專利名稱：一種分布式光纖多參量傳感器及多參量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式光纖傳感器技術(shù)，尤其是涉及一種分布式光纖多參量傳感器及多參量測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械類和電子類傳感器相比，光纖傳感器具有測(cè)量靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗電磁干擾、耐腐蝕和體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。分布式光纖傳感器是目前應(yīng)用較多的一種新型的光纖傳感器，它利用光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)實(shí)現(xiàn)沿光纖分布的任一點(diǎn)的參量測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)線型大范圍空間的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，滿足人們對(duì)海量監(jiān)測(cè)信息的需求。20世紀(jì)90年代，英國(guó)的^rk公司利用光時(shí)域拉曼散射技術(shù)(ROTDR)研制出測(cè)量距離為2km的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)，通過(guò)測(cè)得的探測(cè)光纖的反饋信號(hào)反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)，將這些光信號(hào)數(shù)據(jù)帶入相關(guān)計(jì)算公式，可以得出溫度測(cè)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖的溫度分布式測(cè)量。目前該產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)交通隧道、地鐵、電纜火情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用。1998年，美國(guó)的Jaehee Park等人報(bào)道了將基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)(Φ-OTDR)用于入侵探測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究(Jaehee Park. Proc. ofSPIE, 1998, 3555 49 56)，通過(guò)測(cè)得探測(cè)光纖反饋的相干瑞利散射光信號(hào)，根據(jù)光強(qiáng)發(fā)生變化的事件位置同探測(cè)光纖振動(dòng)的位置相對(duì)應(yīng)，光強(qiáng)的變化量與探測(cè)光纖的振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)，得出探測(cè)光纖上的振動(dòng)位置與強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了分布式光纖傳感器對(duì)振動(dòng)(入侵位置)的測(cè)量。1999年，四川大學(xué)的劉浩吾等人利用光時(shí)域反射(OTDR)損耗曲線與光纖微彎的關(guān)系，研制了混泥土裂縫監(jiān)測(cè)傳感器，根據(jù)測(cè)得的探測(cè)光纖的反饋瑞利散射光信號(hào)，得出光纖損耗和故障的測(cè)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了分布式光纖傳感器對(duì)損耗和故障的測(cè)量。目前分布式光纖傳感器已在電力、石化、交通、土木和航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著各行業(yè)生產(chǎn)安全要求的提高，功能單一的分布式光纖傳感器已不能滿足需要， 用戶為了更全面地了解工程安全狀況，往往需要同時(shí)對(duì)溫度、振動(dòng)、損耗和故障等參量進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，一般需要配備至少兩套不同的分布式光纖傳感器才能滿足要求，不但設(shè)備投資成本大，而且也浪費(fèi)了大量的光纖資源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種分布式光纖多參量傳感器，不用配置多臺(tái)設(shè)備，就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、振動(dòng)、損耗和故障多個(gè)參量的分布式測(cè)量。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種分布式光纖多參量傳感器， 包括光源、光源驅(qū)動(dòng)模塊、波分復(fù)用器模塊、探測(cè)光纖、光電探測(cè)模塊和數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊，還包括外調(diào)制器，所述的外調(diào)制器的輸入端與所述的光源的輸出端相連，所述的外調(diào)制器的輸出端與所述的波分復(fù)用器模塊的輸入端相連，所述的波分復(fù)用器模塊的第一輸出端與所述的探測(cè)光纖相連，所述的波分復(fù)用器模塊的第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端分別與所述的光電探測(cè)模塊的三個(gè)輸入端相連，所述的光電探測(cè)模塊的輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸入端相連，所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸出端與所述的光源驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端相連。所述的外調(diào)制器和所述的波分復(fù)用器模塊之間還設(shè)置有增益可調(diào)的光纖放大器， 所述的外調(diào)制器的輸出端與所述的光纖放大器的輸入端相連，所述的光纖放大器的輸出端與所述的波分復(fù)用器模塊的輸入端相連。所述的光源為窄線寬光纖激光器或者窄線寬半導(dǎo)體激光器，所述的光源驅(qū)動(dòng)模塊用于接收所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸出信號(hào)，產(chǎn)生恒流電信號(hào)或者窄脈沖的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)。