面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及方法与流程

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及方法。

背景技术

高速交通基础设施是用于保证国家或地区社会经济活动高效正常进行的公共服务系统。实现高速交通基础设施安全监测、保障交通的安全运行已成为国家和地方的重大战略需求。

以山西省为例，山西省作为全国重要的能源原材料基地，地下煤炭的大规模开采造成了山西省大面积的采空区，全省15.7万平方公里的土地，采空区近3万平方公里。山西省高速公路网“三纵十二横十二环”中多条高速公路压覆采空区，由于采空造成的地质灾害，致使路基大面积沉陷，路面裂缝交错，路旁山体时有滑坡，给众多交通基础设施造成严重损伤。大面积的采空区让高速公路、铁路成了没有根基的“悬空路”、“漏斗路”，给社会经济活动、人民生命财产带来严重的制约和安全隐患。

煤田采空区下高速交通基础设施的损坏通常表现为由于采空区下高速交通基础设施的损坏通常表现为由于采空区地表塌陷使其所受应变、应力改变，或者采空区下浮煤在具备供氧条件下发生自燃导致温度升高等多参量的改变引起的。因此仅仅对交通基础设施单一物理量的监测并不能确保对事故进行有效的预警和定位，因而多参数的分布式测量也显得越来越重要。近年来，随着光纤传感技术的不断发展，其凭借准确度高、抗干扰能力强、空间适用性强、自动化程度高、施工方便、成本较低等优点而逐步得到交通基础设施领域的应用。但目前分布式光纤传感领域均以单一系统实现上述参量的单一监测，要实现多参量的监测需要多个系统，成本很高，因此需要研究多功能/多参量传感技术。

另外，分布式光纤传感技术可以分为三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式传感技术。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术一般用于光通信网络中的故障点检测；基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术可以分为两种类型：一种是利用脉冲信号来感知光纤沿线温度/应变信息的光时域系统，布里渊光时域反射（botdr，brillouinopticaltimedomainreflectometry)的分布式光纤传感系统和布里渊光时域分析（botda，brillouinopticaltimedomainanalysis）的分布式光纤传感系统；另一种是利用正弦信号频率调制的连续光作为传感信号的光相干域系统，布里渊光相干域分析（bocda，brillouinopticalcorrelationdomainanalysis）的分布式光纤传感系统和布里渊光相干域反射（bocdr，brillouinopticalcorrelationdomainreflectometry）的分布式光纤传感系统。光时域系统的优势在于传感距离长，但是由于传感光纤本身声子寿命的固有限制，其最优的空间分辨率一般难以突破1m。而光相干域系统可以使温度和应变的分布式测量实现厘米甚至毫米量级的空间分辨率，然而由于瑞利散射的限制其测量范围仅能达到数米；基于拉曼的温度传感技术由于光源脉宽的限制，使其空间分辨率也难以达到厘米量级（增大脉宽可以增强传感距离，但是会极大的限制系统的空间分辨率）。

综上所述，现有分布式光纤传感技术存在两方面的问题，一是无法同时实现多参量的同时测量。二是存在传感距离与空间分辨率无法兼顾的矛盾。使面向交通基础设施的分布式光纤传感技术遇到了一定的难题。

基于此，本发明提出了一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及测量方法，可以解决现有的光纤传感技术中无法实现多参量同时检测，以及传感距离与空间分辨率无法兼顾的矛盾。

技术实现要素：

为解决现有的光纤传感技术中无法实现多参量同时检测，以及传感距离与空间分辨率无法兼顾的矛盾，本发明提出了一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及检测方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统，包括混沌激光发射装置，2×2光纤耦合器11，第一隔离器12，第一3×3光纤耦合器13，第三光纤偏振控制器14，电光调制器15，正弦信号发生器16，第一可调光延时发生器17，第二掺铒光纤放大器18，扰偏器19，第二隔离器20，第三掺铒光纤放大器21，第四光纤偏振控制器22，声光调制器23，脉冲发生器24，第二3×3光纤耦合器25，第二可调光延时发生器26，第三1×2光纤耦合器27，第二环形器28，第四1×2光纤耦合器29，多芯传感光纤30，布拉格光栅31，波分复用器32，带通滤波器33，雪崩光电放大器34，第一光电探测器35，第二光电探测器36，第三光电探测器37，高速采集卡38，电脑控制器39，光谱仪40，法拉第旋转镜41。

