CN106289337B - 多参数分布式光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多参数分布式光纤传感系统，该系统在将探测信号传输给光纤时，首先采用声光调制器，将光源产生的光信号调制成周期性脉冲光，并使周期性脉冲光中脉冲的幅值大小不同，在脉冲幅值较大时对外界振动信息进行采集，在脉冲幅值较小时对外界温度和应变信息进行采集，可以保证在对外界振动信息进行采集时光纤产生的瑞利散射光的光强变化更加明显，并且可以避免在对外界温度和应变信息进行采集时，光纤产生的斯托克斯光引入非线性噪声，从而可以提高信息采集的精确度；采用单个信息采集通道即可实现振动、温度和应变的分布式多参数采集，结构比较简单，且可以降低系统制作成本。

Description

多参数分布式光纤传感系统

技术领域

本发明属于信息检测领域，具体涉及一种多参数分布式光纤传感系统。

背景技术

在大型建筑结构、航空航天、石油化工、电力系统等重大工程和基础设施的健康监测和诊断中，光纤传感技术因其敏感元件小巧、高耐久、绝对测量及分布式监测等特性，有逐步取代电类传感器成为传感健康监测首选敏感元件的趋势。其中，使用光纤对长距离范围内的振动、温度和应变进行分布式监测的技术研究及应用在不断深入。

现有技术中，振动、温度和应变信息需要采用相互独立的系统进行监测，这不仅增加了系统成本，同时使得系统之间不同数据的共享和融合变得十分困难。如果可以将振动、温度和应变多参量在同一系统中进行监测，不仅可以大幅降低系统搭建成本，而且可以使不同数据实时互通和后期数据处理更加便捷、高效，有利于系统对数据的综合利用，提高定位的准确性和时效性。

发明内容

本发明提供一种多参数分布式光纤传感系统，以解决多参数采集系统结构复杂，且搭建成本较高的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种多参数分布式光纤传感系统，包括光源、声光调制器、环形器、光纤、本振光信号产生器、光开关、第一耦合器和探测器，其中所述光源产生的光信号传输给所述声光调制器，以使所述声光调制器在接收到所述光信号后，将所述光信号调制成周期性脉冲光并传输给所述环形器；

所述环形器将所述周期性脉冲光传输给所述光纤，以使所述光纤基于布里渊散射效应产生斯托克斯光，基于瑞利散射效应产生瑞利散射光，并将所述斯托克斯光和所述瑞利散射光传输给所述第一耦合器；

所述光开关根据所述周期性脉冲光中脉冲的幅值大小进行开合；

在所述光开关断开时，所述第一耦合器将所述斯托克斯光和瑞利散射光传输给所述探测器转换成电信号，由所述瑞利散射光对应的电信号反映振动信息；在所述光开关闭合时，所述本振光信号产生器产生的本振光信号通过所述光开关传输给所述第一耦合器，所述第一耦合器基于所述本振光信号，对所述斯托克斯光进行拍频，并将所述瑞利散射光和拍频后的斯托克斯光传输给所述探测器转换成电信号，由所述拍频后斯托克斯光对应的电信号反映温度和应变信息。

在一种可选的实现方式中，所述周期性脉冲光的每周期脉冲光包括多个连续的幅值较大的脉冲和一个幅值较小的脉冲，所述光开关在所述周期性脉冲光中脉冲幅值较大时断开，并在所述周期性脉冲光中脉冲幅值较小时闭合。

在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括第二耦合器，所述光源产生的光信号经所述第二耦合器进行分光处理，并将分光信号分别传输给所述声光调制器和所述本振光信号产生器，以使所述声光调制器将所述分光信号调制成周期性脉冲光，所述本振光信号产生器在接收到所述分光信号后，基于布里渊散射效应产生本振光信号。

在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括第一光纤放大器，所述声光调制器将所述周期性脉冲光传输至所述第一光纤放大器；所述第一光纤放大器在对所述周期性脉冲光进行放大处理后，传输给所述环形器。

在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括带通滤波器，所述第一光纤放大器在对所述周期性脉冲光进行放大处理后，传输给所述带通滤波器；所述带通滤波器在对所述周期性脉冲光进行带通滤波处理后，传输给所述环形器。

在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括第二光纤放大器，所述环形器将所述斯托克斯光和所述瑞利散射光传输给所述第二光纤放大器，所述第二光纤放大器在对所述斯托克斯光和所述瑞利散射光进行放大处理后，传输给所述第一耦合器。

在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括扰偏器，所述本振光信号产生器将所述本振光信号传输给所述扰偏器；所述扰偏器在对所述本振光信号进行扰偏处理后，通过所述光开关传输给所述第一耦合器。

