專利名稱：全傳感干涉型光時域反射儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開一種全傳感干涉型光時域反射儀，涉及振動、沖擊的分布式測量，屬于安全預 防技術領域。
背景技術：
維護基礎設施的安全是社會穩(wěn)定、經(jīng)濟快速發(fā)展的一個基本要求。對通信光纜、高壓電 網(wǎng)、輸油管道、輸氣管道、橋梁、大壩、建筑物等基礎設施進行安全監(jiān)測，以確定健康、維護 需求、壽命和其它特性,不僅是這些設施實現(xiàn)技術性功能的保障,更是避免造成重大經(jīng)濟損失、 維護社會穩(wěn)定發(fā)展的有效手段。
近年來光纖信息傳輸?shù)慕^對安全性已被打破，針對陸地光纜線路的竊聽事件屢有報道，而 相關媒體披露的美國中央情報局海底光纜竊聽計劃更引起人們對海底光纜信息傳輸安全性的 充分重視。如何及時發(fā)現(xiàn)并精確定位這些事故更是一種挑戰(zhàn)。
隨著管道運輸行業(yè)的發(fā)展,各種管道運輸安全監(jiān)測技術也在不斷發(fā)展，目前已有的管道安 全生產(chǎn)監(jiān)測技術主要有兩類。其一管道泄漏事件發(fā)生后的監(jiān)測技術,這種技術主要有"管內(nèi) 流體力學狀態(tài)檢測技術"。管內(nèi)流體力學狀態(tài)檢測技術是實時采集管線中流體的流量、溫度和 壓力等信號,進行管道泄漏檢測和定位,這種技術受到管道內(nèi)的流體特性、輸送工藝以及測試 儀器的性能等因素限制，對管道泄漏監(jiān)測的靈敏度和定位精度較低，這類技術包括壓力梯度 法、負壓力波法、流量平衡法。其二，管道破壞事件發(fā)生前的預防監(jiān)測技術，也就是管道破壞 預警技術，目前已有的該類技術主要是"聲波技術監(jiān)測"，該技術是利用聲波沿管道傳輸原理，
在每隔1 km左右安裝一個有源傳感器,拾取管道沿線的聲音信號加以分析，確定事件性質,進
而對破壞管道的事件提前發(fā)現(xiàn),但是每一個傳感器件必須配備一套供電裝置和通信裝置，不僅 增加設備的投資和維護成本，且這些設施本身也容易遭到破壞，使裝置不能正常運行。
隨著光纖傳感技術的發(fā)展，長距離分布式光纖傳感技術也開始應用于管道泄漏檢測和通 信光纜安全監(jiān)測，主要有光后散射法和光干涉法。光后散射法基于瑞利、拉曼、布里淵、偏振 原理，利用外部事件對光纖傳輸特性的影響，通過定位檢測光纖中后散光強變化來判斷局部外 力、溫度變化，進而能評估管線的安全狀況。對于管道來說，分布式光纖溫度和應力監(jiān)測技術 是利用光纖的非線性特性(拉曼效應和布里淵效應)實時采集管道泄漏的介質對光纖的溫度 影響和沖擊應力來確定泄漏點的位置，這種技術只有布里淵效應返回的光信號最強，可實現(xiàn)單 次采集并計算監(jiān)測數(shù)據(jù)，其余需上千次平均后才達到計算監(jiān)測數(shù)據(jù)的信噪比。
光干涉法具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應快、傳輸距離長,可滿足長距離、微小振動檢
測要求。中國發(fā)明專利申請200410020046. 6 、 200410040282. 4 、 200610113044. 0 、 200510023104.5、 200610090594.5， 200710051004.2等構成某種閉合回路，實現(xiàn)干涉條件來 檢測微小振動，但這些干涉法只能實現(xiàn)在整個傳感路徑上檢測一個點，傳感路徑上同時出現(xiàn) 兩點及兩點以上就無能為力了 。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用全傳感干涉型光瑞利后散射法構成低成本的安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)
長距離分布式振動、沖擊檢測與定位。為了達到上述目的,本發(fā)明采用的如下技術方案包括