其中混沌激光发射装置的输出端和光谱仪40输入端分别连接2×2光纤耦合器11的输入端，2×2光纤耦合器11的输出端分别连接第一隔离器12的输入端和布拉格光栅31的输入端，第一隔离器12的输出端连接第一3×3光纤耦合器13的输入端，3×3光纤耦合器13的输出端分别连接第三光纤偏振控制器14、第三掺铒光纤放大器21、第三光电探测器37的输入端，第三光纤偏振控制器14的输出端连接电光调制器15的输入端，电光调制器15由正弦信号发生器16对其进行双边带调制，电光调制器15的输出端连接第一可调光延时发生器17的输出端，第一可调光延时发生器17的输出端连接第二掺铒光纤放大器18的输入端，第二掺铒光纤放大器18的输入端连接扰偏器19的输入端，扰偏器19的输入端连接第二隔离器20的输出端，第二隔离器20的输出端连接三芯传感光纤30其中一芯的输入端，其输出端与第四1×2光纤耦合器29的输出端连接，第四1×2光纤耦合器29的输入端分别与波分复用器32、第二环形器28的输出端（右）连接，波分复用器32的输入端与雪崩光电放大器34的输入端连接，雪崩光电放大器34的输出端连接到数据采集卡38的输入端连接，第二环形器28的输入端（左）与第二3×3光纤耦合器25的输出端连接，第二环形器28的输出端（上）与带通滤波器33的输出端连接，带通滤波器33的输入端与第一光电探测器35的输出端连接，高速采集卡38的输入端分别与雪崩光电放大器34，第一光电探测器35，第二光电探测器36，第三光电探测器37的输出端连接，高速采集卡38的输出端与计算机39的输入端连接。

法拉第旋转镜41的输出端与三芯传感光纤30其中一芯的输入端连接，其输出端连接第三1×2光纤耦合器27的输入端，第三1×2光纤耦合器27的输出端分别与可调光延时发生器26和第二3×3光纤耦合器25的输入端连接，可调光延时发生器26的输出端与第二3×3光纤耦合器25的输入端连接，第二3×3光纤耦合器25的输入端分别与声光调制器23和第二光电探测器36的输出端连接，声光调制器23由脉冲发生器24调制，声光调制器23的输入端与第四光纤偏振控制器22的输出端连接，第四光纤偏振控制器22的输入端与第三掺铒光纤放大器21的输出端连接，第三掺铒光纤放大器21的输入端与第一3×3光纤耦合器13的输出端连接。

基于上述系统，面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测方法，包括如下步骤：

步骤一、宽带混沌激光的产生。

步骤二、光纤沿线应力检测

利用脉冲调制混沌布里渊光相干域分析系统实现超长距离和高分辨率的采空区高速交通基础设施应力检测，该方法利用布里渊散射光的频移量和功率变化量与光纤内部的应变变化存在着确定的函数关系，从而得到光纤沿线的空间应力场分布情况。

具体为，利用步骤一输出的混沌激光信号经2×2光纤耦合器11、第一隔离器12和第一3×3光纤耦合器13分为三路，一路作为参考光、一路作为泵浦光、另一路作为探测光；探测光经第三光纤偏振控制器14后注入电光调制器15通过中心频率匹配光纤布里渊频移量的正弦信号发生器16对探测光进行双边带调制，经调制后的探测光进入第一可调光延时发生器17，通过调节探测光光程实现相关峰定位；随后探测光经第二掺铒光纤放大器18放大后注入扰偏器19，最后通过第二隔离器20注入多芯传感光纤30的一端；泵浦光则经第三掺铒光纤放大器21放大后通过第四光纤偏振控制器22后利用声光调制器23和脉冲发生器24进行脉冲强度调制，调制后的脉冲混沌光经第二3×3耦合器25分为三路，泵浦光三路进入第二环形器28左端，最后脉冲混沌泵浦光经第四1×2光纤耦合器29注入多芯传感光纤30的另一端；随后泵浦光与探测光在传感光纤各点产生干涉，干涉后的散射光通过第四1×2光纤耦合器29后进入第二环形器28，携带应变信息的布里渊信号进入带通滤波器33后被滤出，通过第一光电探测器35进行光电转换，最后经数据采集卡38采集斯托克斯信号功率，利用功率信息解调得出布里渊增益谱，最后得出光纤沿线的应力分布。

