一種光纖溫度振動(dòng)傳感器及綜合監(jiān)控系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光纖傳感及安全防護(hù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度信息及振動(dòng)信息的光纖溫度振動(dòng)傳感器及綜合監(jiān)控系統(tǒng)和方法，其特征在于包括脈沖激光器、2*2光耦合器、第一傳感光纖、波分復(fù)用器、第二傳感光纖、背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊，相干光信號(hào)光電接收模塊，分別與背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊以及相干光信號(hào)光電接收模塊的輸出端相連接的數(shù)據(jù)采集單元，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有更高的振動(dòng)檢測(cè)靈敏度。
【專利說(shuō)明】一種光纖溫度振動(dòng)傳感器及綜合監(jiān)控系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感及安全防護(hù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度信息及振動(dòng)信息的光纖溫度振動(dòng)傳感器及綜合監(jiān)控系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖溫度傳感器是利用光纖自發(fā)拉曼散射光強(qiáng)受溫度調(diào)制的原理和光時(shí)域反射原理而組成的分布式光纖拉曼溫度傳感器，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。由于它可以在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)的溫度及其變化的趨勢(shì)，設(shè)置報(bào)警溫度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一種本質(zhì)安全型的線型感溫探測(cè)器，已成功應(yīng)用于石油石化、電力及港口等領(lǐng)域。
[0003]光纖周界安防作為新一代周界報(bào)警系統(tǒng)，有很強(qiáng)的軍用及民用價(jià)值，可以用于監(jiān)獄、重要軍事目標(biāo)、武器庫(kù)等周界的安防監(jiān)控，還可以用于核電站、石油石化等重要設(shè)施的周界安防監(jiān)控，光纖周界安防主要采用了光纖振動(dòng)傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)邊界小范圍內(nèi)環(huán)境應(yīng)力變化對(duì)光纖的影響，分析入侵振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其僅行判斷和報(bào)警。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，中國(guó)專利CN200910099463.7公布了一種全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器，采用瑞利散射信號(hào)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)、拉曼散射光進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，但該方案應(yīng)力大小與光纖損耗關(guān)系采用仿真模型計(jì)算，精度不高。中國(guó)專利CN201010566517.9公布的一種融合光纖布里淵頻移器的分布式光纖布里淵傳感器，采用布里淵技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度及應(yīng)力的同步測(cè)量，但該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴。中國(guó)專利CN201210059875.X公布的一種同時(shí)測(cè)量振動(dòng)和溫度的分布式光纖傳感裝置及方法，采用瑞利自相干進(jìn)行振動(dòng)的檢測(cè)及定位，但定位精度較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)成本低、準(zhǔn)確可靠，特別適用于溫度和振動(dòng)同時(shí)檢測(cè)應(yīng)用環(huán)境的光纖溫度振動(dòng)傳感器及綜合監(jiān)控系統(tǒng)和方法。
[0006]本發(fā)明可以通過(guò)以下措施達(dá)到:
一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，設(shè)有測(cè)溫環(huán)路、振動(dòng)相干環(huán)路以及位置判定環(huán)路，其特征在于包括設(shè)有測(cè)溫環(huán)路、振動(dòng)相干環(huán)路以及位置判定環(huán)路，其特征在于包括脈沖激光器、與脈沖激光器輸出端相連接的2*2光耦合器、與2*2光耦合器的一路輸出端經(jīng)光纖延遲線相連接的第一傳感光纖、輸入端與2*2光耦合器的第二個(gè)輸出端相連接的波分復(fù)用器、與波分復(fù)用器的COM端相連接的第二傳感光纖、分別與波分復(fù)用器的輸出端相連接的依次用于接收第二傳感光纖輸出的背向拉曼反斯托克斯光信號(hào)、背向拉曼斯托克斯光信號(hào)以及瑞利散射信號(hào)的背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊，與2*2光耦合器的輸出端相連接的用于接收由第一傳感光纖以及第二傳感光纖輸出的兩路背向瑞利散射信號(hào)相干后信號(hào)的相干光信號(hào)光電接收模塊，分別與背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊以及相干光信號(hào)光電接收模塊的輸出端相連接的數(shù)據(jù)采集單元。
[0007]本發(fā)明中所述數(shù)據(jù)采集單元中設(shè)有用于接收背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊輸出的電信號(hào)的背向光接收電路、輸出端分別與脈沖激光器、背向光接收電路、以及間隔采集電路相連接的脈沖觸發(fā)電路，輸入端與相干光信號(hào)光電接收模塊相連接的間隔采集電路，與背向光接收電路輸出端相連接的累加處理電路，以及分別與累加處理電路、間隔采集電路相連接的上傳電路。
[0008]本發(fā)明中脈沖光纖激光器的中心波長(zhǎng)可以為1550nm，脈沖寬度10ns，重復(fù)頻率IOKHz,峰值功率20W，譜寬0.1nm ;2*2光纖耦合器，對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)為1550nm，分光比為50:50，插入損耗〈0.7dB ;對(duì)應(yīng)的波分復(fù)用器由中心波長(zhǎng)1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長(zhǎng)1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片，以及與Rayleigh散射光濾波片相連的1*2耦合器構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集單元，采樣率分為100MSPS和10KSPS，100MSPS采樣率對(duì)應(yīng)的模擬輸入通道數(shù)為3，IOKMSPS采樣率對(duì)應(yīng)的模擬輸入通道數(shù)為1，ADC精度為12bits。
[0009]本發(fā)明中所述測(cè)溫環(huán)路由脈沖激光器、波分復(fù)用器、第二傳感光纖、背向反斯托克斯光電接收模塊、背向斯托克斯光電接收模塊和數(shù)據(jù)采集單元組成。
[0010]本發(fā)明中所述振動(dòng)相干環(huán)路由脈沖激光器、2*2耦合器、光纖延遲線、波分復(fù)用器、第一傳感光纖、背向瑞利散射信號(hào)光電接收模塊和數(shù)據(jù)采集單元組成。
[0011]本發(fā)明所述位置判定電路由脈沖激光器、波分復(fù)用器、第一傳感光纖、第二傳感光纖、光電接收模塊和數(shù)據(jù)采集單元組成。
[0012]本發(fā)明中所述數(shù)據(jù)采集單元在接收背向拉曼斯托克斯光、背向拉曼反斯托克斯光和瑞利散射信號(hào)信號(hào)接收電路的采樣頻率與脈沖寬度有如下關(guān)系:Ssf=100/X，中:Ssf為采樣頻率，單位:MSPS，X為脈沖寬度，單位為ns。
[0013]本發(fā)明中所述數(shù)據(jù)采集單元在接收瑞利相干光信號(hào)接收電路的采樣頻率與脈沖寬度有如下關(guān)系:Srf=100/X，其中:S,f為采樣頻率，單位:KSPS，X為脈沖寬度，單位為ns。
[0014]本發(fā)明脈沖寬度與傳感器重復(fù)頻率和測(cè)量距離有如下關(guān)系:fs=100/X，Ls=100/X，其中:fs為重復(fù)頻率，單位:KHz, Ls為測(cè)量距離,單位為Km, X為脈沖寬度，單位為ns。
[0015]—種光纖溫度振動(dòng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)有工控機(jī)以及與工控機(jī)相連接的光纖溫度震動(dòng)傳感器，其特征在于光纖溫度振動(dòng)傳感器采用上述結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集單元經(jīng)上傳電路將接收到的拉曼散射信號(hào)、瑞利信號(hào)和瑞利相干信號(hào)經(jīng)USB總線上傳至工控機(jī)。
[0016]一種光纖溫度振動(dòng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的使用方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1:數(shù)據(jù)采集單元向脈沖激光器發(fā)送脈沖觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)脈沖激光器輸出脈沖光；步驟2:脈沖激光器輸出的光信號(hào)經(jīng)2*2耦合器后，50%光經(jīng)光纖延遲線進(jìn)入第一傳感光纖，另50%光經(jīng)波分復(fù)用器的com端進(jìn)入第二傳感光纖；