在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器产生的波形信号发送给所述声光调制器和所述光开关，以使所述声光调制器在接收到所述光信号后，基于所述波形信号将所述光信号调制成周期性脉冲光；所述光开关在接收到所述波形信号后，若所述波形信号反映所述周期性脉冲光中脉冲幅值较大则断开，若所述波形信号反映所述周期性脉冲光中脉冲幅值较小则闭合。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤为一根单模光纤光缆。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用声光调制器，将光源产生的光信号调制成周期性脉冲光，并使周期性脉冲光中脉冲的幅值大小不同，在脉冲幅值较大时对外界振动信息进行采集，在脉冲幅值较小时对外界温度和应变信息进行采集，可以保证在对外界振动信息进行采集时光纤产生的瑞利散射光的光强变化更加明显，并且可以避免在对外界温度和应变信息进行采集时，光纤产生的斯托克斯光引入非线性噪声，从而可以提高信息采集的精确度；

2、本发明通过使光开关在周期性脉冲光中脉冲幅值较大时断开，并在周期性脉冲光中脉冲幅值较小时闭合，可以使系统在对外界温度和应变进行检测时，对光纤产生的斯托克斯光进行拍频，并且可以避免在进行振动信息采集时将本振光信号传输给第一耦合器，对振动信息的采集造成影响，从而提高信息采集准确度；

3、本发明采用单个信息采集通道即可实现振动、温度和应变的分布式多参数采集，结构比较简单，且可以降低系统制作成本；

4、本发明通过使周期性脉冲光的每个周期脉冲光可以包括多个连续的幅值较大的脉冲和一个幅值较小的脉冲，在脉冲幅值较大时对振动信息进行采集，脉冲幅值较小时对温度和应变信息进行采集，可以满足振动信息的变化速度较快，温度和应变的变化缓慢的特点，实现振动、温度和应变信息的及时采集，从而可以进一步提高信息采集的精确度；

5、本发明通过采用第二耦合器，对光源产生的光信号进行分光处理，一部分提供给声光调制器，一部分提供给本振光信号产生器，可以避免本振光信号产生器产生的本振光信号无法对光纤产生的斯托克斯光进行拍频，从而可以提高系统的完整性和稳定性；

6、本发明通过采用第一光纤放大器对周期性脉冲光进行放大处理，并采用带宽滤波器将放大处理中引入的辐射噪声滤除，可以提高信息采集精确度；

7、本发明通过采用第二光纤放大器对光纤产生的斯托克斯光和瑞利散射光进行放大处理，可以进一步提高信息采集的精确度；

8、本发明通过对本振光信号进行扰偏处理，可以消除布里渊散射探测时的干涉衰弱现象，从而可以提高信息采集的精确度；本发明通过对本振光信息进行扰偏处理，而不是对传输至光纤的周期性脉冲光进行扰偏处理，可以避免在对周期性脉冲光进行扰偏处理时对瑞利散射光造成影响，从而可以进一步提高信息采集的精确度；

9、本发明通过采用波形发生器，对周期性脉冲光的产生以及光开关的开合进行控制，可以进一步提高系统的完整性和稳定性；

10、本发明通过采用单根光纤，基于瑞利散射效应产生可反映振动信息的瑞利散射光，并基于布里渊散射效应产生可反映温度和应变信息的斯托克斯光，不仅可以采集到振动信息，还可以采集到温度和应变信息，此处采集到的应变信息包括了外界应变以及光纤由于温度变化自身所发生的应变；由此可见，本发明采集到的温度和应变信息可以反映出温度对光纤自身形变的影响，从而可以为真实采集到的应变信息的校正提供依据。

附图说明

图1是本发明多参数分布式光纤传感系统的一个实施例电路方框图；

图2是本发明多参数分布式光纤传感系统的另一个实施例电路方框图；

图3是本发明周期性脉冲光的一个实施例波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明多参数分布式光纤传感系统的一个实施例电路方框图。该多参数分布式光纤传感系统可以包括光源110、声光调制器120、环形器130、光纤140、本振光信号产生器150、光开关160、第一耦合器170和探测器180，其中光源110的输出端连接声光调制器120的输入端，声光调制器120的输出端连接环形器130的第一端1，环形器130的第二端口2连接光纤140，第三端口3连接第一耦合器170的第一输入端，本振光信号产生器150的输出端通过光开关160连接第一耦合器170的第二输入端，第一耦合器170的输出端连接探测器180。

