的型号为gooch&housego，可以实现150mhz的频率上移；edfa选用amonics的放大器，中心频率在1550nm，恒功率增益可以达到23dbm；拉曼滤波器的隔离度为40db；平衡探测器选用的是thorlab公司带宽350mhz，放大倍数为40db的pdb430c；第一雪崩探测器和第二雪崩探测器的带宽均为20mhz，增益为60db。

结合实验参数的具体步骤如下：

步骤一、激光器产生连续模式窄线宽激光，该窄线宽激光通过90/10耦合器，10%的激光作为相干探测的本振光，90%的激光作为初始探测光输入至声光调制器；

步骤二、设定脉冲发生器的脉冲宽度和脉冲周期，脉冲宽度在50ns-1us,周期为150us-1ms；声光调制器将连续光移频150m并转换为脉冲光，然后通过掺铒光纤放大器将其放大至峰峰值为21dbm，放大后的脉冲光通过光纤环形器的第1端口输入，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤中；

步骤三、传感光纤接收到放大后的脉冲光，产生背向散射光，并将背向散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至拉曼滤波器；

步骤四、拉曼滤波器将背向散射光分成瑞利背向散射光、拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光；其中将瑞利背向散射光与本振光输入至第二耦合器进行相干，由带宽为350m的平衡探测器进行探测；拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光分别由带宽同为20m的第一雪崩探测器和第二雪崩探测器进行探测；

步骤五、将平衡探测器、第一雪崩探测器和第二雪崩探测器探测到的信号输出至信号采集卡进行采集，处理得到振动和温度信息。

实验测得锤子敲击事件的幅度信息和频谱相应如图2a和图2b所示。图3a是测得的35℃至55℃的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯曲线，图3b是由斯托克斯和反斯托克斯曲线所解出来的温度曲线，可以看较为明显的温度变化，并且温度的测量不会受到振动事件的影响。图4a是测得100hz正弦信号的幅度信息，可以看到由于施加的正弦信号振动幅度过大，测得的幅度信号发生了混叠。图4b为对相位进行解调后的相位差信号，可以看到100hz的正弦信号得到了较为完美的还原。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。