所述的外調(diào)制器是電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器、電吸收調(diào)制器和高速光開(kāi)關(guān)中的一種。所述的波分復(fù)用器模塊為1X4結(jié)構(gòu)，具有一個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，所述的波分復(fù)用器模塊的第一輸出端用于將脈沖光輸入到所述的探測(cè)光纖中，第二輸出端用于通過(guò)與入射波長(zhǎng)一樣的瑞利散射光信號(hào)或者背向干涉光信號(hào)，第三輸出端和第四輸出端則用于通過(guò)反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)。所述的光電探測(cè)模塊用于接收所述的波分復(fù)用器模塊輸出的光信號(hào)，并將所述的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)用于后續(xù)采集。所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊用于采集所述的光電探測(cè)模塊的輸出信號(hào)。所述的探測(cè)光纖是多模光纖或者單模光纖。一種使用上述的光纖多參量傳感器測(cè)量光纖溫度、振動(dòng)、損耗和故障多個(gè)參量的方法，它包括以下步驟a、測(cè)量溫度、損耗和故障的步驟a-Ι、開(kāi)啟光源驅(qū)動(dòng)模塊直接產(chǎn)生窄脈沖的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生窄脈寬、寬線寬的脈沖光信號(hào)；a_2、調(diào)節(jié)激光外調(diào)制器的偏置電壓使之為通光狀態(tài)，將步驟a-Ι產(chǎn)生的脈沖光信號(hào)經(jīng)外調(diào)制器后輸入到波分復(fù)用器模塊；a-3、將步驟a-2中輸入的脈沖光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器模塊的第一輸出端輸入到探測(cè)光纖中，得到探測(cè)光纖的反饋信號(hào)瑞利散射光信號(hào)、反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)，將瑞利散射光信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用器模塊的第二輸出端輸出，將反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)分別通過(guò)波分復(fù)用器模塊的第三和第四輸出端輸出；a-4、將步驟a-3中輸出的瑞利散射光信號(hào)、反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)輸入到光電探測(cè)模塊中，得到轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的瑞利散射光\，斯托克斯光Vs，反斯托克斯光 Va輸出；a-5、將步驟a-4得到的信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊，通過(guò)\直接得出光纖
損耗和故障的測(cè)量結(jié)果；將^和Va帶入公式
權(quán)利要求
1.一種分布式光纖多參量傳感器，包括光源、光源驅(qū)動(dòng)模塊、波分復(fù)用器模塊、探測(cè)光纖、光電探測(cè)模塊和數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊，其特征在于還包括外調(diào)制器，所述的外調(diào)制器的輸入端與所述的光源的輸出端相連，所述的外調(diào)制器的輸出端與所述的波分復(fù)用器模塊的輸入端相連，所述的波分復(fù)用器模塊的第一輸出端與所述的探測(cè)光纖相連，所述的波分復(fù)用器模塊的第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端分別與所述的光電探測(cè)模塊的三個(gè)輸入端相連，所述的光電探測(cè)模塊的輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸入端相連，所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸出端與所述的光源驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的外調(diào)制器和所述的波分復(fù)用器模塊之間還設(shè)置有增益可調(diào)的光纖放大器，所述的外調(diào)制器的輸出端與所述的光纖放大器的輸入端相連，所述的光纖放大器的輸出端與所述的波分復(fù)用器模塊的輸入端相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的光源為窄線寬光纖激光器或者窄線寬半導(dǎo)體激光器，所述的光源驅(qū)動(dòng)模塊用于接收所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸出信號(hào)，產(chǎn)生恒流電信號(hào)或者窄脈沖的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的外調(diào)制器是電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器、電吸收調(diào)制器和高速光開(kāi)關(guān)中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的波分復(fù)用器模塊為1X4結(jié)構(gòu)，具有一個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，所述的波分復(fù)用器模塊的第一輸出端用于將脈沖光輸入到所述的探測(cè)光纖中，第二輸出端用于通過(guò)與入射波長(zhǎng)一樣的瑞利散射光信號(hào)或者背向干涉光信號(hào)，第三輸出端和第四輸出端則用于通過(guò)反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的光電探測(cè)模塊用于接收所述的波分復(fù)用器模塊輸出的光信號(hào)，并將所述的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)用于后續(xù)采集。
