[发明专利]实现振动和温度同时测量的分布式光纤传感系统及方法

说明书

本发明提供了一种实现振动和温度同时测量的分布式光纤传感系统及方法，包括窄线宽激光器、可调谐激光器和光栅阵列；窄线宽激光器和可调谐激光器发出的激光经激光放大器后所得探测脉冲光传输至光环行器一；光环行器一还连接有光栅阵列和光环行器二；光环行器二连接至强反射光栅和非平衡马赫‑曾德干涉仪；强反射光栅和非平衡马赫‑曾德干涉仪均连接至光电探测器。本发明将波长解调和相位解调在同一系统中进行融合，通过解调啁啾光栅阵列光谱的漂移实现分布式的温度传感，同时测量相邻啁啾光栅阵列反射脉冲干涉信号的相位变化实现分布式振动测量，该系统可以同时实现分布式的温度和振动的准确测量。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种实现振动和温度双参量同时测量的分布式光纤传感系统及方法。

背景技术

光纤传感技术是一种以光纤为介质、光为载体感知和传输外界信号的传感技术。当光在光纤中传输时，外界环境的变化会引起传输光各种特性的相应改变，通过监测光波参数的变化就可以获得光纤外界环境的信息，从而实现传感。在光纤传感技术中分布式光纤传感技术可以对光纤沿线的参量进行持续稳定大范围的测量，在光纤传感技术中发挥着无法替代的作用。目前，分布式光纤传感技术已被广泛应用于周界安防、石油勘探开发、大型结构健康监测等领域。分布式光纤传感技术主要采用光纤中的散射信号和光时域反射技术进行传感，其中拉曼散射光对温度变化比较敏感多用来实现分布式的温度测量，布里渊散射对温度和应变变化比较敏感用来实现分布式温度和应变的传感，而瑞利散射多用来进行分布式的振动传感。但是由于他们自身原理和结构的局限性，只能分别进行单一参量的测量。然而，在一些特定的应用中，例如石油管道泄漏监测，石油勘探开发过程中的状态监测等领域，单一参量的测量已经远远不能满足需求，多参量的同时测量逐渐成为关注的重点。

目前，已有团队针对以上应用需求提出了多参量同时测量的方案。其中，南安普敦大学M.N.Alahbabi课题组提出了布里渊光时域反射仪(BOTDR)与拉曼光时域反射仪(ROTDR)的融合系统，实现了温度和应变的同时测量；电子科技大学饶云江课题组提出了相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)与偏振型光时域反射仪(POTDR)的融合系统，实现了对偏振和相位信息的同时获取来测量多参量；南京大学张旭苹课题组提出了POTDR与BOTDR的融合系统，实现了应变和振动的同时测量。上述几种方法都是采用光纤中的散射光作为传感信号，由于散射系数很低，散射光强度往往是入射光强度的10-6～10-8量级，因此系统的信噪比较低，这很大程度上限制了传感的距离和空间分辨率，而且采用散射光测得的温度和压力值是通过区域取样后进行平均计算，定位的误差很大。

因此，如何提供一种可实现振动和温度同时高精度测量的光纤阵列分布式光纤传感系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明采用一根传感光栅阵列，将波长解调和相位解调在同一系统中进行融合，通过解调啁啾光栅阵列光谱的漂移实现分布式的温度传感，同时测量相邻啁啾光栅阵列反射脉冲干涉信号的相位变化实现分布式振动测量，该系统可以同时实现分布式的温度和振动的测量，降低系统成本的同时能够满足石油勘探开发等领域多参量测量的需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现振动和温度同时测量的分布式光纤传感系统，包括窄线宽激光器、可调谐激光器和光栅阵列；所述窄线宽激光器和可调谐激光器发出的激光经激光放大器后所得探测脉冲光传输至光环行器一；所述光环行器一还连接有所述光栅阵列和光环行器二；所述光环行器二连接至强反射光栅和非平衡马赫-曾德干涉仪；所述强反射光栅和非平衡马赫-曾德干涉仪均连接至光电探测器；

所述光环形器一，用于将探测脉冲光由第一端口输入，并由第二端口注入至光栅阵列，光栅阵列的反射光脉冲再从光环形器一的第三端口输出至光环行器二；

所述光环行器二，用于将光环形器一输出的反射光脉冲由第一端口输入，再从光环行器二(10)的第二端口输出至强反射光栅(11)，强反射光栅(11)的反射脉冲从第三端口输出至非平衡马赫-曾德干涉仪(13)；