專利名稱：光纖輻射傳感系統(tǒng)及其傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種光纖輻射傳感系統(tǒng)及其傳感方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器的概念不是新的，早在60年代中期就出現(xiàn)了第一個專利，它包括采用 傳光束的Fotonic機械位移傳感器和采用相位調(diào)制的超聲波傳感器。但是，在更為廣闊的 領(lǐng)域，即光纖傳感技術(shù)，取得系列研究卻是在10年以后，從那時起光纖技術(shù)就突破了那種 徘徊不前的狀態(tài)，進入了一日千里的時代。 光纖傳感器的基本原理是由光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖進入調(diào)制區(qū)，在被測對象的
作用下，光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，使它成為被調(diào)制了的
信號，再經(jīng)過光纖送入光探測器和電信號處理裝置，最終獲得待測對象的信息。 目前，分布式光纖傳感技術(shù)是光傳感技術(shù)領(lǐng)域中最有應(yīng)用前景的，其中精確定位
型超大長度分布式光纖輻射傳感方法通過一次測量，既可獲得光纖所經(jīng)區(qū)域輻射強度的完
整信息。然而定位型超大長度分布式光纖輻射傳感器的探測區(qū)域很大，測量光纜越長越好，
一般大于50Km，防區(qū)空間分辨率lm，所以系統(tǒng)的光接收動態(tài)范圍很寬(大于50dB)，對光電
信號處理系統(tǒng)要求極高，所以需要一種能夠做出性能穩(wěn)定的精確定位型超大長度分布式光
纖輻射傳感方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量 原理的精確定位型超大長度分布式光纖輻射傳感系統(tǒng)及其傳感方法，具有光時域反射技術(shù) 定位精度高和干輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化靈敏度好的特點。 為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種光纖輻射傳感系統(tǒng)，包括光源、光纖環(huán)形器、
光接收單元、高速AD采集卡和微處理器系統(tǒng)， 所述光源的光輸出端接入所述光纖環(huán)形器的光入射端； 所述光纖環(huán)形器的反饋端與傳感光纖相連； 所述光接收單元與所述光纖環(huán)形器的輸出端相連，用以光電轉(zhuǎn)換瑞利散射光信 號； 所述高速AD采集卡，用以將所述光接收單元的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù) 處理，獲得預(yù)處理結(jié)果； 微處理器系統(tǒng)，與所述高速AD采集卡相連，用以對所述預(yù)處理結(jié)果進行信號處
理、分析計算，獲得對應(yīng)點的輻射強度分布信息。 進一步的，所述光源為窄線寬脈沖光纖激光器。 進一步的，所述光源包括同步信號輸出端，用以輸出同步信號通知所述高速AD采 集卡開始AD信號采集。
進一步的，所述光纖環(huán)形器包括一個輸入端、一個輸出端和一個反饋端，其輸入端 與窄線寬脈沖光纖激光器的輸出端相連，用于接收窄線寬脈沖光纖激光器輸出的光脈沖， 其反饋端與傳感光纖相連，用于向傳感光纖注入所述光脈沖，并接收在傳感光纖中產(chǎn)生的 后向散射光，其輸出端將接收到的后向散射光輸出。 進一步的，所述高速AD采集卡包括AD前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及現(xiàn)場可編程門
陣列，完成以現(xiàn)場可編程門陣列為核心的高速數(shù)據(jù)采集、累加存儲的信號預(yù)處理。 為了達到上述目的，本發(fā)明還提出一種光纖輻射傳感系統(tǒng)的傳感方法，包括以下
步驟 所述光源產(chǎn)生光脈沖和同步信號； 所述光脈沖經(jīng)過光纖環(huán)形器進入傳感光纖生成后向瑞利散射光； 所述瑞利散射光進入光接收單元轉(zhuǎn)換成電信號，最后進入高速AD采集卡； 所述同步信號控制高速AD采集卡對瑞利散射光電信號的采集，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)
預(yù)處理、數(shù)據(jù)定標、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正； 所述微處理器系統(tǒng)接收所述高速AD采集卡預(yù)處理的數(shù)據(jù)。
進一步的，所述光源為窄線寬脈沖光纖激光器。 進一步的，所述高速AD采集卡包括AD前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及現(xiàn)場可編程門 陣列，完成以現(xiàn)場可編程門陣列為核心的高速數(shù)據(jù)采集、信號預(yù)處理。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明針對以往輻射傳感器設(shè)計的不能定位和精度不高 等缺陷，提出了一種基于光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量原理的精 確定位型超大長度分布式光纖輻射傳感方法，該傳感器結(jié)構(gòu)通過利用光波在光纖中傳輸時 產(chǎn)生的瑞利散射效應(yīng)，采用光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量原理， 對目標區(qū)域內(nèi)的輻射強度分布信息進行測量，系統(tǒng)具有定位精度高和測量范圍大的特點。


圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的光纖輻射傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2所示為本發(fā)明較佳實施例的光纖輻射傳感方法的流程圖。
具體實施例方式
為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所

如下。
