一种分布式光纤温度及振动的传感系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种分布式光纤温度及振动的传感系统，包括激光器(1)、传感光纤(10)、数据处理器(18)，可调光衰减器(2)、二级光放大结构、第二带通滤波器(8)、环行器(9)、波分复用器(11)、第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M‑Z干涉结构，波分复用器(11)的输出端一分为多，分别与第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M‑Z干涉结构的输入端相连，M‑Z干涉结构包括参考臂和传感臂，传感臂中设有光信号延迟结构，光信号经过传感臂后与经过参考臂的光信号发生干涉。本发明专利技术还公开了一种分布式光纤温度及振动的传感方法。本发明专利技术的分布式温度及振动的传感系统，在一根光纤上实现温度和振动的同时测量。

A distributed optical fiber temperature and vibration sensing system and method

The invention discloses a distributed optical fiber temperature and vibration sensing system, including a laser (1), a sensing optical fiber (10), a data processor (18), a tunable optical attenuator (2), a secondary optical amplification structure, a second bandpass filter (8), a circulator (9), a wavelength division multiplexer (11), a first avalanche photodiode (13), and a second avalanche photoelectric. The output of the wavelength division multiplexer (11) is divided into many parts, which are connected with the input of the first avalanche photodiode (13), the second avalanche photodiode (14) and the M_Z interference structure. The M_Z interference structure includes a reference arm and a sensing arm. The sensing arm is provided with an optical signal delay structure, and the optical signal passes through it. After passing through the sensing arm, it interferes with the light signal passing through the reference arm. The invention also discloses a distributed optical fiber temperature and vibration sensing method. The distributed temperature and vibration sensing system of the invention realizes the simultaneous measurement of temperature and vibration on a single optical fiber.

【技术实现步骤摘要】
一种分布式光纤温度及振动的传感系统及方法
本专利技术属于分布式检测
，更具体地，涉及一种分布式光纤温度及振动的传感系统及方法。
技术介绍
当光纤受到外界环境(如温度、应力、振动等)影响时，光纤中传输光的强度、相位、频率等参量将会相应的变化，通过检测传输光的这些参量便可以获得相应物理量，这种技术称为光纤传感技术。传统的传感器大多是电量型的，测量范围小、并网困难，而且点式传感器在测量大范围、长距离时，维护成本较高。相比之下，光纤传感器的传感器是光纤，光纤本身结构稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、价格低廉，此外光纤的覆盖面广，可以对大范围，空间分布广的系统做测量。因此20世纪70年代末以来，分布式光纤传感得到了广泛的发展，出现了基于光时域反射技术(OTDR)、拉曼光时域反射技术(ROTDR)、布里渊光时域反射技术(BOTDR)、相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)等。目前基于温度测量拉曼光时域反射技术(ROTDR)已较为成熟。