CN108007603B - 一种基于非对称双芯光纤的多参量分布测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多参量分布式测量系统技术领域，特指一种基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统，包括宽带光源、脉冲调制器、第一耦合器、双芯光纤耦合器、双芯光纤、第一环形器、第二环形器、第二耦合器、光纤延迟线、第一陷波滤波片、第二陷波滤波片、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管、信息采集单元与计算机。本发明通过非对称双芯光纤的轴上芯与表层芯对温度与应变的敏感系数不同的特点，利用双芯的瑞利散射信号构建温度和应变求解矩阵；利用弱光栅阵列对全光纤范围内的瑞利散射进行空间分段定位，以提高传感系统的空间分辨率和测量精度，实现对温度和应变的同时精确测量和其在区间内的精确定位。

Description

一种基于非对称双芯光纤的多参量分布测量系统

技术领域

本发明涉及多参量分布式测量系统技术领域，特指一种基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统。

背景技术

随着科学技术的发展和物联网应用要求的提高，光纤传感网络正在向大容量和多参量测量方向发展，基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的分布式光纤传感网络为高电压、强磁场干扰、大电流、复杂几何空间、易燃、易爆等恶劣环境的空间上连续分布各点的温度、应变等物理参量的测量提供了可行的新手段，分布式光纤传感技术是伴随着光时域反射技术(OTDR)的产生而发展起来的，比如：利用光时域反射技术测量后向的瑞利散射信号的强度和偏振态来监测温度/应变；利用光时域反射技术测量后向的拉曼散射信号的强度来监测温度；利用光时域反射技术测量布里渊散射信号的强度和频移来监测温度/应变。

受限于技术原理，基于布里渊散射的分布式光纤传感器和基于拉曼散射的分布式光纤传感器响应速度与空间分辨率都较低，不适合许多应用场合对于事故快速响应的监测要求，复杂昂贵的系统也限制了两类分布式测量技术的工程化应用。基于瑞利散射的分布式光纤传感器响应速度快、灵敏度高，开始受到重视。然而，基于单模光纤瑞利散射的分布式光纤传感系统以微弱的背向瑞利散射信号为信息载体，系统的信噪比较低，测量精度与空间分辨率低，传感功能比较单一，难以实现对温度和应变的定量检测等，制约了基于瑞利散射的分布式光纤传感技术的发展。特别是由于光纤对温度与应变的交叉敏感，通过另外加一根只感温光纤的方式很难保证该光纤不受到应力的扰动，温度补偿光栅与测量光栅的位置偏差等都会造成测理精度难以保证，在工程应用中存在困难。目前还没有看到能采用弱光纤光栅阵列对光纤沿线所有位置同时进行应变和温度连续分布式光纤传感检测的报道。若能同时对应变、温度等测量进行长距离快速分布式精确监测，则可大大减少监测成本，并提高监测的有效性和可靠性。因此，有必要寻求创新的传感机理与方法，满足实际应用的需求。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统，可以实现温度、应变信号的高空间分辨率、高精度分布式测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统，包括宽带光源、脉冲调制器、第一耦合器、双芯光纤耦合器、双芯光纤、第一环形器、第二环形器、第二耦合器、光纤延迟线、第一陷波滤波片、第二陷波滤波片、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管、信息采集单元与计算机，双芯光纤包括轴上芯与表层芯，轴上芯与表层芯上分别设有弱光栅阵列。

进一步而言，所述宽带光源连接于脉冲调制器，脉冲调制器连接于第一耦合器的第一耦合器输入端，第一耦合器的第一耦合器第一输出端连接于第一环形器的第一环形器第一端口，第一环形器的第一环形器第二端口连接于双芯光纤耦合器的双芯光纤耦合器第一输入端，双芯光纤耦合器的双芯光纤耦合器第一输出端耦合于双芯光纤的轴上芯中，双芯光纤耦合器的双芯光纤耦合器第二输出端耦合于双芯光纤的表层芯中。

进一步而言，所述第一环形器的第一环形器第三端口连接于第二耦合器的第二耦合器第一输入端，第二耦合器的第二耦合器第一输出端通过第一光电二极管连接于信息采集单元的信息采集单元第一端口，第二耦合器的第二耦合器第二输出端通过第一陷波滤波片与第二光电二极管连接于信息采集单元的信息采集单元第二端口。