本發(fā)明公開了一種基于光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量 原理的精確定位型超大長度分布式光纖輻射傳感系統(tǒng)及其傳感方法，具有光時域反射技術(shù) 定位精度高和干輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化靈敏度好的特點。 請參考圖1，圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的光纖輻射傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本 發(fā)明提出一種光纖輻射傳感系統(tǒng)，包括光源11、光纖環(huán)形器22、光接收單元33、高速AD采 集卡44和微處理器系統(tǒng)46，所述光源11的光輸出端接入所述光纖環(huán)形器22的光入射端； 所述光纖環(huán)形器22的反饋端與傳感光纖50相連；所述光接收單元33與所述光纖環(huán)形器 22的輸出端相連，用以輸出瑞利散射光信號；所述高速AD采集卡44，用以將所述光接收單 元33的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得預(yù)處理結(jié)果；微處理器系統(tǒng)46，與所述 高速AD采集卡44相連，用以對所述預(yù)處理結(jié)果進行信號處理、分析計算，獲得對應(yīng)點的輻射強度分布信息。微處理器系統(tǒng)46將各個模塊有機的聯(lián)系起來，實現(xiàn)環(huán)境輻射強度分布的 實時在線監(jiān)測和報警控制輸出。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)與調(diào)制頻率光源中心波長1550nm，線 寬小于500KHz，傳感光纖長度50km，光脈沖重復(fù)頻率lk，光脈沖寬度10ns，高速AD采集卡 采樣率lOOMHz， AD采樣精度14位。系統(tǒng)的最大測量距離達50Km，光纖直線布放空間分辨 率為lm。輻射信號在頂層處理，可在現(xiàn)場通過桌面進行報警閾值的測試和設(shè)定。
根據(jù)本發(fā)明較佳實施例，所述光源11為窄線寬脈沖光纖激光器，其是一種激光光 源，本發(fā)明選用其輸出窄線寬脈沖光。所述光源11包括同步信號輸出端，用以輸出同步信 號通知所述高速AD采集卡44開始AD信號采集，觸發(fā)模式可分為外同步模式。
進一步的，所述光纖環(huán)形器22包括一個輸入端、一個輸出端和一個反饋端，其輸 入端與窄線寬脈沖光纖激光器的輸出端相連，用于接收窄線寬脈沖光纖激光器輸出的光脈 沖，其反饋端與傳感光纖50相連，用于向傳感光纖50注入所述光脈沖，并接收在傳感光纖 50中產(chǎn)生的后向散射光，其輸出端將接收到的后向散射光輸出。 所述高速AD采集卡44包括AD前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及現(xiàn)場可編程門陣列，完
成以現(xiàn)場可編程門陣列為核心的高速數(shù)據(jù)采集、信號預(yù)處理。其主要技術(shù)指標
采樣速率100MSPS
位數(shù)14位 功能數(shù)字累加功能、濾波功能、抽點功能、運算處理功能。
本實施例所述系統(tǒng)采用后向散射探測方法，由窄線寬脈沖光纖激光器(光源)產(chǎn) 生很窄的光脈沖，即光探測脈沖。光探測脈沖的寬度確定了精確定位型超大長度分布式光 纖輻射傳感方法的空間分辨率，光探測器在某個時刻探測到的光能量是與光脈沖寬度對應(yīng) 的一段光纖的后向散射光能量的貢獻總和，因此由光脈沖寬度就決定了一個空間分辨率。
本發(fā)明還提出一種光纖輻射傳感系統(tǒng)的傳感方法，包括以下步驟
步驟S100 :所述光源產(chǎn)生光脈沖和同步信號； 步驟S200 :所述光脈沖經(jīng)過光纖環(huán)形器進入傳感光纖生成后向瑞利散射光；
步驟S300 :所述瑞利散射光進入光接收單元轉(zhuǎn)換成電信號，最后進入高速AD采集 卡； 步驟S400 :所述同步信號控制高速AD采集卡對瑞利散射光電信號的采集，對數(shù)據(jù) 進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)定標、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正； 步驟S500 :所述微處理器系統(tǒng)接收所述高速AD采集卡預(yù)處理的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明提供一種基于光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量原 理的精確定位型超大長度分布式光纖輻射傳感方法。根據(jù)后向散射光原理，由窄線寬脈沖 光纖激光器(光源)輸出大功率窄脈沖光，大功率窄脈沖光經(jīng)光纖環(huán)形器注入到50Km傳感 鉛玻璃光纖中，在傳感鉛玻璃光纖中將產(chǎn)生后向散射光，包括瑞利散射光。該傳感鉛玻璃光 纖受到核輻射的作用，X射線、Y射線等的輻射會使傳感鉛玻璃光纖的吸收損耗增加，瑞利 散射光經(jīng)過傳感元件被輻射光作用發(fā)生損耗，自此便完成了攜帶輻射強度分布信息光信號 的提取工作；從光纖環(huán)行形器分離出來的瑞利散射光再分別進入光接收模塊APD進行光電 轉(zhuǎn)換，再經(jīng)前級放大，從而完成信號的光電探測工作；此時信號已由光信號轉(zhuǎn)換成電信號， 再分別進入放大匹配電路1對電信號進行后級放大，而后由同步信號高速AD采集器進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字信號，并進行信號預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果通信輸出到對應(yīng)微處理