本实施例中，光源110可以产生光信号并将产生的光信号传输给声光调制器120，声光调制器120在接收到光信号后，可以将该光信号调制成周期性脉冲光并传输给环形器130的第一端口1，其中该周期性脉冲光可以包括幅值大小不同的脉冲。此后，环形器130的第二端口2可以将该周期性脉冲光传输给光纤140，以使光纤140基于布里渊散射效应产生斯托克斯光，基于瑞利散射效应产生瑞利散射光，并将该斯托克斯光和瑞利散射光传输给第一耦合器170的第一输入端。

在光开关160断开时，第一耦合器170只接收到斯托克斯光和瑞利散射光，因此其可以直接将斯托克斯光和瑞利散射光传输给探测器180转换成电信号。由于当外界振动作用于光纤时，将会引起光纤基于瑞利散射效应产生的瑞利散射光的相位发生明显变化，进而导致瑞利散射光之间的干涉光强也发生明显变化(斯托克斯光发生的光强变化可以忽略不计)，因此可以基于瑞利散射光的光强来反映振动信息。为了使外界振动作用于光纤时产生的瑞利散射光可以发生更加明显的光强变化，需要在进行外界振动信息采集时向光纤输入幅值较大的脉冲。

在光开关160闭合时，本振光信号产生器150产生的本振光信号可以通过光开关160传输给第一耦合器170，此后第一耦合器170可以基于该本振光信号，对斯托克斯光进行拍频，并将瑞利散射光和拍频后的斯托克斯光传输给探测器180转换成电信号。由于当外界温度和应变作用于光纤时，将会引起光纤基于布里渊散射效应产生的斯托克斯光的频移发生明显变化，因此可以基于斯托克斯光的频移来反映温度和应变信息。由于当向光纤输入的脉冲幅值较大时，光纤基于布里渊散射效应产生的斯托克斯光的非线性噪声较大，因此在进行温度和应变信息采集时向光纤输入幅值较小的脉冲即可。

至此，声光调制器120在将光源产生的光信号调制成周期性脉冲光时，可以使周期性脉冲光中脉冲的幅值大小不同，且在脉冲幅值较大时对外界振动信息进行采集，在脉冲幅值较小时对外界温度和应变信息进行采集，从而可以保证在对外界振动信息进行采集时光纤产生的瑞利散射光的光强变化更加明显，并且可以避免在对外界温度和应变信息进行采集时，光纤产生的斯托克斯光引入非线性噪声，进而可以提高信息采集的精确度。

其中，光开关160可以根据周期性脉冲光中脉冲的幅值大小进行开合。由于振动信息的变化迅速，温度和应变的变化缓慢，因此该周期性脉冲光的每个周期脉冲光可以包括多个连续的幅值较大的脉冲和一个幅值较小的脉冲，且各个脉冲的频率和占空比都相同。针对每个周期脉冲光，当多个连续的幅值较大的脉冲传输至光纤时，该系统可以对作用于光纤上的外界振动信息进行检测；当该幅值较小的脉冲传输至光纤时，该系统可以对作用于光纤上的外界温度和应变进行检测。光开关160可以在周期性脉冲光中脉冲幅值较大时断开，并在周期性脉冲光中脉冲幅值较小时闭合，这样系统在对外界温度和应变进行检测时，可以对光纤产生的斯托克斯光进行拍频，并且可以避免在进行振动信息采集时将本振光信号传输给第一耦合器，对振动信息的采集造成影响，从而可以提高信息采集准确度。

另外，上述光纤可以为普通单模光纤光缆。由于光纤在温度发生变化时其自身可能也会发生相应的变形，因此本发明通过采用单根光纤，基于瑞利散射效应产生可反映振动信息的瑞利散射光，并基于布里渊散射效应产生可反映温度和应变信息的斯托克斯光，不仅可以采集到振动信息，还可以采集到温度和应变信息，此处采集到的应变信息包括了外界应变以及光纤由于温度变化自身所发生的应变。由此可见，本发明采集到的温度和应变信息可以反映出温度对光纤自身形变的影响，从而可以为真实采集到的应变信息的校正提供依据。

