本發(fā)明屬于傳感及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于干涉和拉曼散射的分布式光纖振動(dòng)和溫度雙物理量傳感定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，油庫、發(fā)電廠、輸油管道等重要場(chǎng)所和設(shè)施的安全檢測(cè)顯得尤為重要。其中，分布式光纖傳感具有不帶電、耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾等諸多特性，日益成為安全檢測(cè)領(lǐng)域的重要手段和方法。其中，人們對(duì)于振動(dòng)感知和溫度變化這兩項(xiàng)物理量的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，比如振動(dòng)檢測(cè)可以用來實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)，溫度感知可以用來進(jìn)行火災(zāi)或者設(shè)備故障預(yù)防。而要同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩者的監(jiān)測(cè)的方法很少，并且還不成熟，如OFDR，還無法實(shí)現(xiàn)工程化的實(shí)際應(yīng)用。

目前光纖網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)較為完善，當(dāng)利用固有網(wǎng)絡(luò)來集成光纖傳感系統(tǒng)，更少的占用光纖資源就變得尤為重要。因此實(shí)現(xiàn)更多物理量感知相融合的分布式光纖傳感系統(tǒng)，可以更高效的用于工程化，從而更廣泛的應(yīng)用于全社會(huì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有分布式光纖傳感系統(tǒng)傳感知物理量單一，為更好的實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，更少的占用光纖鏈路資源，提供了一種基于雙Mach-Zehnder干涉和Raman背向散射的分布式光纖振動(dòng)和溫度雙物理量傳感定位系統(tǒng)。利用雙波長光源和波分復(fù)用技術(shù)，使干涉光和散射光互不干擾，從而有效的實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和溫度的雙物理量同時(shí)感知。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種分布式光纖振動(dòng)和溫度雙物理量傳感定位系統(tǒng)是基于雙Mach-Zehnder干涉和Raman背向散射，該系統(tǒng)包括：光源、光環(huán)形器、波分復(fù)用器WDM、光電探測(cè)器、光纖耦合器、傳感光纜、數(shù)據(jù)采集卡、光隔離器和計(jì)算機(jī)；其中：光源是包括一個(gè)光源為中心波長在1310nm附近的窄帶連續(xù)光激光器，用于實(shí)現(xiàn)光纖振動(dòng)傳感，另一個(gè)光源為中心波長在1550nm附近的脈沖激光器；光環(huán)形器用來將光源發(fā)出的光傳輸?shù)酱龣z測(cè)物體并收集反射信號(hào)光，并且隔絕對(duì)向光進(jìn)入到激光器；波分復(fù)用器WDM用于過濾出背向拉曼散射光，包括1450附近的斯托克斯散射光和1660附近的反斯托克斯散射光并傳送給兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器，同時(shí)保證1310nm和1550nm的光波不受影響的通過；光電探測(cè)器包括兩個(gè)銦砷化鎵的光電探測(cè)器和兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器，兩個(gè)銦砷化鎵的光電探測(cè)器用來接收1310nm波長的正反兩個(gè)方向的干涉光，兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器，用來接受1550nm波長的脈沖光在傳感光纖中產(chǎn)生的在1450nm附近和1660nm附近的拉曼背向散射光；光纖耦合器包括窗口中心波長在1300nm的50:50的光纖耦合器，用于1:2分光，以及窗口中心波長在1300/1550nm雙窗口的1:99的光纖耦合器，用于合并兩個(gè)波長的連續(xù)光和脈沖光，并且保證對(duì)向的連續(xù)光能夠在低損耗的情況話返回入射端與另一路連續(xù)光干涉；傳感光纜采用G.652D通信光纜，用于干涉外界擾動(dòng)和溫度場(chǎng)信息及傳導(dǎo)光信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡包括兩路10MSPS和兩路100MSPS并且?guī)в布奂庸δ艿牟杉ǎ瑢?shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)光電探測(cè)器的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并送入計(jì)算機(jī)處理；光隔離器用于保證光的單項(xiàng)通行性，保證激光器不受損傷；計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡送入的采集信號(hào)的處理，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)和溫度信號(hào)的解調(diào)和顯示。

