基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法，装置包括第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；通过相位敏感光时域反射原理的分布式光纤振动传感阵列获取管道的振动信息和光波长调制原理的光纤光栅应变传感阵列获取管道的压力信息，其中，分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列使用同一条光纤传输，利用波分复用与时分复用机制工作。本发明专利技术的效果和益处是：同一装置兼顾管道振动和应力信息监测，系统集成度高，提高了管道监测系统的泄漏和安防预警准确率；装置所需传输光纤长度与单一功能传感装置所需光纤长度相同，提高传输光纤利用率，在很大程度上降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法
本专利技术属于光纤传感
，尤其涉及一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法。
技术介绍
管道作为现代能源运输的最有效方式之一，正在向超长距离、大型化、复杂化的管网系统方向发展，而针对超长距离的管道出现泄漏故障或遭到入侵破坏时进行准确及时预警尤为重要。为了保障大型管网的安全良好运行，在事故或故障发生前或发生时进行及时评判预警，需要对管道进行多物理量的同时监测，特别是能表征其运行状态的振动和压力信息，二者的监测在管道泄漏监测与周界安防等方面得到越来越广泛的应用。光纤传感技术历经了从单点传感器到分布式光纤传感网络，在各种已经被熟知的分布式光纤传感技术中，光纤光栅传感技术对温度、应力、应变、振动等物理参量具有高传感灵敏度，以及本身拥有体积小、动态区间宽、可靠性高等突出优点；而弱反射性质的光纤传感由于窄带宽、弱反射特点，极大的降低了光源谱宽与传输损耗的限制，所以其具有高空间分辨率和信噪比，高测量精度，极易构成大容量、远距离监测网络等特点；相比于传统的管道监测振动和压力信息方法，利用光纤光栅与弱反射性光纤的分布式光纤传感技术具有传感距离远、高测量精度、大容量等独特优势。传统的管道振动与压力监测都有各自的监测装置和方法，同一装置无法兼顾二者同时监测，系统集成度低，并且单一的监测方式无法准确判断管道泄漏或安防事故原因；若要同时对管道振动和应力进行监测，需在同一测量空间内安装两套装置，更为了实现长距离监测，势必需要传输光纤足够长，若同时布置两套装置，一套用于振动信息测量，一套用于应力信息测量，需要的传输光纤长度是单套系统的两倍，系统成本急速增加。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对现有管道泄漏和安防预警监测技术的不足，提供一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法，本专利技术混合了波分、时分复用技术和光纤传感阵列技术，易实现高精度、高分辨率、大容量、长距离监测网络，实现管道振动信息和压力信息同一装置同时测量，提高了管道监测系统的预警准确率。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，它包括：第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、传输光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；第一光源经第一光开关连接第一耦合器的第一端口，第一耦合器的第二端口经延时光纤连接第二耦合器的第一端口，第一耦合器的第三端口经连接光纤连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第三端口连接到第一波分复用器的第一端口；第二光源经第二光开关连接第一波分复用器的第二端口，第一波分复用器的第三端口连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光环形器的第三端口与第二波分复用器的第三端口连接，第二波分复用器的第一端口与第一光电探测器的输入口连接，第二波分复用器的第二端口与第二光电探测器的输入口连接，第一光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第一端口连接，第二光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第二端口连接，多通道高速数据采集卡的第三端口连接到数字信号处理卡的第一端口，数字信号处理卡的第二端口分别连接到工业控制计算机的输入口和第一、二光开关的输入口；所述光纤传感阵列包括分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列。基于上述方案，所述分布式光纤振动传感阵列获取管道的振动信息，所述光纤光栅应变传感阵列获取管道的压力信息，其中，分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列使用同一条光纤传输，利用波分复用与时分复用机制工作。基于上述方案，所述第一光源为窄带相干光源，其波长与光纤光栅应变传感阵列的反射谱不重叠；第二光源为波长可调谐窄带光源，其调谐范围覆盖光纤光栅应变传感阵列的全部反射光谱。基于述方案，所述第一光开关和所述第二光开关是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。基于上述方案，所述的延时光纤长度是连接光纤的长度与分布式光纤振动传感阵列相邻弱反射单元间隔的2倍之和。基于述方案，所述分布式光纤振动传感阵列为低反射率的全同波长布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。基于上述方案，所述的分布式光纤振动传感阵列包括多个弱反射单元，其中每个弱反射单元间距相等，用于相邻单元间反射光发生干涉，通过解调相位变化监测管道振动信号。基于上述方案，所述的光纤光栅应变传感阵列，通过检测波长来监测应力，并通过激光器的波长扫描结合时分复用解调光栅波长变化，计算出应变变化，从而得到管道压力信息。