进一步而言，所述第一耦合器的第一耦合器第二输出端连接于第二环形器的第二环形器第一端口，第二环形器的第二环形器第二端口连接于双芯光纤耦合器的双芯光纤耦合器第二输入端，第二环形器的第二环形器第三端口通过光纤延迟线、第二陷波滤波片与第三光电二极管连接于信息采集单元的信息采集单元第三端口。

进一步而言，所述信息采集单元连接于计算机，计算机连接于脉冲调制器。

进一步而言，所述双芯光纤为传输型双芯片光纤，所述轴上芯与表层芯对压力和温度的敏感系数不同，轴上芯与表层芯之间不存在耦合效应。

进一步而言，所述弱光栅阵列为全同弱光纤光栅，采用同一掩膜板制作，中心波长一致。

本发明有益效果：

1.本发明利用调制脉冲光源激发瑞利散射光进行分布式测量，同时，利用脉冲和弱光栅陈列对全光纤范围内的瑞利散射进行空间分段定位，以提高传感系统的空间分辨率和测量精度，并利用双芯光纤每两个相邻弱光栅区间的瑞利散射信号构建温度和应变求解矩阵，实现对温度和应变的同时精确测量和其在区间内的精确定位；

2.本发明结合双芯光纤中的瑞利散射与弱光栅阵进行分布式测量，测量精度高并且空间分辨高，在一根光纤上实现了温度与应变的同时测量；

3.本发明结构简单、响应速度快、空间分辨率高，能够同时实现温度和应变参量高精度的分布式光纤传感测量。

附图说明

图1是本发明测量系统结构图；

图2是时间与光纤长度的关系曲线；

图3是温度与时间的关系曲线；

图4是应变与时间的关系曲线；

图5是温度在空间域上分布曲线；

图6是应变在空间域上分布曲线。

1.宽带光源；2.脉冲调制器；3.第一耦合器；301.第一耦合器输入端；302.第一耦合器第一输出端；303.第一耦合器第二输出端；4.双芯光纤耦合器；401.双芯光纤耦合器第一输入端；402.双芯光纤耦合器第二输入端；403.双芯光纤耦合器第一输出端；404.双芯光纤耦合器第二输出端；5.双芯光纤；501.轴上芯；502.表层芯；6.弱光栅阵列；7.第一环形器；701.第一环形器第一端口；702.第一环形器第二端口；703.第一环形器第三端口；8.第二环形器；801.第二环形器第一端口；802.第二环形器第二端口；803.第二环形器第三端口；9.第二耦合器；901.第二耦合器第一输入端；902.第二耦合器第一输出端；903.第二耦合器第二输出端；10.光纤延迟线；11.第一陷波滤波片；12.第二陷波滤波片；13.第一光电二极管；14.第二光电二极管；15.第三光电二极管；16.信息采集单元；1601.信息采集单元第一端口；1602.信息采集单元第二端口；1603.信息采集单元第三端口；17.计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明所述一种基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统，包括宽带光源1、脉冲调制器2、第一耦合器3、双芯光纤耦合器4、双芯光纤5、第一环形器7、第二环形器8、第二耦合器9、光纤延迟线10、第一陷波滤波片11、第二陷波滤波片12、第一光电二极管13、第二光电二极管14、第三光电二极管15、信息采集单元16与计算机17，双芯光纤5包括轴上芯501与表层芯502，轴上芯501与表层芯502上分别设有弱光栅阵列6。

更具体而言，所述宽带光源1连接于脉冲调制器2，脉冲调制器2连接于第一耦合器3的第一耦合器输入端301，采用这样的结构设置，宽带光源1输出的宽带光经过脉冲调制器2输出脉冲光，输入到第一耦合器3，并分为第一束探测光和第二束探测光。