進(jìn)一步講，本發(fā)明中，光源和波分復(fù)用器WDM構(gòu)成了互不干擾的雙波長探測(cè)裝置，為任意波長光源和光濾波器的組合。

與傳統(tǒng)的雙Mach-Zehnder分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)和基于拉曼的分布式溫度傳感系統(tǒng)不同，本發(fā)明系統(tǒng)使用連個(gè)不同波長的激光器，采用波分復(fù)用技術(shù)，能夠使得在Mach-Zehnder干涉儀中的一個(gè)傳感光纖臂中實(shí)現(xiàn)溫度傳感，最終在最少兩條傳感光纖中實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和溫度兩個(gè)物理量的傳感和定位，并且該方法能有效的減少對(duì)光纖鏈路中傳感光纖的占用。

附圖說明

圖1是分布式光纖振動(dòng)和溫度雙物理量傳感定位系統(tǒng)定位原理圖；

圖2是分布式光纖振動(dòng)和溫度雙物理量傳感定位系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

圖1示出了分布式光纖振動(dòng)和溫度雙物理量傳感定位系統(tǒng)是基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀融合拉曼背向散射原理，采用波分復(fù)用技術(shù)，利用光纜中兩條單模光纖構(gòu)成Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)測(cè)試光纖，其中任意一條可以用來同時(shí)采集拉曼背向散射光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光纜周圍的振動(dòng)信號(hào)和溫度信號(hào)的采集。

兩條傳感光纖同時(shí)傳播方向相反的兩組連續(xù)光的光波，其中一條還同時(shí)負(fù)責(zé)另一波長的脈沖光的傳播，光纜周圍的振動(dòng)能夠?qū)饫w中傳播的連續(xù)光波相位進(jìn)行調(diào)制，而光纜周圍的溫度會(huì)對(duì)脈沖光的拉曼背向散射光波的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，背向散射光通過波分復(fù)用器被單獨(dú)過濾出來，然后輸出到雪崩光電探測(cè)器上，而不同波長的連續(xù)光不受影響，與另一光纖中的光在光纖耦合器中發(fā)生干涉，剛射光經(jīng)過環(huán)形器輸出到光電探測(cè)器。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，由于振動(dòng)發(fā)生的位置到兩端探測(cè)器的距離不同，而廣播在光纖中的傳播速度一定，因此可以根據(jù)兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到同一事件的時(shí)間差計(jì)算出振動(dòng)發(fā)生的位置，而對(duì)于溫度信息，由于脈沖光在光纖中的傳播速度一定，所以脈沖光在光纖中不同位置的散射光到達(dá)雪崩光電探測(cè)器的時(shí)間不同，根據(jù)散射光到達(dá)雪崩光電探測(cè)器的時(shí)間不同，計(jì)算出不同位置的光纖上溫度的分布。設(shè)振動(dòng)事件到達(dá)兩個(gè)光電探測(cè)器的時(shí)間分別是t₁和t₂,Δt＝t₁-t₂,而脈沖信號(hào)L為傳感光纜的長度,x為擾動(dòng)點(diǎn)距離光纖耦合器5的位置,其定位公式為

設(shè)另一波長的脈沖光入射到光纖中傳播時(shí)，到經(jīng)過背向散射返回到光纖輸入端所用的時(shí)間為t₃，那么不同位置的定位公式為

L＝vt₃/2

不同位置的溫度T有兩路拉曼背向散射光光強(qiáng)來決定，其解調(diào)公式為

式中,v為光波在單模光纖中的傳播速度,單位m/s,其中v＝c/n,c是光在真空中的速度,n是光纖的折射率，I_a(T₀)和I_b(T₀)是已知某溫度T₀下的反斯托克散射光光強(qiáng)，I_a(T)和I_b(T)是待測(cè)溫度T下的反斯托克散射光光強(qiáng)，h是普朗克常數(shù)，Δv是拉曼聲子頻率，k是玻爾茲曼常數(shù)。

如圖1所示，激光器1和激光器2分別是兩種波長的不同激光器，其中，激光器1所發(fā)出的光是脈沖光，激光器2是窄帶連續(xù)光激光器，圖1中，C2、C3是環(huán)形器，C1、C4和C5是50:50光纖耦合器，C6是雙波長窗口1:99的光纖耦合器，PD1、PD2是銦砷化鎵的光電探測(cè)器，PD3、PD4是雪崩光電探測(cè)器，WDM是波分復(fù)用器，I是光隔離器。激光器2所發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器分光后分別沿著順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向傳播，并在對(duì)端的光纖耦合器發(fā)生干涉。由激光器2所發(fā)出的光的傳播路徑分別是C1-C2-C4-C5-C3-PD2和C1-C3-C5-C4-C2-PD1。而激光器1所發(fā)出的脈沖光，經(jīng)過光隔離器后進(jìn)入到光纖耦合器C6，與另一路不同波長的連續(xù)光耦合，通過波分復(fù)用器WDM進(jìn)入到傳感光纖中的一個(gè)傳感臂，脈沖光的背向散射光再次進(jìn)入到波分復(fù)用器WDM，將兩路拉曼散射光過濾出來，送入雪崩光電探測(cè)器PD3和PD4。