拉曼光时域反射(ROTDR)技术是向光纤中注入脉冲光，光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。振动传感发展不如温度传感成熟，φ-OTDR技术是利用传感系统的输出脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉结果，因而能够探测到更微弱的扰动信息，提高系统的响应能力。当外界的扰动导致光纤路径上某处的折射率发生变化，从而改变散射光的相位信息，最终使得干涉的光强发生变化，而扰动点的位置也能通过该光强变化信号与脉冲注入传感光纤的间隔时间来确定，实现对扰动事件的定位。φ-OTDR技术因其优良的综合性能成为目前最主要的入侵和振动分布式传感监测方法之一，但是干涉因素使得光纤容易受环境噪声的影响，对于应变、特别是恒定的应变及温度变化，信号特别容易被淹没，从而使得检测不准确。基于干涉原理的传感技术是通过测量光程差来确定相关的物理量。马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪是以光波波长为计量单位测量光程差的，其测量精度之高是其他方法无法比拟的，而且其频率响应也很高，测得振动频率也很精确，信息全面。但也存在一些致命的缺点，特别是数据处理复杂以及偏振态衰落等敏感问题，严重影响系统的传感性能，使传感系统定位精度较低，而且干涉技术大多为准分布式传感，分布式的干涉技术大多结构复杂。传统测量中，温度传感和振动传感是通过不同的光纤进行分开测量的，这种分开测量方式成本高，且参数测量较为单一，在用多参量判断外部事件时，系统预警报错、漏报的几率高，同时在实现振动测量的同时，很难将振动的全方位信息(振幅、频率、波形等)获取，导致不能准确的分析振动的特征及性质，从而进行后续的措施。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的实施例提供了一种既能够探测振动事件,又能够检测温度事件的分布式光纤温度及振动的传感系统及传感方法，利用ROTDR、φ-OTDR技术的分布式特性以及干涉技术的精度，各取所长，配合波分复用结构、M-Z干涉结构，不仅实现了对振动的和温度的综合测量，并且能够解调出振动的全方位信息，大大提高了分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度。本专利技术提供的一种分布式光纤温度及振动的传感系统，包括二级光放大结构、M-Z干涉结构和波分复用结构，二级光放大结构通过激光器发射连续光后经第一掺铒光纤放大器放大后输入编码脉冲调制器调制成脉冲光后进行二次放大形成最终的噪声误差小的探测光；探测光经过环行器和传感光纤散射后输出到波分复用器中，波分复用器输出端对一根光纤上将携带不同物理量的不同波长的光信号进行分离，并使分离后的光信号进入分别进入到雪崩光电二极管中和M-Z干涉线路中，分别实现温度信息和振动信息传递；M-Z干涉线路包括参考臂和传感臂，光信号经过传感臂后发生延迟并与经过参考臂的光信号在所述第二耦合器上发生干涉，雪崩光电二极管中和M-Z干涉线路与数据处理器连接，分别实现温度信息和振动信息的检测。在同一根光纤上实现温度和振动信息的同时测量，节省成本的同时，使得多参量判断外部事件时，系统预警报错、漏报的几率降低。解调出振动的全方位信息，大大提高了分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度。为了实现上述目的，本专利技术提供一种分布式光纤温度及振动的传感系统，包括激光器、传感光纤和数据处理器，还包括依次连接的可调光衰减器、二级光放大结构和第二带通滤波器以及环行器、波分复用器，以及以及并联设置的第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M-Z干涉结构；所述可调光衰减器与所述激光器的输出端相连，所述环行器的第一端口与所述第二带通滤波器的输出端相连，第二端口与所述传感光纤相连，第三端口与所述波分复用器的输入端相连；所述波分复用器的输出端一分为多，分别与所述第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管和M-Z干涉结构的输入端相连，所述第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管的输出端与所述数据处理器相连，实现温度的检测；所述M-Z干涉结构包括与所述数据处理器相连的第二耦合器、和并联设于所述波分复用器和第二耦合器之间的参考臂和传感臂，所述传感臂中设有光信号延迟结构，光信号经过传感臂后发生延迟并与经过所述参考臂的光信号在所述第二耦合器上发生干涉，实现振动信息的检测。进一步地，所述二级光放大结构包括依次连接的第一掺铒光纤放大器、第一带通滤波器、偏振控制器、编码脉冲调制器以及第二掺铒光纤放大器。进一步地，所述数据处理器的输出端与所述编码脉冲调制器的输入端相连，以将处理后的数据反馈给所述编码脉冲调制器。进一步地，所述传感臂的光信号延迟结构包括延迟光纤和PZT相位调制器。进一步地，所述延迟光纤的长度与所述脉宽对应的空间分辨率的值相同。