7.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊用于采集所述的光電探測(cè)模塊的輸出信號(hào)。
8.如權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特征在于所述的探測(cè)光纖是多模光纖或者單模光纖。
9.一種使用權(quán)利要求1所述的光纖多參量傳感器測(cè)量光纖溫度、振動(dòng)、損耗和故障多個(gè)參量的方法，其特征在于它包括以下步驟a-Ι、測(cè)量溫度、損耗和故障的步驟a_2、開(kāi)啟光源驅(qū)動(dòng)模塊直接產(chǎn)生窄脈沖的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生窄脈寬、寬線寬的脈沖光信號(hào)；a_3、調(diào)節(jié)激光外調(diào)制器的偏置電壓使之為通光狀態(tài)，將步驟a-Ι產(chǎn)生的脈沖光信號(hào)經(jīng)外調(diào)制器后輸入到波分復(fù)用器模塊；a-4、將步驟a-2中輸入的脈沖光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器模塊的第一輸出端輸入到探測(cè)光纖中，得到探測(cè)光纖的反饋信號(hào)瑞利散射光信號(hào)、反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)， 將瑞利散射光信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用器模塊的第二輸出端輸出，將反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)分別通過(guò)波分復(fù)用器模塊的第三和第四輸出端輸出；a-5、將步驟a-3中輸出的瑞利散射光信號(hào)、反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)輸入到光電探測(cè)模塊中，得到轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的瑞利散射光\，斯托克斯光Vs，反斯托克斯光Va輸出；a-6、將步驟a-4得到的信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊，通過(guò)\直接得出光纖損耗和故障的測(cè)量結(jié)果；將Vs和Va帶入公式I =I"^4 ，得到溫度測(cè)量值，其τ T0 MvL vAt VaV0)]中Ttl為標(biāo)定溫度，Vs(T0)為光纖溫度為T(mén)tl時(shí)斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度、Va(T0)為光纖溫度為T(mén)tl時(shí)反斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度，△ U為拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，Ua為反斯托克斯光信號(hào)頻率，Us為斯托克斯光信號(hào)頻率，Ua=U，Us= Utl-A U，Utl為光源發(fā)射光的頻率；b、測(cè)量振動(dòng)的步驟b_l、開(kāi)啟光源驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生恒流電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的窄線寬連續(xù)光信號(hào)；b-2、調(diào)節(jié)外調(diào)制器使之工作在脈沖調(diào)制狀態(tài)，將步驟b-Ι產(chǎn)生的連續(xù)光信號(hào)通過(guò)外部調(diào)制器調(diào)制成脈沖光輸入波分復(fù)用器模塊的第一輸入端；b-3、將步驟b-2中脈沖光經(jīng)波分復(fù)用器模塊的第一輸出端輸入到探測(cè)光纖中，得到探測(cè)光纖的反饋信號(hào)相干的瑞利散射光信號(hào)；b-4、將步驟b-3中得到的瑞利散射光信號(hào)輸入到光電探測(cè)模塊中，對(duì)通過(guò)光電探測(cè)模塊后的瑞利散射光信號(hào)按一定的周期多次采樣，分析各次采樣信號(hào)的變化情況，得出探測(cè)光纖上的振動(dòng)位置與強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求9所述的的方法，其特征在于步驟b-3的具體方法為將第i次采集的瑞利散射光信號(hào)記為VHi)，將間隔m次采集的瑞利散射光信號(hào)記為VHi_m)，其中m為2 8 中的任意正整數(shù)；將采集的各次采樣信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊，設(shè)定與VHi_m) 之差為νφ，通過(guò)νφ = Vr(i)-Vr(i_ffl)得出探測(cè)光纖上的振動(dòng)位置與強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種分布式光纖多參量傳感器及多參量測(cè)量方法，包括光源、光源驅(qū)動(dòng)模塊、波分復(fù)用器模塊、探測(cè)光纖、光電探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊和外調(diào)制器，光源驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與光源的輸入端相連，外調(diào)制器的輸入端與光源的輸出端相連，激光外調(diào)制器的輸出端與波分復(fù)用器模塊的輸入端相連，波分復(fù)用器的輸出端分別與探測(cè)光纖的輸出端和光電探測(cè)模塊的輸入端相連，光電探測(cè)模塊的輸出端與數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊相連，數(shù)據(jù)采集及控制電路模塊的輸出端與光源驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端相連，優(yōu)點(diǎn)是可以在一套分布式光纖傳感器上測(cè)量溫度、振動(dòng)、損耗和故障多個(gè)參量的功能，投資成本低，節(jié)約光纖資源，還拓展了分布式光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01D5/36GK102226703SQ201110076020
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者任尚今, 侯光恩, 劉航杰, 張真毅, 張秀峰, 李林克, 李浩泉 申請(qǐng)人:寧波諾馳光電科技發(fā)展有限公司