實(shí)施例：將本發(fā)明用于分布式光纖擾動(dòng)定位系統(tǒng)中的偏振控制，如圖2所示，該系統(tǒng)包括以下器件：

光源：采用兩個(gè)光源，一個(gè)光源是激光器1為中心波長在1550nm附近的脈沖激光器，另一個(gè)光源是激光器2為中心波長在1310nm附近的窄帶寬分布式反饋激光器(DFB)，用于實(shí)現(xiàn)光纖振動(dòng)傳感。

光隔離器3：用于保證光的單項(xiàng)通行性，隔絕1310nm的光射入到激光器1內(nèi)，以保證激光器不受損傷；

光環(huán)形器4和5：用來將光源發(fā)出的光傳輸?shù)酱龣z測(cè)物體并收集反射信號(hào)光，并且隔絕對(duì)向光進(jìn)入到激光器；

光纖耦合器4、7、8和9：包括三個(gè)窗口中心波長在1300nm的50:50的光纖耦合器4、7和8和采用1310nm和1550nm雙窗口的1:99的光纖耦合器9，其中，50:50的光纖耦合器用于1:2分光，50:50的光纖耦合器4用來將1310nm波長的光分成兩束，50:50的光纖耦合器7和8用來將光分別沿相反了兩個(gè)方向送入傳感光纖13a、13b中，并且接受對(duì)向的光進(jìn)行干涉。雙窗口的1:99的光纖耦合器用來將1550nm的脈沖光和1310nm的連續(xù)光合并，并送入傳感光纖中，并且保證對(duì)向的連續(xù)光能夠在低損耗的情況話返回入射端與另一路連續(xù)光干涉，即將對(duì)向的1310nm波長99％的光返回到光纖耦合器9上。

波分復(fù)用器WDM 10：采用1*3雙向耦合器和多層介質(zhì)薄膜干涉濾波片，用于過濾出背向拉曼散射光，包括1450附近的斯托克斯散射光和1660附近的反斯托克斯散射光，然后傳送給兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器12a和12b，并且保證1310nm波長的光雙向通過，并且保持較小的損耗；同時(shí)保證1310nm和1550nm的光波不受影響的通過；

光電探測(cè)器：包括兩個(gè)銦砷化鎵的光電探測(cè)器11a和11b和兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器12a和12b，兩個(gè)銦砷化鎵的光電探測(cè)器11a和11b用來接收1310nm波長在光纖耦合器7、8處產(chǎn)生的正反兩個(gè)方向的干涉光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器采用雪崩光電二極管，并配有恒溫控制裝置，用來接收波分復(fù)用器WDM10所過濾出1550nm波長的脈沖光在傳感光纖中產(chǎn)生的在1450nm附近的斯托克斯散射光和1660nm附近的反斯托克斯散射光，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；

傳感光纜13a和13b：采用G.652D通信光纜，用來感知外界振動(dòng)信號(hào)和溫度，用于干涉外界擾動(dòng)和溫度場(chǎng)信息及傳導(dǎo)光信號(hào)；

數(shù)據(jù)采集卡14：包括兩路10MSPS(12bit)和兩路100MSPS(12bit)并且?guī)в布奂庸δ艿臄?shù)據(jù)采集卡，分別用來采集干涉信號(hào)和拉曼散射信號(hào)并作數(shù)據(jù)累加平均，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述四個(gè)光電探測(cè)器(即兩個(gè)銦砷化鎵的光電探測(cè)器11a和11b和兩個(gè)雪崩光電探測(cè)器12a和12b)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；

計(jì)算機(jī)15：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡14送入的采集信號(hào)的處理，然后解調(diào)出振動(dòng)信息和溫度場(chǎng)信息以及他們的定位信息，并作顯示和記錄。

本發(fā)明中，由光源和相應(yīng)的WDM所構(gòu)成的互不干擾的雙波長探測(cè)裝置可以是任意波長光源和光濾波器的組合。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。