5器，便最終監(jiān)測分析處理系統(tǒng)的分析得到整個防區(qū)的輻射強度信息，微處理器的分析數(shù)據(jù) 結(jié)果輸入主控器系統(tǒng)進行聯(lián)動報警。因此，發(fā)出大功率窄線寬光脈沖后，對后向瑞利散射光 信號進行高速的多點采樣，就可獲得沿光纖軸向的輻射強度分布，實現(xiàn)分布式輻射測量。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明針對以往輻射傳感器設(shè)計的不能定位和精度不高 等缺陷，提出了一種基于光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量原理的精 確定位型超大長度分布式光纖輻射傳感方法，該傳感器結(jié)構(gòu)通過利用光波在光纖中傳輸時 產(chǎn)生的瑞利散射效應(yīng)，采用光時域反射和輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化的測量原理， 對目標區(qū)域內(nèi)的輻射強度分布信息進行測量，系統(tǒng)具有定位精度高和測量范圍大的特點。
這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例 中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明 的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種光纖輻射傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、光纖環(huán)形器、光接收單元、高速AD采集卡和微處理器系統(tǒng)，所述光源的光輸出端接入所述光纖環(huán)形器的光入射端；所述光纖環(huán)形器的反饋端與傳感光纖相連；所述光接收單元與所述光纖環(huán)形器的輸出端相連，用以光電轉(zhuǎn)換瑞利散射光信號；所述高速AD采集卡，用以將所述光接收單元的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得預(yù)處理結(jié)果；微處理器系統(tǒng)，與所述高速AD采集卡相連，用以對所述預(yù)處理結(jié)果進行信號處理、分析計算，獲得對應(yīng)點的輻射強度分布信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為窄線寬脈沖光 纖激光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包括同步信號輸 出端，用以輸出同步信號通知所述高速AD采集卡開始AD信號采集。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖環(huán)形器包括一個 輸入端、一個輸出端和一個反饋端，其輸入端與窄線寬脈沖光纖激光器的輸出端相連，用于 接收窄線寬脈沖光纖激光器輸出的的光脈沖，其反饋端與傳感光纖相連，用于向傳感光纖 注入所述光脈沖，并接收在傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光，其輸出端將接收到的后向散射 光輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述高速AD采集卡包括AD 前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及現(xiàn)場可編程門陣列，完成以現(xiàn)場可編程門陣列為核心的高速數(shù) 據(jù)采集、累加存儲的信號預(yù)處理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)的傳感方法，其特征在于，包括以下步驟 所述光源產(chǎn)生光脈沖和同步信號；所述光脈沖經(jīng)過光纖環(huán)形器進入傳感光纖生成后向瑞利散射光； 所述瑞利散射光進入光接收單元轉(zhuǎn)換成電信號，最后進入高速AD采集卡； 所述同步信號控制高速AD采集卡對瑞利散射光電信號的采集，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處 理、數(shù)據(jù)定標、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正；所述微處理器系統(tǒng)接收所述高速AD采集卡預(yù)處理的數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)的傳感方法，其特征在于，所述光源為窄 線寬脈沖光纖激光器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖輻射傳感系統(tǒng)的傳感方法，其特征在于，所述高速AD采 集卡包括AD前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及現(xiàn)場可編程門陣列，完成以現(xiàn)場可編程門陣列為核 心的高速數(shù)據(jù)采集、信號預(yù)處理。
全文摘要
本發(fā)明提出一種光纖輻射傳感系統(tǒng)及其傳感方法，該系統(tǒng)包括光源、光纖環(huán)形器、光接收單元、高速AD采集卡和微處理器系統(tǒng)，該方法包括以下步驟所述光源產(chǎn)生光脈沖和同步信號；所述光脈沖經(jīng)過光纖環(huán)形器進入傳感光纖生成后向瑞利散射光；所述瑞利散射光進入光接收單元轉(zhuǎn)換成電信號，最后進入高速AD采集卡；所述同步信號控制高速AD采集卡對瑞利散射光電信號的采集，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)定標、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正；所述微處理器系統(tǒng)接收所述高速AD采集卡預(yù)處理的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出的光纖輻射傳感系統(tǒng)及其傳感方法，具有光時域反射技術(shù)定位精度高和干輻射導(dǎo)致光纖材料的吸收損耗變化靈敏度好的特點。
文檔編號G01J1/42GK101793533SQ201010123470
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者仝芳軒, 周正仙, 席剛, 楊斌, 皋魏 申請人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司