一種分布式光纖多參量傳感器的製作方法
2023-12-10 04:53:01
專利名稱：一種分布式光纖多參量傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種分布式光纖傳感器，尤其是涉及一種分布式光纖多參量傳感
O
背景技術：
光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。與傳統的機械類和電子類傳感器相比，光纖傳感器具有測量靈敏度高、動態範圍寬、抗電磁幹擾、耐腐蝕和體積小巧等優點。分布式光纖傳感器是目前應用較多的一種新型的光纖傳感器，它利用光時域反射技術(OTDR)實現沿光纖分布的任一點的參量測量，可實現線型大範圍空間的實時在線監測，滿足人們對海量監測信息的需求。20世紀90年代，英國的^rk公司利用光時域拉曼散射技術(ROTDR)研製出測量距離為2km的分布式光纖溫度傳感系統(DTS)，通過測得的探測光纖的反饋信號反斯託克斯光信號和斯託克斯光信號，將這些光信號數據帶入相關計算公式，可以得出溫度測量參數，實現了對光纖的溫度分布式測量。目前該產品已在國內交通隧道、地鐵、電纜火情監測等領域取得了較好的應用。1998年，美國的Jaehee Park等人報導了將基於相位敏感光時域反射技術(Φ-OTDR)用於入侵探測的實驗研究(Jaehee Park. Proc. of SPIE，1998,3555 49 56)，通過測得探測光纖反饋的相干瑞利散射光信號，根據光強發生變化的事件位置同探測光纖振動的位置相對應，光強的變化量與探測光纖的振動強度對應，得出探測光纖上的振動位置與強度，實現了分布式光纖傳感器對振動(入侵位置)的測量。1999年，四川大學的劉浩吾等人利用光時域反射(OTDR)損耗曲線與光纖微彎的關係，研製了混泥土裂縫監測傳感器，根據測得的探測光纖的反饋瑞利散射光信號，得出光纖損耗和故障的測量參數，實現了分布式光纖傳感器對損耗和故障的測量。目前分布式光纖傳感器已在電力、石化、交通、土木和航天等領域得到了廣泛應用。但是隨著各行業生產安全要求的提高，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，往往需要同時對溫度、振動、損耗和故障等參量進行全方位實時監控，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，不但設備投資成本大，而且也浪費了大量的光纖資源。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種分布式光纖多參量傳感器，不用配置多臺設備，就可以同時實現對溫度、振動、損耗和故障多個參量的分布式測量。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案為一種分布式光纖多參量傳感器，包括光源、光源驅動模塊、波分復用器模塊、探測光纖、光電探測模塊和數據採集及控制電路模塊，還包括外調製器，所述的外調製器的輸入端與所述的光源的輸出端相連，所述的外調製器的輸出端與所述的波分復用器模塊的輸入端相連，所述的波分復用器模塊的第一
3輸出端與所述的探測光纖相連，所述的波分復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模塊的三個輸入端相連，所述的光電探測模塊的輸出端與所述的數據採集及控制電路模塊的輸入端相連，所述的數據採集及控制電路模塊的輸出端與所述的光源驅動模塊的輸入端相連。所述的外調製器和所述的波分復用器模塊之間還設置有增益可調的光纖放大器， 所述的外調製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用器模塊的輸入端相連。所述的光源為窄線寬光纖雷射器或者窄線寬半導體雷射器，所述的光源驅動模塊用於接收所述的數據採集及控制電路模塊的輸出信號，產生恆流電信號或者窄脈衝的驅動電信號。所述的外調製器是電光調製器、聲光調製器、磁光調製器、電吸收調製器和高速光開關中的一種。