一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法和装置与流程

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法和装置。

背景技术：

光纤传感技术由于其传感介质无源、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用寿命长等优点，逐渐成为传感领域最具代表性的新兴技术之一。其中，分布式光纤传感技术，利用了光时域反射技术，可对光纤中任意一点的后向散射信号进行定位，因此，具备测量光纤沿线物理量分布的功能。通过一根光纤即可实现对几千米甚至几十千米范围的相关物理量监测。光纤中的后向散射信号，根据其波长不同，可分为瑞利散射光、拉曼散射光、布里渊散射光。瑞利散射光通常用来进行光纤损耗测量，拉曼散射光对温度敏感，一般用作分布式温度测量，布里渊散射光对温度和应变均敏感，通常可用作分布式温度或应变测量。

此类技术通过一束探测光脉冲注入传感光纤，利用光无源器件，从后向散射光信号中分离出所需波长的光信号，根据探测光脉冲入射与接收到后向散射光信号的时间差，结合光速进行定位。为保证每次测量的信号完整性，在完成一次测量的时间中，光纤内只允许1个探测光脉冲存在，因此探测光脉冲的重复频率受光纤长度的约束。由于散射光信号极其微弱，单次测量结果无法满足要求，常通过累加平均的方法进行处理。若探测光脉冲的重复频率过慢，会导致单次测量时间增加，经过累加平均后，响应时间将明显增加，不利于火灾探测等对响应时间要求较高的应用。同时，针对不同应用，常采用不同长度及类型的光纤，分布式光纤传感系统相关参数需要人为的调试修改，步骤繁琐，且随着运行时间的增加，当出现光纤断裂，或者光纤损耗变化情况，又需要重新调试修改，后期维护工作较大。此外，光纤中的损耗在长期收到外界环境影响下，易发生改变。例如，井下光缆长期运行后，受氢离子腐蚀，损耗增加，若不能适时调整入射探测光脉冲功率，系统性能将大幅下降。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法和装置，可实时监测传感光纤尾端信号的标准差。通过微控制器实时修改脉冲激光的重复频率，使得系统响应时间最优。将实测标准差与预设标准差进行对比，当发现实测标准差小于预设值时，通过微控制器增加光源输出功率，提高信噪比，消除光纤损耗增加对系统造成的性能退化。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法，包括：

步骤s1，对传感光纤进行端点检测，确定传感光纤长度l，并根据传感光纤长度l，调节光脉冲重复频率f；

步骤s2，计算传感光纤尾端部分点散射信号s(l-m)～s(l-n)在t次测量周期内的标准差，并筛选得到t次测量周期内的标准差最大值σmax；其中，s(l-m)表示(l-m)处的散射信号，s(l-n)表示(l-n)处的散射信号，[l-m，l-n]表示窗口的区间，m＞n；

步骤s3，将筛选得到的t次测量周期内的标准差最大值σmax与设定预设值σ0进行比较；

步骤s4，若σmax＞σ0，则增加光源输出功率，重复步骤s2～s3，直至σmax≤σ0。

在上述分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法中，通过如下公式，计算传感光纤尾端部分点散射信号s(l-m)～s(l-n)在t次测量周期内的标准差σi：

其中，si表示采集到的光纤尾端散射光信号，μ为重复采集次数范围内si的均值，l-m≤i≤l-n。

在上述分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法中，

其中，c表示光速，n'表示光纤折射率。

在上述分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法中，每次增加光源输出功率δp。

在上述分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法中，m＝40，n＝20。

相应的，本发明还公开了一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的装置，包括：探测光脉冲发生装置，光纤波分复用器，光电转换模块，信号采集处理模块，微控制器和传感光纤；

脉冲光纤激光器发出激光脉冲信号；所述激光脉冲经过光纤波分复用器注入到传感光纤中，所述激光脉冲信号在所述传感光纤中传输时会产生自发拉曼后向散射光；所述自发拉曼后向散射光经光纤波分复用器分束为拉曼斯托克斯散射光和反斯托克斯光；所述拉曼斯托克斯散射光和反斯托克斯光经光电转换模块完成光电信号转换，输出光电信号ⅰ和光电信号ⅱ；光电信号ⅰ和光电信号ⅱ在信号采集处理模块中完成温度信号解调实现对整个光纤所处温度场的分布式温度测量；微控制器根据所述斯托克斯光进行光纤端点检测和标准差计算，并控制探测光脉冲发生装置的重复频率和输出功率，直至满足要求。