步骤三、光纤沿线温度检测

利用拉曼散射分布式光纤传感方法实现超长距离和高分辨率的采空区高速交通基础设施温度检测，该方法利用混沌参考信号与拉曼反斯托克斯（anti-stokes）两路光信号的互相关信息来解调温度信号，从而得到光纤沿线的空间温度场分布情况。

具体为，利用步骤一产生的混沌激光经第一3×3光纤耦合器13分为三路后，参考光进入光电探测器37后连接数据采集卡38；泵浦光经第三掺铒光纤放大器21放大后注入第四光纤偏振控制器22，随后泵浦光经声光调制器23和脉冲信号发生器24进行脉冲强度调制，调制后的脉冲混沌光经第二3×3耦合器25分为三路，泵浦光三路进入第二环形器28左端，最后脉冲混沌泵浦光经第四1×2光纤耦合器29注入多芯传感光纤30中；传感光纤中的后向拉曼散射信号携带了传感光纤上各处的温度信息，随后后向拉曼信号入射到第四1×2光纤耦合器29右侧入射端，第四1×2光纤耦合器29的另一路经波分复用器32后滤出1450nm的拉曼反斯托克斯信号经雪崩光电探测器34经过光电转换放大后连接到数据采集卡38进入计算机39，计算机对参考路的混沌参考信号与拉曼反斯托克斯信号作互相关运算后，得出光纤沿线的温度变化信息。

步骤四、光纤沿线振动检测

采用萨格奈克直线型分布式光纤传感检测，实现光纤沿线的振动测量及定位，实现采空区高速交通基础设施超长距离、高分辨率的高频及低频振动信号检测。

具体为，利用步骤一产生的混沌激光经第一3×3光纤耦合器13分为三路后，泵浦光经第三掺铒光纤放大器21放大后注入第四光纤偏振控制器22，随后泵浦光经声光调制器23和脉冲信号发生器24进行脉冲强度调制，调制后的脉冲混沌光经第二3×3耦合器25分为三路，泵浦光一路连接第三1×2光纤耦合器27，泵浦光二路经第二可调光延时发生器26后连接第三1×2光纤耦合器27，两路光通过第三1×2光纤耦合器27后注入多芯传感光纤30发生干涉，最后携带振动信号的干涉光通过法拉第旋转镜41经反射后经第三1×2光纤耦合器27、第二3×3耦合器25注入第二光电探测器36后进行光电转化，最后电信号经高速数据采集卡38将其转换成数字信号，最后通过计算机39显示光纤沿线的振动信号。

步骤五、光栅位移检测

采用光纤光栅传感系统实现目标物的结构位移检测，实现采空区高速交通基础设施高灵敏度的结构位移检测。

具体为，利用步骤一产生的混沌激光经2×2光纤耦合器11分别注入若干个安装于测量点处的布拉格光栅中，光栅后向反射光通过2×2光纤耦合器11后进入光谱仪40后检测波长的变化，通过波长的偏移量即可得到位移量的变化，从而实现位移量的测量。