所述的波分復用器模塊為1X4結構，具有一個輸入端和四個輸出端，所述的波分復用器模塊的第一輸出端用於將脈衝光輸入到所述的探測光纖中，第二輸出端用於通過與入射波長一樣的瑞利散射光信號或者背向幹涉光信號，第三輸出端和第四輸出端則用於通過反斯託克斯光信號和斯託克斯光信號。所述的光電探測模塊用於接收所述的波分復用器模塊輸出的光信號，並將所述的光信號轉換成電信號用於後續採集。所述的數據採集及控制電路模塊用於採集所述的光電探測模塊的輸出信號。所述的探測光纖是多模光纖或者單模光纖。與現有技術相比，本實用新型的優點在於一種分布式光纖多參量傳感器，通過控制光源驅動模塊產生兩種不同的驅動信號來驅動光源產生兩種不同的光信號，然後調節外調製器的偏置電壓，使之工作在透光狀態或者脈衝調製狀態，得到兩種不同線寬的脈衝光， 得到的其中一種寬線寬脈衝光可以實現對光纖溫度、損耗和故障參量的測量功能，另一種窄線寬脈衝光可以實現對光纖振動參量的測量功能。通過光源驅動模塊產生不同的驅動信號，外調製器的使用，不但實現了在一套分布式光纖傳感器上測量溫度、振動、損耗和故障多個參量的功能，而且投資成本低，節約光纖資源，還拓展了分布式光纖傳感器的應用領域；增加增益可調的光纖放大器，則可以使信號更強，增加測量的精度和可靠性。
圖1為本實用新型實施例一的分布式光纖多參量傳感器的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例二的分布式光纖多參量傳感器的結構示意圖；圖3為本實用新型中波分復用器模塊的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。實施例一如圖1和圖3所示，一種分布式光纖多參量傳感器，包括光源1、外調製器2、波分復用器模塊4、探測光纖5、光源驅動模塊6、光電探測模塊7和數據採集及控制電路模塊8。光源1為窄線寬雷射器，光源1的輸入端與光源驅動模塊6的輸出端相連，光源
4驅動模塊6用於驅動光源1產生脈衝光或連續光，光源1的輸出端與外調製器2的輸入端相連，外調製器2的輸出端與波分復用器模塊4的輸入端40相連，波分復用器模塊4設置有四個輸出端，其中第一輸出端41與探測光纖5的一端相連，第二輸出端42、第三輸出端 43和第四輸出端44分別與光電探測模塊7的三個輸入端相連，其中第二輸出端42用於通過與入射波長一樣的瑞利散射光，第三輸出端43和第四輸出端44則用於通過反斯託克斯光信號和斯託克斯光信號，光電探測模塊7的輸出端與數據採集及控制電路模塊8的輸入端相連，數據採集及控制電路模塊8的輸出端與光源驅動模塊6的輸入端相連。實施例二 如圖2和圖3所示，一種分布式光纖多參量傳感器，包括光源1、外調製器2、光纖放大器3、波分復用器模塊4、探測光纖5、光源驅動模塊6、光電探測模塊7和數據採集及控制電路模塊8。光源1為窄線寬雷射器，光源1的輸入端與光源驅動模塊6的輸出端相連，光源驅動模塊6用於驅動光源1產生脈衝光或連續光，光源1的輸出端與雷射外調製器2的輸入端相連，外調製器2的輸出端與光纖放大器3的輸入端相連，光纖放大器3的輸出端與波分復用器模塊4的輸入端40相連，波分復用器模塊4設置有四個輸出端，其中第一輸出端41與探測光纖5的一端相連，第二輸出端42、第三輸出端43和第四輸出端44 分別與光電探測模塊7的三個輸入端相連，其中第二輸出端42用於通過與入射波長一樣的瑞利散射光，第三輸出端43和第四輸出端44則用於通過反斯託克斯光信號和斯託克斯光信號，光電探測模塊7的輸出端與數據採集及控制電路模塊8的輸入端相連，數據採集及控制電路模塊8的輸出端與光源驅動模塊6的輸入端相連。本實用新型採用傳統的光時域反射技術(OTDR)來實現光纖的損耗和故障測量功能，採用光時域拉曼散射技術(ROTDR)來實現光纖的溫度測量功能，採用基於相位敏感光時域反射技術(Φ-OTDR)來實現光纖的振動測量功能。為實現光纖的振動測量功能，光源 1為窄線寬雷射器，而其線寬要求與分布式測量距離有關，線寬越小，雷射相干性越高，可實現的測量距離越長。本實用新型根據不同的測量距離選用不同線寬的雷射器作為光源，當測量距離小於Ikm時雷射器線寬小於500kHz即可，當測量距離達40km時雷射器線寬需要小於5kHz。