由上述实施例可见，本发明采用单个信息采集通道即可实现振动、温度和应变的分布式多参数采集，结构比较简单，可以降低系统制作成本，并且采集准确度高。

针对探测器180探测到的电信号的处理，振动检测原理是：将多个采样周期采样的得到的模拟信号转换为数字信号，并对该数字信号进行移动平均和移动差分处理，就可以得到振动的位置信息；取出振动位置对应点在不同采样周期中的相应位置的信息排成一行，得到振动位置的时域信息，再对振动位置的时域信息做非均匀傅里叶变换，就可以的得到振动点的振动频率信息。温度检测原理是：当外界温度作用到长距离传感光纤上时，将会引起脉冲光宽度范围内后向布里渊散射光的光频移发生变化，由于后向自发布里渊散射的光频率与温度成线性关系，当外界温度发生变化作用在长距传感光纤上时，后向布里渊散射光频率发生变化，布里渊散射光在耦合器处与环形布里渊激光器输出的参考激光拍频后的光频率随着温度的变化而线性变化，按照一定空间分辨率分段对一个采样周期中采集到的布里渊本振光信号进行傅里叶变换，对傅里叶变换的谱线进行洛伦兹拟合，取出频率中心值，再对不同采样周期得到的频率中心只进行平均和差分处理，就能得到了长距离传感光纤的温度变化信息。应变检测原理是：当外界应变作用到长距离传感光纤上时，将会引起脉冲光宽度范围内后向布里渊散射光的光频移发生变化，由于后向自发布里渊散射的光频率与应变成线性关系，当外界应变发生变化作用在长距传感光纤上时，后向布里渊散射光频率发生变化，布里渊散射光在耦合器处与环形布里渊激光器输出的参考激光拍频后的光频率随着应变的变化而线性变化，按照一定空间分辨率分段对一个采样周期中采集到的布里渊本振光信号进行傅里叶变换，对傅里叶变换的谱线进行洛伦兹拟合，取出频率中心值，再对不同采样周期得到的频率中心只进行平均和差分处理，就能得到了长距离传感光纤的应变的变化信息。

参见图2，为本发明多参数分布式光纤传感系统的另一个实施例电路方框图。图2与图1所示多参数分布式光纤传感系统的区别在于，还包括第二耦合器210，该第二耦合器210可以设置在光源110与声光调制器120，以及光源110与本振光信号产生器150之间。光源110产生的光信号经第二耦合器210进行分光处理，并将分光信号分别传输给声光调制器120和本振光信号产生器150，以使声光调制器110将分光信号调制成周期性脉冲光，本振光信号产生器150在接收到分光信号后，基于布里渊散射效应产生本振光信号。本发明通过采用第二耦合器，对光源产生的光信号进行分光处理，一部分提供给声光调制器，一部分提供给本振光信号产生器，可以避免本振光信号产生器产生的本振光信号无法对光纤产生的斯托克斯光进行拍频，从而可以提高本振光信号产生器产生的本振光信号的准确度，保证系统的完整性和稳定性。

图2与图1所示多参数分布式光纤传感系统的区别在于，还包括第一光纤放大器220和带通滤波器230，该声光调制器120的输出端连接第一光纤放大器220的输入端，第一光纤放大器220的输出端连接带通滤波器230的输入端，带通滤波器230的输出端连接环形器130的第一端口1。声光调制器120将周期性脉冲光传输至第一光纤放大器220；第一光纤放大器220在对周期性脉冲光进行放大处理后，传输给带通滤波器230。带通滤波器230在对周期性脉冲光进行带通滤波处理后，传输给环形器130的第一端口1。本发明通过对周期性脉冲光进行放大处理并将放大处理中引入的辐射噪声滤除，可以提高信息采集的精确度。

图2与图1所示多参数分布式光纤传感系统的区别在于，还包括第二光纤放大器240，环形器130的第三端口3连接第二光纤放大器240的输入端，第二光纤放大器240的输出端连接第一耦合器170的第一输入端。环形器130将斯托克斯光和瑞利散射光传输给第二光纤放大器240，第二光纤放大器在对斯托克斯光和瑞利散射光进行放大处理后，传输给第一耦合器170。本发明通过对光纤产生的斯托克斯光和瑞利散射光进行放大处理，可以进一步提高信息采集的精确度。

图2与图1所示多参数分布式光纤传感系统的区别在于，还包括扰偏器250，其可以设置在本振光信号产生器150与光开关160之间。本振光信号产生器150将本振光信号传输给扰偏器250；扰偏器250在对本振光信号进行扰偏处理后，通过光开关160传输给第一耦合器170的第二输入端。本发明通过对本振光信号进行扰偏处理，可以消除布里渊散射探测时的干涉衰弱现象，从而可以提高信息采集的精确度。另外，本发明通过对本振光信息进行扰偏处理，而不是对传输至光纤的周期性脉冲光进行扰偏处理，可以避免在对周期性脉冲光进行扰偏处理时对瑞利散射光造成影响，从而可以提高信息采集的精确度。