本发明提供的分布式光纤传感装置，与现有的分布式光纤传感装置相比，其优点在于：

一、与现有的分布式光纤传感装置相比，本发明系统同时实现光纤沿线温度、应变、振动和位移的同时实时测量；

二、本发明装置中所采用的探测信号是由光注入联合光反馈共同扰动输出混沌激光，是一种具有低相干态的混沌激光信号，它的相干函数呈现类δ函数的形状，具有非常低的相干长度，理论上这一相干长度决定了本发明的空间分辨率，而与传感距离无关。这从根本上解决了现有分布式光纤传感技术传感距离和空间分辨率之间的矛盾。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图中：1-第一半导体激光器，2-第一环形器，3-第一1×2光纤耦合器，4-第一光纤偏振控制器，5-第一可调谐衰减器，6-第二半导体激光器，7-第一掺铒光纤放大器，8-第二光纤偏振控制器，9-第二可调谐衰减器，10-第二1×2光纤耦合器，11-2×2光纤耦合器，12-第一隔离器，13-第一3×3光纤耦合器，14-第三光纤偏振控制器，15-电光调制器，16-正弦信号发生器，17-第一可调光延时发生器，18-第二掺铒光纤放大器，19-扰偏器，20-第二隔离器，21-第三掺铒光纤放大器，22-第四光纤偏振控制器，23-声光调制器，24-脉冲发生器，25-第二3×3光纤耦合器，26-第二可调光延时发生器，27-第三1×2光纤耦合器，28-第二环形器，29-第四1×2光纤耦合器，30-多芯传感光纤，31-布拉格光栅，32-波分复用器，33-带通滤波器，34-雪崩光电放大器，35-第一光电探测器，36-第二光电探测器，37-第三光电探测器，38-高速采集卡，39-计算机，40-光谱仪，41-法拉第旋转镜。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统，如图1所示，包括混沌激光发射装置，2×2光纤耦合器11，第一隔离器12，第一3×3光纤耦合器13，第三光纤偏振控制器14，电光调制器15，正弦信号发生器16，第一可调光延时发生器17，第二掺铒光纤放大器18，扰偏器19，第二隔离器20，第三掺铒光纤放大器21，第四光纤偏振控制器22，声光调制器23，脉冲发生器24，第二3×3光纤耦合器25，第二可调光延时发生器26，第三1×2光纤耦合器27，第二环形器28，第四1×2光纤耦合器29，多芯传感光纤30，布拉格光栅31，波分复用器32，带通滤波器33，雪崩光电放大器34，第一光电探测器35，第二光电探测器36，第三光电探测器37，高速采集卡38，电脑控制器39，光谱仪40，法拉第旋转镜41。

其中，混沌激光发射装置包括第一半导体激光器1，第一环形器2，第一1×2光纤耦合器3，第一光纤偏振控制器4，第一可调谐衰减器5，第二半导体激光器6，第一掺铒光纤放大器7，第二光纤偏振控制器8，第二可调谐衰减器9，第二1×2光纤耦合器10。

无内置光隔离器的f-p半导体激光器（第一半导体激光器1）的输出端连接环形器2的左端、环形器2的右端连接第一1×2光纤耦合器3的输入端，第一1×2光纤耦合器3的输出端分别第一光纤偏振控制器4和第二光纤偏振控制器8的输入端连接，第一光纤偏振控制器4的输出端与第一可调谐衰减器5的输入端连接，第一可调谐衰减器5的输出端与任意dfb半导体激光器（第二半导体激光器6）的输入端连接，第二光纤偏振控制器8的输出端连接与第二可调谐衰减器9的输入端连接，第二可调谐衰减器9的输出端与第二1×2光纤耦合器10的输入端连接，第二1×2光纤耦合器10的输出端与第一掺铒光纤放大器7的输出端连接，第一掺铒光纤放大器7的输入端与环形器2的上端连接连接。