进一步地，所述M-Z干涉结构还包括与所述波分复用器的输出端相连的将光信号一分为二的第一耦合器。进一步地，所述激光器发出的光源为COTS的DBF光源。一种分布式光纤温度及振动的传感方法，包括如下步骤：S1激光器发出的连续光经过可变光衰减器衰减后，经过第一次放大后输入到所述编码脉冲调制器中调制成脉冲光；S2脉冲光经过第二次放大并滤波形成最终的探测光；S3所述探测光经过所述环行器进入到所述传感光纤中，并将产生的散射光返回至所述环行器中；S4返回至所述环行器中的探测光输出到波分复用器中，并通过所述波分复用器将光信号一分为多，分别输入到所述第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管和M-Z干涉结构中，实现携带不同物理量的光信号的分离；S5进入所述第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管的携带温度信息的光信号最终进入到数据处理器中进行解调，得到相应的温度信息；进入M-Z干涉结构的光信号被第一耦合器一分为二，其一直接到达第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式光纤温度及振动的传感系统，包括激光器(1)、传感光纤(10)和数据处理器(18)，其特征在于，还包括依次连接的可调光衰减器(2)、二级光放大结构和第二带通滤波器(8)以及环行器(9)、波分复用器(11)，以及并联设置的第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M‑Z干涉结构；所述可调光衰减器(2)与所述激光器(1)的输出端相连，所述环行器(9)的第一端口与所述第二带通滤波器(8)的输出端相连，第二端口与所述传感光纤(10)相连，第三端口与所述波分复用器(11)的输入端相连；所述波分复用器(11)的输出端一分为多，分别与所述第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M‑Z干涉结构的输入端相连，所述第一雪崩光电二极管(13)和第二雪崩光电二极管(14)的输出端与所述数据处理器(17)相连，实现温度的检测；所述M‑Z干涉结构包括与所述数据处理器(18)相连的第二耦合器(17)、和并联设于所述波分复用器(11)和第二耦合器(17)之间的参考臂和传感臂，所述传感臂中设有光信号延迟结构，光信号经过传感臂后发生延迟并与经过所述参考臂的光信号在所述第二耦合器(17)上发生干涉，实现振动信息的检测。...

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤温度及振动的传感系统，包括激光器(1)、传感光纤(10)和数据处理器(18)，其特征在于，还包括依次连接的可调光衰减器(2)、二级光放大结构和第二带通滤波器(8)以及环行器(9)、波分复用器(11)，以及并联设置的第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M-Z干涉结构；所述可调光衰减器(2)与所述激光器(1)的输出端相连，所述环行器(9)的第一端口与所述第二带通滤波器(8)的输出端相连，第二端口与所述传感光纤(10)相连，第三端口与所述波分复用器(11)的输入端相连；所述波分复用器(11)的输出端一分为多，分别与所述第一雪崩光电二极管(13)、第二雪崩光电二极管(14)和M-Z干涉结构的输入端相连，所述第一雪崩光电二极管(13)和第二雪崩光电二极管(14)的输出端与所述数据处理器(17)相连，实现温度的检测；所述M-Z干涉结构包括与所述数据处理器(18)相连的第二耦合器(17)、和并联设于所述波分复用器(11)和第二耦合器(17)之间的参考臂和传感臂，所述传感臂中设有光信号延迟结构，光信号经过传感臂后发生延迟并与经过所述参考臂的光信号在所述第二耦合器(17)上发生干涉，实现振动信息的检测。2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤温度及振动的传感系统，其特征在于，所述二级光放大结构包括依次连接的第一掺铒光纤放大器(3)、第一带通滤波器(4)、偏振控制器(5)、编码脉冲调制器(6)以及第二掺铒光纤放大器(7)。3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤温度及振动的传感系统，其特征在于，所述数据处理器(18)的输出端与所述编码脉冲调制器(6)的输入端相连，以将处理后的数据反馈给所述编码脉冲调制器(6)。4.根据权利要求1～3中任一项所述的一种分布式光纤温度及振动的传感系统，其特征在于，所述传感臂中的光信号延迟结构包括延迟光纤(14)和PZT相位调制器(15)。5.根据权利要求4所述的一种分布式光纤温度及振动的传感系统，其特征在于，所述延迟光纤(14)的长度与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄慧怡，周红兵，谢贵兔，冯文，闫莉，汪文龙，高天天，
申请(专利权)人：湖北三江航天万峰科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42