图2与图1所示多参数分布式光纤传感系统的区别在于，还包括波形发生器260，该波形发生器260的输出端分别与声光调制器120和光开关160的控制端连接。波形发生器260产生的波形信号发送给声光调制器110和光开关160，以使声光调制器110在接收到光信号后，基于该波形信号将光信号调制成周期性脉冲光；光开关160在接收到该波形信号后，若波形信号反映周期性脉冲光中脉冲幅值较大则断开，若波形信号反映周期性脉冲光中脉冲幅值较小则闭合。本发明通过采用波形发生器，同时对周期性脉冲光的产生以及光开关的开合进行控制，可以进一步提高系统的完整性和稳定性。

由上述实施例可见，本发明采用单个信息采集通道即可实现振动、温度和应变的分布式多参数采集，结构比较简单，可以降低系统制作成本，并且采集准确度高。

需要注意的是：光源可以为窄线宽光源，由于较大的脉冲光会激发出光纤中四波混频等非线性噪声，因此通过控制第一光纤放大器的电流可以减小放大后光脉冲的非线性噪声。其中，波形发生器连接声光调制器的端口产生重复频率为9KHz、移频为110MHz的高低脉冲光，高脉冲电平幅值为1V、脉宽为30ns，低脉冲幅值为0.5V、脉宽为10ns，一个测量周期内高脉冲与低脉冲的数目比例为100:1，如图3所示；长距离传感光纤的长度为10km；探测器的带宽为1.5GHz，数据采集卡的带宽为2GHz，采样率为2GS/s。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种多参数分布式光纤传感系统，包括光源、声光调制器、环形器、光纤、本振光信号产生器、光开关、第一耦合器和探测器，其中所述光源产生的光信号传输给所述声光调制器，以使所述声光调制器在接收到所述光信号后，将所述光信号调制成周期性脉冲光并传输给所述环形器；所述环形器将所述周期性脉冲光传输给所述光纤，以使所述光纤基于布里渊散射效应产生斯托克斯光，基于瑞利散射效应产生瑞利散射光，并将所述斯托克斯光和所述瑞利散射光传输给所述第一耦合器；其特征在于，

所述光开关根据所述周期性脉冲光中脉冲的幅值大小进行开合；

在所述光开关断开时，所述第一耦合器将所述斯托克斯光和瑞利散射光传输给所述探测器转换成电信号，由所述瑞利散射光对应的电信号反映振动信息；在所述光开关闭合时，所述本振光信号产生器产生的本振光信号通过所述光开关传输给所述第一耦合器，所述第一耦合器基于所述本振光信号，对所述斯托克斯光进行拍频，并将所述瑞利散射光和拍频后的斯托克斯光传输给所述探测器转换成电信号，由所述拍频后斯托克斯光对应的电信号反映温度和应变信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述周期性脉冲光的每周期脉冲光包括多个连续的幅值较大的脉冲和一个幅值较小的脉冲，所述光开关在所述周期性脉冲光中脉冲幅值较大时断开，并在所述周期性脉冲光中脉冲幅值较小时闭合。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二耦合器，所述光源产生的光信号经所述第二耦合器进行分光处理，并将分光信号分别传输给所述声光调制器和所述本振光信号产生器，以使所述声光调制器将所述分光信号调制成周期性脉冲光，所述本振光信号产生器在接收到所述分光信号后，基于布里渊散射效应产生本振光信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一光纤放大器，所述声光调制器将所述周期性脉冲光传输至所述第一光纤放大器；所述第一光纤放大器在对所述周期性脉冲光进行放大处理后，传输给所述环形器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括带通滤波器，所述第一光纤放大器在对所述周期性脉冲光进行放大处理后，传输给所述带通滤波器；所述带通滤波器在对所述周期性脉冲光进行带通滤波处理后，传输给所述环形器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二光纤放大器，所述环形器将所述斯托克斯光和所述瑞利散射光传输给所述第二光纤放大器，所述第二光纤放大器在对所述斯托克斯光和所述瑞利散射光进行放大处理后，传输给所述第一耦合器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括扰偏器，所述本振光信号产生器将所述本振光信号传输给所述扰偏器；所述扰偏器在对所述本振光信号进行扰偏处理后，通过所述光开关传输给所述第一耦合器。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器产生的波形信号发送给所述声光调制器和所述光开关，以使所述声光调制器在接收到所述光信号后，基于所述波形信号将所述光信号调制成周期性脉冲光；所述光开关在接收到所述波形信号后，若所述波形信号反映所述周期性脉冲光中脉冲幅值较大则断开，若所述波形信号反映所述周期性脉冲光中脉冲幅值较小则闭合。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤为一根单模光纤光缆。