本发明所述面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统的连接关系如下，

其中，混沌激光发射装置的输出端和光谱仪40输入端分别连接2×2光纤耦合器11的输入端，2×2光纤耦合器11的输出端分别连接第一隔离器12的输入端和布拉格光栅31的输入端，第一隔离器12的输出端连接第一3×3光纤耦合器13的输入端，3×3光纤耦合器13的输出端分别连接第三光纤偏振控制器14、第三掺铒光纤放大器21、第三光电探测器37的输入端，第三光纤偏振控制器14的输出端连接电光调制器15的输入端，电光调制器15由正弦信号发生器16对其进行双边带调制，电光调制器15的输出端连接第一可调光延时发生器17的输出端，第一可调光延时发生器17的输出端连接第二掺铒光纤放大器18的输入端，第二掺铒光纤放大器18的输入端连接扰偏器19的输入端，扰偏器19的输入端连接第二隔离器20的输出端，第二隔离器20的输出端连接三芯传感光纤30其中一芯的输入端，其输出端与第四1×2光纤耦合器29的输出端连接，第四1×2光纤耦合器29的输入端分别与波分复用器32、第二环形器28的输出端（右）连接，波分复用器32的输入端与雪崩光电放大器34的输入端连接，雪崩光电放大器34的输出端连接到数据采集卡38的输入端连接，第二环形器28的输入端（左）与第二3×3光纤耦合器25的输出端连接，第二环形器28的输出端（上）与带通滤波器33的输出端连接，带通滤波器33的输入端与第一光电探测器35的输出端连接，高速采集卡38的输入端分别与雪崩光电放大器34，第一光电探测器35，第二光电探测器36，第三光电探测器37的输出端连接，高速采集卡38的输出端与计算机39的输入端连接。

法拉第旋转镜41的输出端与三芯传感光纤30其中一芯的输入端连接，其输出端连接第三1×2光纤耦合器27的输入端，第三1×2光纤耦合器27的输出端分别与可调光延时发生器26和第二3×3光纤耦合器25的输入端连接，可调光延时发生器26的输出端与第二3×3光纤耦合器25的输入端连接，第二3×3光纤耦合器25的输入端分别与声光调制器23和第二光电探测器36的输出端连接，声光调制器23由脉冲发生器24调制，声光调制器23的输入端与第四光纤偏振控制器22的输出端连接，第四光纤偏振控制器22的输入端与第三掺铒光纤放大器21的输出端连接，第三掺铒光纤放大器21的输入端与第一3×3光纤耦合器13的输出端连接。

基于上述系统，面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测方法，包括如下步骤：

步骤一、宽带混沌激光的产生；

所采用的混沌激光由光注入联合光反馈共同扰动输出，是由一个无内置光隔离器的f-p半导体激光器、一个任意dfb半导体激光器、可调光衰减器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、第一环形器、光纤耦合器构成。具体采用一个dfb半导体激光器输出光信号，注入到带光纤反馈环的f-p半导体激光器中。利用光注入加光反馈联合扰动方式连接，通过调节反馈强度、注入强度和注入频率失谐量，可实现中心波长在1550nm之间、光谱宽度可调节且谱宽大于100ghz的混沌激光信号输出。

步骤二、光纤沿线应力检测

利用脉冲调制混沌布里渊光相干域分析系统实现超长距离和高分辨率的采空区高速交通基础设施应力检测，该方法利用布里渊散射光的频移量和功率变化量与光纤内部的应变变化存在着确定的函数关系，从而得到光纤沿线的空间应力场分布情况。

具体测量方法如下：利用步骤一输出的混沌激光信号（c波段）经2×2光纤耦合器11、第一隔离器12和第一3×3光纤耦合器13分为三路，一路作为参考光（reference）、一路作为泵浦光（pump）、另一路作为探测光（probe）；探测光经第三光纤偏振控制器14后注入电光调制器15通过中心频率匹配光纤布里渊频移量的正弦信号发生器16对探测光进行双边带调制，经调制后的探测光进入第一可调光延时发生器17，通过调节探测光光程实现相关峰定位；随后探测光经第二掺铒光纤放大器18放大后注入扰偏器19，最后通过第二隔离器20注入多芯传感光纤30的一端；泵浦光则经第三掺铒光纤放大器21放大后通过第四光纤偏振控制器22后利用声光调制器23和脉冲发生器24进行脉冲强度调制，调制后的脉冲混沌光经第二3×3耦合器25分为三路，泵浦光三路进入第二环形器28左端，最后脉冲混沌泵浦光经第四1×2光纤耦合器29注入多芯传感光纤30的另一端；随后泵浦光与探测光在传感光纤各点产生干涉，干涉后的散射光通过第四1×2光纤耦合器29后进入第二环形器28，携带应变信息的布里渊信号进入带通滤波器33后被滤出，通过第一光电探测器35进行光电转换，最后经数据采集卡38采集斯托克斯信号功率，利用功率信息解调得出布里渊增益谱，最后得出光纤沿线的应力分布。