本實用新型主要通過光源驅動模塊6直接驅動光源1產生兩種光信號，然後調節外調製器2，得到不同線寬的脈衝光，從而實現光纖的溫度、振動、損耗和故障測量功能。本實用新型實施例一中，光源1選用EMCORE公司窄線寬半導體雷射器，其中心波長為1550nm、連續功率可達20mW，當雷射器連續工作時，線寬小於5kHz，可實現的振動測量距離大於40km ；當雷射器直接脈衝調製工作時，因頻率啁啾效應，線寬展寬至IGHz以上，可大幅提高光纖受激布裡淵散射閾值功率，符合拉曼分布式測溫需求；外調製器2用於實現納秒量級的雷射脈衝，本實施例選用美國JDSU公司的電光調製器(EOM)，帶尾纖輸出，可實現Ins Ius的脈衝寬度；探測光纖5可以是單模光纖。本實用新型採用OTDR和ROTDR系統實現光纖溫度、損耗和故障測量功能。為了得到OTDR與ROTDR系統所需的光源，首先通過光源驅動模塊6直接產生窄脈衝的驅動電信號，使光源1產生窄脈衝、寬譜的脈衝光信號，由於光源1受到脈衝電流直接調製而產生頻率啁啾，光源1輸出脈衝光信號的線寬從5kHz展寬到IGHz以上；調節外調製器2的偏置電壓使其工作在通光狀態，即光功率最大輸出狀態。調製後線寬大於IGHz的脈衝光信號經波分復用器模塊4輸入到探測光纖5中，由於探測光纖5的材料的密度和折射率等光學性質存在微觀不均勻性，探測光纖5內傳輸的脈衝光將出現後向散射現象，反射的散射光分別為瑞利散射光、反斯託克斯光和斯託克斯光，其中瑞利散射光與入射光波長相同，都為 1550nm，反斯託克斯光中心波長為1450nm，斯託克斯光中心波長為1663nm，波分復用器模塊4利用三種散射光的波長不同而分別從第二輸出端42、第三輸出端43和第四輸出端44 輸出。光電探測模塊7分別將三路光信號轉換成電信號後輸入數據採集及控制電路模塊8 中，瑞利散射光轉換成電信號後為\，斯託克斯光轉換成電信號後為Vs，反斯託克斯光轉換成電信號後為Va。其中瑞利散射光V,是OTDR系統所需的，利用\即可完成光纖損耗和故障的測量； 而反斯託克斯光Va與斯託克斯光Vs是ROTDR系統所需的，通過測量兩者的比值 >可實現溫度測量，兩者的比值與溫度的關係可參見式(1)，丄丄鬥(O T T0 Mv[ ^(^K(^o)J式⑴中Ttl為標定溫度，Vs(T0)為光纖溫度為Ttl時斯託克斯光信號強度、Va(T0) 為光纖溫度為Ttl時反斯託克斯光信號強度，Δ υ為拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數，h為普朗克常數，、為反斯託克斯光信號頻率，Us為斯託克斯光信號頻率，Ua=u，Us = "ο-Δ υ , u ^為光源1發射光的頻率。本實用新型採用Φ-OTDR系統實現光纖振動測量功能。光源1恆流工作時雷射線寬為5kHz，滿足長距離Φ-OTDR系統對線寬的要求。通過光源驅動模塊6產生恆流電信號， 驅動光源1產生一個穩定的連續光輸出，調節外調製器2，使其工作在脈衝調製狀態，連續光經外調製器2調製成脈衝光後輸出，即採用外調製的方式產生脈衝光，外調製方式可以避免啁啾效應而使光源1在調製成脈衝光時，線寬保持本身小於5kHz不變，外調製器2輸出的脈衝光滿足Φ-OTDR系統對光源1的需求。調製後線寬51ΛΖ窄線寬脈衝光經波分復用器模塊4輸入到探測光纖5中，由於探測光纖5的材料的密度和折射率等光學性質存在微觀不均勻性，探測光纖5內傳輸的脈衝光將出現後向散射現象，反射的散射光分別為瑞利散射光、反斯託克斯光和斯託克斯光，Φ-OTDR系統僅需要其中的瑞利散射光信號，但瑞利散射光因探測光信號為線寬為5kHz的窄線寬探測光而幹涉效應起主要作用，此時的瑞利散射光為幹涉後的瑞利散射光。當探測光纖5的線路上入侵位置發生擾動時，探測光纖5 的相應位置的折射率將發生變化，從而導致該處光相位發生變化，由於幹涉作用，相位的變化將引起後向瑞利散射光強度的變化，通過探測變化的幹涉信號，並利用一定的數據處理方法可實現振動測量。本實施例中，記錄通過光電探測模塊7後瑞利散射光信號為Vp將第 i次採集的瑞利散射光信號記為，將間隔m次採集的瑞利散射光信號記為VHi_m)，根據公式⑵Vtc = Vr ⑴ _Vr(i_m) (2)此處m取2，將採集的任意次採樣信號及與其間隔2次的採樣信號輸入數據採集及控制電路模塊，相減的曲線νφ上光強發生變化的事件位置同光強振動的位置相對應，光強的變化量與探測光纖的振動強度對應，由此可得出探測光纖上的振動位置與強度。其中m可以取2 8中的任意正整數。