發(fā)射和接收光信號處理模塊[100]，傳感光纖[101]及傳感光纖[102]構成全傳感干涉型光時域反 射儀(如圖1所示)；發(fā)射和接收光信號處理模塊[IOO]包括計算機[I]、光源驅動器[2]、光源 [3]、探測器[4]、帶探測器的電路處理板[5]和光纖耦合器[6];兩路傳感光纖[IOI]、 [102]成纜。 本發(fā)明的工作原理如圖1所示，計算機[1]控制光源驅動器[2]使光源[3]按一定的頻率發(fā) 射光脈沖,脈寬小于10ns (避免受激布里淵散射)，光脈沖功率使每條光纖線上的光脈沖功率小于等于受激拉曼散閾值。光脈沖輸入2X2光纖耦合器[6]，優(yōu)選耦合器[6]功分比為1:1,分成 兩束等量的光脈沖分別在兩路傳感光纖[101]、 [102]中傳播,傳感光纖[101]上某些點受外界振
動、沖擊作用后光脈沖功率幅度變小，變化系數(shù)&,S1，以及相位變化A,，傳感光纖[102]與 傳感光纖[101]上相同點受同樣外界振動、沖擊作用后光脈沖功率幅度變小，變化系數(shù)52, Sl，
以及相位變化&。傳感光纖[101]和傳感光纖[102]中的光同時進行瑞利散射，其中后散射光
沿光纖原路返回到耦合器[6]進行相干干涉，它們繼續(xù)傳播后被光探測器[4]轉換為電信號,再由 電路處理板[5]轉換為數(shù)字信號，由計算機[1]處理、計算出傳感光纖線路上這些振動、沖擊位置。 有利地提高入射光束質量，光源[3]優(yōu)選脈沖光纖激光器。 有利地傳感光纖[102]上設置偏振制控器[7]，保證相干干涉比最大。 有利地電路處理板[5]上的模數(shù)轉換器的轉換時間等于光脈沖脈寬。 有利地光脈沖發(fā)射時間間隔大于光在光纖中來回傳播時間。
設傳感光纖[101]及傳感光纖[102]長度為丄米，傳感光纖[IOI]、 [102]距處理模塊[100] 長度/米上有m個振動、沖擊點，那么返回光功率為
<formula>formula see original document page 4</formula>
(1)
式(1)中P為入射功率，n為散射系數(shù)，。為后散射因子，"為光纖折射率，c為光在
真空中速度。如果去掉傳感光纖[IOI]，返回光功率只是
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)
式(1)除以式(2)得:
<formula>formula see original document page 4</formula>3)
由于<formula>formula see original document page 4</formula>,顯然干涉型公式(i)比直接型公式(2)的光《;
噪比提高6dB，電信噪比提高12dB。
在每條傳感光纖上傳播的光脈沖功率都接近受激拉曼散閾值時，有利地提高返回光功 率，傳感光纖并行鋪設兩條以上，只需數(shù)字平均幾十次就能檢測振動、沖擊位置及相對強度， 這樣每次反射儀工作時間大大減少，提高了反射儀壽命。所有傳感光纖條數(shù)優(yōu)選為2的整數(shù) 倍，便于使用數(shù)個2X2光纖耦合器來連接這些光纖。
單個全傳感干涉型光時域反射儀加裝光開關，進行多通道周期巡檢測量，監(jiān)測大面積振 動、沖擊現(xiàn)象。多個反射儀聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)遠程智能監(jiān)測。
本發(fā)明優(yōu)點-
① 、應用廣泛即可應用于管線的安全監(jiān)測，又可以應用于大面積的安全監(jiān)測。
② 、檢測靈敏度高、監(jiān)測距離遠設置光源[3]發(fā)射時間間隔大于光在光纖中來回傳播時間， 返回相干光脈沖不能混雜,反射儀信噪比得到保證；電路處理板[5]上的模數(shù)轉換器的轉換時間 等于光脈沖持續(xù)時間使得電信號無失真現(xiàn)象。隨著傳感光纖條數(shù)增加，總入射光功率增加， 同時后散射返回來的光相干疊加，其檢測靈敏度和檢測距離相應增加。③ 、定位精度高采用小于10m的短脈沖激光，理論上可以獲得小于2m的定位誤差。
④ 、同時定位多點振動、沖擊位置采用光時域反射儀具有同時檢測多點特征點功能。
⑤ 、本發(fā)明數(shù)字平均次數(shù)大大減少，，每次反射儀工作時間就較少，提高儀器的使用壽命。 附圖及
