[发明专利]一种分布式光纤温度及振动的传感系统及方法

说明书

本发明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。本发明还公开了一种分布式光纤温度及振动的传感方法。本发明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。

技术领域

本发明属于分布式检测技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容