更具体而言，所述第一耦合器3的第一耦合器第一输出端302连接于第一环形器7的第一环形器第一端口701，第一环形器7的第一环形器第二端口702连接于双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第一输入端401，双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第一输出端403耦合于双芯光纤5的轴上芯501中，第一环形器7的第一环形器第三端口703连接于第二耦合器9的第二耦合器第一输入端901，第二耦合器9的第二耦合器第一输出端902通过第一光电二极管13连接于信息采集单元16的信息采集单元第一端口1601，第二耦合器9的第二耦合器第二输出端903通过第一陷波滤波片11与第二光电二极管14连接于信息采集单元16的信息采集单元第二端口1602。采用这样的结构设置，其工作原理：第一束探测光入射到第一环形器7的第一环形器第一端口701，从第一环形器7的第一环形器第二端口702射出，进入双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第一输入端401，并从双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第一输出端403耦合进双芯光纤5的轴上芯501中，轴上芯501上的弱光栅阵列6以及瑞利散射效应所产生的第一反射光入射到双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第一输出端403，并从双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第一输入端401射出，入射到第一环形器7的第一环形器第二端口702，从第一环形器7的第三端口703射出，紧接着入射到第二耦合器9，被分为两束反射光，分别为轴上芯光栅反射光和轴上芯瑞利反射光，轴上芯光栅反射光入射到第一光电二极管13转化为光栅电信号，再传输到信息采集单元16的信息采集单元第一端口1601，轴上芯瑞利反射光经过第一陷波滤波片11，入射到第二光电二极管14被转化为瑞利电信号，再传输到信息采集单元16的信息采集单元第二端口1602。

更具体而言，所述第一耦合器3的第一耦合器第二输出端303连接于第二环形器8的第二环形器第一端口801，第二环形器8的第二环形器第二端口802连接于双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第二输入端402，双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第二输出端404耦合于双芯光纤5的表层芯502中，第二环形器8的第二环形器第三端口803通过光纤延迟线10与第二陷波滤波片12连接于信息采集单元16的信息采集单元第三端口1603。采用这样的结构设置，其工作原理：第二束探测光入射到第二环形器8的第二环形器第一端口801，从第二环形器8的第二环形器第二端口802射出，进入双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第二输入端402，并从双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第二输出端404耦合进双芯光纤5的表层芯502中，通过表层芯502上的弱光栅阵列6以及瑞利散射效应所产生的第二反射光入射到双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第二输出端404，并从双芯光纤耦合器4的双芯光纤耦合器第二输入端402射出，入射到第二环形器8的第二环形器第二端口802，从第二环形器8的第二环形器第三端口803射出，经过光纤延迟线10和第二陷波滤波片12入射到第三光电二极管15中被转换为表层芯电信号，再传输到信息采集单元16的信息采集单元第三端口1603。

更具体而言，所述信息采集单元16连接于计算机17，计算机17连接于脉冲调制器2。采用这样的结构设置，信息采集单元16采集到的三路电信号最终被传输计算机17中进行信号处理以入图像显示。

更具体而言，所述双芯光纤5为传输型双芯片光纤，轴上芯501与表层芯502对压力和温度的敏感系数不同，轴上芯501与表层芯502之间不存在耦合效应。

更具体而言，所述弱光栅阵列6为全同弱光纤光栅，采用同一掩膜板制作，中心波长一致。

本发明还提供了一种利用上述的基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、设置脉冲调制器的脉冲间距τ要求大于一次脉冲在双芯光纤传输的时间，即：

τ＞2nL/c

其中n为双芯光纤的纤芯折射率，L为双芯光纤的长度，c为光速；

步骤二、利用第一光栅电信号中的脉冲信号可以计算出弱光纤光栅(wFBG)的位置为：

d＝(t-t₀)c/2n

其中t为接收到参考电信号中对应脉冲信号的时间，t₀为计算机17发给脉冲调制器的方波驱动信号的发送时间，通过公式可以得到时间与弱光栅距离的关系曲线，即时间与光纤长度的关系曲线，如图2所示，从而可以对弱光栅阵列中的每一个光栅进行定位；

步骤三、当脉冲进入双芯光纤后，每经过一个点都会有一定强度的瑞利散射光反射回来，所以光探测器所接收到的瑞利散射信号是连续且变化的，某一时刻接收到的光强与双芯光纤上某位置的应力与温度相关联。