權利要求1.一種分布式光纖多參量傳感器，包括光源、光源驅動模塊、波分復用器模塊、探測光纖、光電探測模塊和數據採集及控制電路模塊，其特徵在於還包括外調製器，所述的外調製器的輸入端與所述的光源的輸出端相連，所述的外調製器的輸出端與所述的波分復用器模塊的輸入端相連，所述的波分復用器模塊的第一輸出端與所述的探測光纖相連，所述的波分復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模塊的三個輸入端相連，所述的光電探測模塊的輸出端與所述的數據採集及控制電路模塊的輸入端相連，所述的數據採集及控制電路模塊的輸出端與所述的光源驅動模塊的輸入端相連。
2.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的外調製器和所述的波分復用器模塊之間還設置有增益可調的光纖放大器，所述的外調製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用器模塊的輸入端相連。
3.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的光源為窄線寬光纖雷射器或者窄線寬半導體雷射器，所述的光源驅動模塊用於接收所述的數據採集及控制電路模塊的輸出信號，產生恆流電信號或者窄脈衝的驅動電信號。
4.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的外調製器是電光調製器、聲光調製器、磁光調製器、電吸收調製器和高速光開關中的一種。
5.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的波分復用器模塊為1X4結構，具有一個輸入端和四個輸出端，所述的波分復用器模塊的第一輸出端用於將脈衝光輸入到所述的探測光纖中，第二輸出端用於通過與入射波長一樣的瑞利散射光信號或者背向幹涉光信號，第三輸出端和第四輸出端則用於通過反斯託克斯光信號和斯託克斯光信號。
6.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的光電探測模塊用於接收所述的波分復用器模塊輸出的光信號，並將所述的光信號轉換成電信號用於後續採集。
7.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的數據採集及控制電路模塊用於採集所述的光電探測模塊的輸出信號。
8.如權利要求1所述的一種分布式光纖多參量傳感器，其特徵在於所述的探測光纖是多模光纖或者單模光纖。
專利摘要本實用新型公開了一種分布式光纖多參量傳感器及多參量測量方法，包括光源、光源驅動模塊、波分復用器模塊、探測光纖、光電探測模塊、數據採集及控制電路模塊和外調製器，光源驅動模塊的輸出端與光源的輸入端相連，外調製器的輸入端與光源的輸出端相連，雷射外調製器的輸出端與波分復用器模塊的輸入端相連，波分復用器的輸出端分別與探測光纖的輸出端和光電探測模塊的輸入端相連，光電探測模塊的輸出端與數據採集及控制電路模塊相連，數據採集及控制電路模塊的輸出端與光源驅動模塊的輸入端相連，優點是可以在一套分布式光纖傳感器上測量溫度、振動、損耗和故障多個參量的功能，投資成本低，節約光纖資源，還拓展了分布式光纖傳感器的應用領域。
文檔編號G01H9/00GK202041323SQ20112008601
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者任尚今, 侯光恩, 劉航傑, 張真毅, 張秀峰, 李林克, 李浩泉 申請人:寧波諾馳光電科技發展有限公司