因为光纤中布里渊散射光的频移量和功率变化量与光纤内部的应变变化存在着确定的线性关系，当探测光纤某处的温度/应变发生改变时，后向布里渊散射信号光的频率和功率相应的发生变化，利用计算机对信号进行分析和处理得到探测光纤某处的应变变化量。

步骤三、光纤沿线温度检测

利用步骤一产生的混沌激光经第一3×3光纤耦合器13分为三路后，参考光（reference）进入光电探测器37后连接数据采集卡38；泵浦光经第三掺铒光纤放大器21放大后注入第四光纤偏振控制器22，随后泵浦光经声光调制器23和脉冲信号发生器24进行脉冲强度调制，调制后的脉冲混沌光经第二3×3耦合器25分为三路，泵浦光三路进入第二环形器28左端，最后脉冲混沌泵浦光经第四1×2光纤耦合器29注入多芯传感光纤30中；传感光纤中的后向拉曼散射信号携带了传感光纤上各处的温度信息，随后后向拉曼信号入射到第四1×2光纤耦合器29右侧入射端，第四1×2光纤耦合器29的另一路经波分复用器32后滤出1450nm的拉曼反斯托克斯信号经雪崩光电探测器34经过光电转换放大后连接到数据采集卡38进入计算机39，计算机对参考路的混沌参考信号与拉曼反斯托克斯信号作互相关运算后，通过互相关信息得出光纤沿线的位置及其温度变化信息。

其中，本系统的空间分辨率取决于混沌激光自身信号与其在光纤中散射的拉曼信号互相关曲线上峰值的半高全宽，即由混沌激光的带宽决定，不再受传统系统中光源脉宽的限制。

步骤四、光纤沿线振动检测

利用步骤一产生的混沌激光经第一3×3光纤耦合器13分为三路后，泵浦光经第三掺铒光纤放大器21放大后注入第四光纤偏振控制器22，随后泵浦光经声光调制器23和脉冲信号发生器24进行脉冲强度调制，调制后的脉冲混沌光经第二3×3耦合器25分为三路，泵浦光一路连接第三1×2光纤耦合器27，泵浦光二路经第二可调光延时发生器26后连接第三1×2光纤耦合器27，两路光通过第三1×2光纤耦合器27后注入多芯传感光纤30发生干涉，最后携带振动信号的干涉光通过法拉第旋转镜41经反射后经第三1×2光纤耦合器27、第二3×3耦合器25注入第二光电探测器36后进行光电转化，最后电信号经高速数据采集卡38将其转换成数字信号，最后通过计算机39显示光纤沿线的振动信号。

步骤五、光栅位移检测

利用步骤一产生的混沌激光经2×2光纤耦合器11分别注入若干个安装于测量点处的布拉格光栅中（每个布拉格光栅均通过光纤与2×2光纤耦合器连接），光栅后向反射光通过2×2光纤耦合器11后进入光谱仪40后检测波长的变化，通过波长的偏移量即可得到位移量的变化，从而实现位移量的测量。

光栅位移结构如下：若干个布拉格光栅分布与多芯传感光纤30外表面，每个布拉格光栅对应一个测量点，当测量点处发生位移变化时，就会对光纤光栅进行拉伸或者压缩，从而使反射波长产生漂移，根据漂移量的大小，换算即可实现位移的传感器，将这种结构进行集成封装后放置在桥梁、铁路和隧道中即可监测交通基础设施结构之间的微小应变。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。