步骤四、通过联立第一瑞利电信号I₁₂和第二电信号I₂的矩阵求解：

其中，

分别为双芯光纤的轴上芯和表层芯的温度敏感系数，

分别为双芯光纤的轴上芯和表层芯的应变敏感系数，通过公式可以得到温度与时间的关系曲线，如图3所示；应变与时间的关系曲线，如图4所示；

步骤五、将获得的时间与光纤长度的关系曲线、温度与时间的关系曲线与应变与时间的关系曲线相结合，即可得到温度和应变在空间域上分别的分布情况，如图5和图6所示。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统，其特征在于：包括宽带光源(1)、脉冲调制器(2)、第一耦合器(3)、双芯光纤耦合器(4)、双芯光纤(5)、第一环形器(7)、第二环形器(8)、第二耦合器(9)、光纤延迟线(10)、第一陷波滤波片(11)、第二陷波滤波片(12)、第一光电二极管(13)、第二光电二极管(14)、第三光电二极管(15)、信息采集单元(16)与计算机(17)，所述双芯光纤(5)包括轴上芯(501)与表层芯(502)，所述轴上芯(501)与表层芯(502)上分别设有弱光栅阵列(6)，

所述宽带光源(1)连接于脉冲调制器(2)，所述脉冲调制器(2)连接于第一耦合器(3)的第一耦合器输入端(301)，

所述第一耦合器(3)的第一耦合器第一输出端(302)连接于第一环形器(7)的第一环形器第一端口(701)，所述第一环形器(7)的第一环形器第二端口(702)连接于双芯光纤耦合器(4)的双芯光纤耦合器第一输入端(401)，所述双芯光纤耦合器(4)的双芯光纤耦合器第一输出端(403)耦合于双芯光纤(5)的轴上芯(501)中，所述双芯光纤耦合器(4)的双芯光纤耦合器第二输出端(404)耦合于双芯光纤(5)的表层芯(502)中，

所述第一环形器(7)的第一环形器第三端口(703)连接于第二耦合器(9)的第二耦合器第一输入端(901)，所述第二耦合器(9)的第二耦合器第一输出端(902)通过第一光电二极管(13)连接于信息采集单元(16)的信息采集单元第一端口(1601)，所述第二耦合器(9)的第二耦合器第二输出端(903)通过第一陷波滤波片(11)与第二光电二极管(14)连接于信息采集单元(16)的信息采集单元第二端口(1602)，

所述第一耦合器(3)的第一耦合器第二输出端(303)连接于第二环形器(8)的第二环形器第一端口(801)，所述第二环形器(8)的第二环形器第二端口(802)连接于双芯光纤耦合器(4)的双芯光纤耦合器第二输入端(402)，所述第二环形器(8)的第二环形器第三端口(803)通过光纤延迟线(10)、第二陷波滤波片(12)与第三光电二极管(15)连接于信息采集单元(16)的信息采集单元第三端口(1603)，

所述信息采集单元(16)连接于计算机(17)，所述计算机(17)连接于脉冲调制器(2)；所述双芯光纤(5)为传输型双芯片光纤，所述轴上芯(501)与表层芯(502)对压力和温度的敏感系数不同，所述轴上芯(501)与表层芯(502)之间不存在耦合效应；所述弱光栅阵列(6)为全同弱光纤光栅，采用同一掩膜板制作，中心波长一致；

所述基于非对称双芯光纤的多参量分布式测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、设置脉冲调制器的脉冲间距τ要求大于一次脉冲在双芯光纤传输的时间，即：

τ＞2nL/c

其中n为双芯光纤的纤芯折射率，L为双芯光纤的长度，c为光速；

步骤二、利用第一光栅电信号中的脉冲信号可以计算出弱光纤光栅(wFBG)的位置为：

d＝(t-t₀)c/2n

其中t为接收到参考电信号中对应脉冲信号的时间，t₀为计算机( 17) 发给脉冲调制器的方波驱动信号的发送时间，通过公式可以得到时间与弱光栅距离的关系曲线，即时间与光纤长度的关系曲线，从而可以对弱光栅阵列中的每一个光栅进行定位；

步骤三、当脉冲进入双芯光纤后，每经过一个点都会有一定强度的瑞利散射光反射回来，所以光探测器所接收到的瑞利散射信号是连续且变化的，某一时刻接收到的光强与双芯光纤上某位置的应力与温度相关联；

步骤四、通过联立第一瑞利电信号I₁₂和第二电信号I₂的矩阵求解：

其中，

分别为双芯光纤的轴上芯和表层芯的温度敏感系数，

分别为双芯光纤的轴上芯和表层芯的应变敏感系数，通过公式可以得到温度与时间的关系曲线、应变与时间的关系曲线；

步骤五、将获得的时间与光纤长度的关系曲线、温度与时间的关系曲线与应变与时间的关系曲线相结合，即可得到温度和应变在空间域上分别的分布情况。

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