圖1本發(fā)明原理結構圖2本發(fā)明四條傳感光纖結構圖3本發(fā)明圖2實施例采集的光電信號后散射本發(fā)明說明書和附圖中參考標號的重復使用旨在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或元 件。
具體實施例方式
為了概括本發(fā)明起見，本文描述了本發(fā)明的某些方面、優(yōu)點以及新穎特征。應該理解,沒 必要根據(jù)本發(fā)明的特定實施例來實現(xiàn)所有這些優(yōu)點。因此,本發(fā)明不限于所公開的任何特定實 施例。
本發(fā)明的實施例如下
實施方案為安全監(jiān)測長距離建筑物走廊5000米，本例是一實驗樣機,其構成如圖2所示。圖 中粗連接線為光纖,由成都中住光纜公司提供,細連接線為電線。計算機[1]是PC104系統(tǒng),光源 驅動器[2]、帶探測器的電路處理板[5]是1個100MHzlObitA/D芯片、1個PIN探測器、驅動 電路、處理電路、緩沖區(qū)集成在一個板卡中,由我們實驗室制作完成，光源[3]也是自制的光纖 激光器,980nm泵浦摻鉺光纖輸出1550nm光脈沖，線寬2nm，脈寬10ns，峰值功率6W，重復頻率 20kHz，盤繞在板卡上層,板卡插入PC104系統(tǒng)的插槽中。耦合器[6]由上海翰宇公司提供；系統(tǒng) 軟件由我們實驗室編制完成,包括系統(tǒng)驅動、采集、分析、顯示存儲。計算機[l]控制光源驅動 器[2]使光源[3]按20kHz重復頻率發(fā)射光脈沖。光脈沖輸入4個2X2光纖耦合器組成的耦合 器陣列,分成四束等量的光脈沖分別在四個傳感光纖中傳播并后散射返回被光電探測器[4]轉 換為電信號，再由電路處理板[5]轉換為數(shù)字信號，數(shù)字平均次數(shù)400，每次監(jiān)測時間為250ms， 由計算機[l]處理、計算出傳感線路上振動位置。實施例中的釆集的光電信號后散射圖(如圖 3所示)，發(fā)現(xiàn)傳感光纖上有三個振動、沖擊點與實際振動的位置符合。
權利要求
1、一種全傳感干涉型光時域反射儀，包括發(fā)射和接收光信號處理模塊[100]，傳感光纖[101]及傳感光纖[102]構成全傳感干涉型光時域反射儀；發(fā)射和接收光信號處理模塊[100]包括計算機[1]、光源驅動器[2]、光源[3]、探測器[4]、帶探測器的電路處理板[5]和光纖耦合器[6]；兩路傳感光纖[101]、[102]成纜，實現(xiàn)長距離分布式振動、沖擊檢測與定位。
2、 按權利要求l所述反射儀，其特征在于傳感光纖[102]上設置偏振制控器[7]。
3、 按權利要求1所述反射儀，其特征在于使用的耦合器[6]優(yōu)選為熔錐型光纖耦合器,功分 比優(yōu)選均分。
4、 根據(jù)權利要求1所述反射儀，其特征在于傳感光纖兩條及兩條以上，使用的光纖是單模 光纖,或者是多模光纖,或者保偏光纖。
5、 根據(jù)權利要求1所述反射儀，其特征在于:單個全傳感干涉型光時域反射儀加裝光開關,進 行多通道周期巡檢測量,監(jiān)測大面積振動、沖擊現(xiàn)象，多個反射儀聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全傳感干涉型光時域反射儀，包括發(fā)射和接收光信號處理模塊[100]，傳感光纖[101]及傳感光纖[102]構成全傳感干涉型光時域反射儀；發(fā)射和接收光信號處理模塊[100]包括計算機[1]、光源驅動器[2]、光源[3]、探測器[4]、帶探測器的電路處理板[5]和光纖耦合器[6]；兩路傳感光纖[101]、[102]成纜，實現(xiàn)長距離分布式振動、沖擊檢測與定位。單個全傳感干涉型光時域反射儀加裝光開關，進行多通道周期巡檢測量，監(jiān)測大面積振動、沖擊現(xiàn)象。多個反射儀聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)測。
文檔編號G02B6/26GK101290245SQ200810044738
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月19日 優(yōu)先權日2008年6月19日
發(fā)明者代志勇, 劉永智, 張利勛, 彭增壽, 歐中華 申請人:電子科技大學