本专利技术还提供了一种上述基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置实现信号监测的方法，其方法包括以下步骤：1)窄带相干光源输出的窄带相干光经过第一光开关后调制成第一脉冲光；波长可调谐窄带光源输出光经过第二光开关调制成第二脉冲光；2)第一脉冲光出射到第一耦合器第一端口，通过第一光纤耦合器分成两束脉冲相干光，分别为从第一光纤耦合器的第二端口出射的第一脉冲相干光和从第一光纤耦合器的第三端口出射的第二脉冲相干光，第一脉冲相干光通过第一耦合器第二端口出射后经延时光纤传输到第二耦合器第一端口，第二脉冲相干光通过第一耦合器第三端口出射后经连接光纤传输到第二耦合器第二端口，两束脉冲相干光经第二耦合器耦合后又第二光纤耦合器的第三端口出射到第一波分复用器第一端口；第二脉冲光出射到第一波分复用器第二端口；3)第二光纤耦合器的第三端口输出的第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经第一波分复用器波分复用后，通过第一波分复用器的第三端口入射到光环形器的第一端口，然后经光环形器的第二端口出射到光纤传感阵列；4)第一脉冲相干光与第二脉冲相干光经光纤传感阵列上弱反射单元反射的脉冲反射返回到光环形器，第一脉冲相干光经过弱反射单元Ri反射回的脉冲与第二脉冲相干光经过弱反射单元Ri+1反射回的脉冲具有相同的光程而叠加发生干涉，干涉后的脉冲信号通过光环形器的第三端口出射到第二波分复用器的第三端口，经第二波分复用器解复用后，通过第二波分复用器的第一端口出射到第一光电探测器的输入口，第一光电探测器的输出干涉脉冲信号的强度为I1；5)第二脉冲光经光纤传感阵列上的应变光栅阵列反射返回到光环形器后，通过光环形器的第三端口出射到第二波分复用器的第三端口，经第二波分复用器解复用后，通过第二波分复用器的第二端口出射到第二光电探测器的输入口，第二光电探测器的输出当前波长的第二脉冲光反射信号强度为I2；6)通过多通道高速数据采集卡获取第一光电探测器的输出信号强度I1，第二光电探测器的输出信号强度I2；7)通过数字信号处理卡控制第一光开关对窄带相干光源发出的窄带相干光进行调制，形成第一脉冲光，通过脉冲往返时间定位出现异常反射量的位置，通过多通道高速数据卡采集到第一光电探测器输出干涉信号强度I1获取传感振动信号频率的大小f；8)通过数字信号处理卡控制第二光开关对波长可调谐窄带光源的发出光进行调制，形成第二脉冲光，通过一次调节第二脉冲光的波长来获取应变光栅整个反射光谱范围的反射强度信号I2，在通过光谱拟合获取当前反射光栅的中心波长，进而计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，包括第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、传输光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；第一光源经第一光开关连接第一耦合器的第一端口，第一耦合器的第二端口经延迟光纤连接第二耦合器的第一端口，第一耦合器的第三端口经连接光纤连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第三端口连接到第一波分复用器的第一端口；第二光源经第二光开关连接第一波分复用器的第二端口，第一波分复用器的第三端口连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光环形器的第三端口与第二波分复用器的第三端口连接，第二波分复用器的第一端口与第一光电探测器的输入口连接，第二波分复用器的第二端口与第二光电探测器的输入口连接，第一光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第一端口连接，第二光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第二端口连接，多通道高速数据采集卡的第三端口连接到数字信号处理卡的第一端口，数字信号处理卡的第二端口分别连接到工业控制计算机的输入口和第一、二光开关的输入口；所述光纤传感阵列包括分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列。...

【技术特征摘要】
1.一种基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，包括第一光源、第二光源、第一光开关、第二光开关、第一耦合器、延时光纤、连接光纤、第二耦合器、第一波分复用器、光环形器、光纤传感阵列、传输光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、多通道高速数据采集卡、数字信号处理卡和工业控制计算机；第一光源经第一光开关连接第一耦合器的第一端口，第一耦合器的第二端口经延迟光纤连接第二耦合器的第一端口，第一耦合器的第三端口经连接光纤连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第三端口连接到第一波分复用器的第一端口；第二光源经第二光开关连接第一波分复用器的第二端口，第一波分复用器的第三端口连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光环形器的第三端口与第二波分复用器的第三端口连接，第二波分复用器的第一端口与第一光电探测器的输入口连接，第二波分复用器的第二端口与第二光电探测器的输入口连接，第一光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第一端口连接，第二光电探测器的输出口与多通道高速数据采集卡的第二端口连接，多通道高速数据采集卡的第三端口连接到数字信号处理卡的第一端口，数字信号处理卡的第二端口分别连接到工业控制计算机的输入口和第一、二光开关的输入口；所述光纤传感阵列包括分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列。2.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述分布式光纤振动传感阵列获取管道的振动信息，所述光纤光栅应变传感阵列获取管道的压力信息，其中，分布式光纤振动传感阵列和光纤光栅应变传感阵列使用同一条光纤传输，利用波分复用与时分复用机制工作。3.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述第一光源为窄带相干光源，其波长与光纤光栅应变传感阵列的反射谱不重叠；第二光源为波长可调谐窄带光源，其调谐范围覆盖光纤光栅应变传感阵列的全部反射光谱。4.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述第一光开关和所述第二光开关是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。5.根据权利要求1所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述延时光纤的长度是连接光纤的长度与分布式光纤振动传感阵列相邻弱反射单元间隔的2倍之和。6.根据权利要求2所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，分布式光纤振动传感阵列为低反射率的全同波长布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。7.根据权利要求1或2所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征在于，所述分布式光纤振动传感阵列包括多个弱反射单元，其中每个弱反射单元间距相等，用于相邻单元间反射光发生干涉，通过解调相位变化监测管道振动信号。8.根据权利要求1或2所述的基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，王慧，许儒泉，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42