在上述分布式光纤传感系统光源参数自适应的装置中，探测光脉冲发生装置为脉冲光纤激光器。

在上述分布式光纤传感系统光源参数自适应的装置中，探测光脉冲发生装置，包括：连续光纤激光器、声光调制器和声光调制器驱动器；

连续光纤激光器的输出端与所述声光调制器的光信号输入端相连，所述声光调制器的调制信号输入端与所述声光调制器驱动器的输出端相连，所述声光调制器驱动器的输入端与所述微控制器输出的触发信号相连，连续光纤激光器发出的连续激光经声光调制器后被调制成脉冲激光输出。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法和装置，可根据实际情况，自动修改光脉冲重复频率，使得系统响应时间最优，无需人为操作，在工程应用领域中，常换接不同长度光缆，系统适应性强。

(2)本发明公开了一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法和装置，可实时监测光纤尾端标准差变化情况，对于一些传感光纤受环境影响严重，损耗易发生变化地场合，本发明可自动调节光源输出功率，无需人为定期维护，系统性能稳定性较高。

(3)本发明公开了一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法和装置，广泛适用于各类分布式光纤传感系统，根据时域采集到的后向散射信号进行光纤长度判断和光源功率补偿，装置简单，不影响各类分布式光纤传感系统的主体结构，方法复杂度低，使用方便。

附图说明

图1是本发明实施例中一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的装置的结构框图；

图3是本发明实施例中一种探测光脉冲发生装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该分布式光纤传感系统光源参数自适应的方法，包括：

步骤s1，对传感光纤进行端点检测，确定传感光纤长度l，并根据传感光纤长度l，调节光脉冲重复频率f。

步骤s2，计算传感光纤尾端部分点散射信号s(l-m)～s(l-n)在t次测量周期内的标准差，并筛选得到t次测量周期内的标准差最大值σmax。

在本实施例中，s(l-m)表示(l-m)处的散射信号，s(l-n)表示(l-n)处的散射信号，[l-m，l-n]表示窗口的区间，m＞n；

步骤s3，将筛选得到的t次测量周期内的标准差最大值σmax与设定预设值σ0进行比较。

步骤s4，若σmax＞σ0，则增加光源输出功率，重复步骤s2～s3，直至σmax≤σ0。

在本发明的一优选实施例中，可以通过如下公式，计算传感光纤尾端部分点散射信号s(l-m)～s(l-n)在t次测量周期内的标准差σi：

其中，si表示采集到的光纤尾端散射光信号，μ为重复采集次数范围内si的均值，l-m≤i≤l-n。

在本发明的一优选实施例中，

其中，c表示光速，n'表示光纤折射率。

在本发明的一优选实施例中，每次增加光源输出功率δp。

在本发明的一优选实施例中，参数m、n、δp可结合实际情况，通过上位机软件设置。例如，m和n的取值可以如下：m＝40，n＝20。

实施例2

如图2，在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种分布式光纤传感系统光源参数自适应的装置，包括：探测光脉冲发生装置1，光纤波分复用器2，光电转换模块3，信号采集处理模块4，微控制器5和传感光纤6。其中，脉冲光纤激光器1发出激光脉冲信号；所述激光脉冲经过光纤波分复用器2注入到传感光纤6中，所述激光脉冲信号在所述传感光纤6中传输时会产生自发拉曼后向散射光；所述自发拉曼后向散射光经光纤波分复用器2分束为拉曼斯托克斯散射光7和反斯托克斯光8；所述拉曼斯托克斯散射光7和反斯托克斯光8经光电转换模块3完成光电信号转换，输出光电信号ⅰ和光电信号ⅱ；光电信号ⅰ和光电信号ⅱ在信号采集处理模块4中完成温度信号解调实现对整个光纤所处温度场的分布式温度测量；微控制器5根据所诉斯托克斯光7进行光纤端点检测和标准差计算，并控制探测光脉冲发生装置1的重复频率和输出功率，直至满足要求。

在本发明的一优选实施例中，该探测光脉冲发生装置1具体可以为脉冲光纤激光器。

在本发明的一优选实施例中，该探测光脉冲发生装置1具体可以包括：连续光纤激光器9、声光调制器10和声光调制器驱动器11。其中，连续光纤激光器9的输出端与所述声光调制器10的光信号输入端相连，所述声光调制器10的调制信号输入端与所述声光调制器驱动器11的输出端相连，所述声光调制器驱动器11的输入端与所述微控制器5输出的触发信号12相连，连续光纤激光器9发出的连续激光经声光调制器10后被调制成脉冲激光13输出。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。