步驟3:光信號(hào)進(jìn)入傳感光纖后，第二傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射拉曼光信號(hào)及瑞利散射信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器分成斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射信號(hào)，分別由與波分復(fù)用器相連接的相應(yīng)的光電接收模塊接收，同時(shí)第二傳感光纖中的瑞利散射信號(hào)信號(hào)進(jìn)入2*2耦合器的一路輸入端，第一傳感光纖中產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)經(jīng)光纖延遲線3進(jìn)入2*2耦合器的另一路輸入端，兩路光纖產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)在2*2耦合器發(fā)生干涉，產(chǎn)生的相干光信號(hào)由與其相連的相干光信號(hào)光電接收模塊接收；步驟4:數(shù)據(jù)采集單元中的背向光接收電路接收背向散射斯托克斯光、背向散射反斯托克斯光以及瑞利散射信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)由背向光接收電路進(jìn)行采集，并由累加處理電路進(jìn)行累加處理，光纖中經(jīng)2*2耦合器輸出的瑞利干涉的輸出電信號(hào)由間隔采集電路進(jìn)行采集，經(jīng)累加處理電路及間隔采用電路采集的數(shù)據(jù)由與其相連的上傳電路上傳至工控機(jī)；步驟5:工控機(jī)接收由數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)反斯托克斯與斯托克斯電信號(hào)強(qiáng)度比與溫度成正比的關(guān)系，上位機(jī)將傳感光纖上的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出光纖所處位置處的溫度信息，根據(jù)入侵產(chǎn)生的相位差，通過(guò)檢測(cè)干涉信號(hào)的信號(hào)判定是否發(fā)生入侵，根據(jù)瑞利散射信號(hào)對(duì)應(yīng)力敏感的特性，監(jiān)測(cè)光纖應(yīng)力變化，確定應(yīng)力位置，輸出入侵地點(diǎn)。
[0017]本發(fā)明中測(cè)溫環(huán)路根據(jù)以下原理獲得待測(cè)區(qū)域的溫度信息:當(dāng)入射激光與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個(gè)聲子成為斯托克斯散射光子，吸收一個(gè)聲子成為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為13.2THz。纖分子能級(jí)上的粒子數(shù)熱分布服從波爾茲曼定律，反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比R(T)與溫度相關(guān)，其表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，設(shè)有測(cè)溫環(huán)路、振動(dòng)相干環(huán)路以及位置判定環(huán)路，其特征在于包括設(shè)有測(cè)溫環(huán)路、振動(dòng)相干環(huán)路以及位置判定環(huán)路，其特征在于包括脈沖激光器、與脈沖激光器輸出端相連接的2*2光耦合器、與2*2光耦合器的一路輸出端經(jīng)光纖延遲線相連接的第一傳感光纖、輸入端與2*2光耦合器的第二個(gè)輸出端相連接的波分復(fù)用器、與波分復(fù)用器的COM端相連接的第二傳感光纖、分別與波分復(fù)用器的輸出端相連接的依次用于接收第二傳感光纖輸出的背向拉曼反斯托克斯光信號(hào)、背向拉曼斯托克斯光信號(hào)以及瑞利散射信號(hào)的背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊，與2*2光耦合器的輸出端相連接的用于接收由第一傳感光纖以及第二傳感光纖輸出的兩路背向瑞利散射信號(hào)相干后信號(hào)的相干光信號(hào)光電接收模塊，分別與背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊以及相干光信號(hào)光電接收模塊的輸出端相連接的數(shù)據(jù)采集單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集單元中設(shè)有用于接收背向反斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、背向斯托克斯信號(hào)光電接收模塊、瑞利散射信號(hào)光電接收模塊輸出的電信號(hào)的背向光接收電路、輸出端分別與脈沖激光器、背向光接收電路、以及間隔采集電路相連接的脈沖觸發(fā)電路，輸入端與相干光信號(hào)光電接收模塊相連接的間隔采集電路，與背向光接收電路輸出端相連接的累加處理電路，以及分別與累加處理電路、間隔采集電路相連接的上傳電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，其特征在于脈沖光纖激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm，脈沖寬度10ns，重復(fù)頻率IOKHz，峰值功率20W，譜寬0.1nm ;2*2光纖耦合器，對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)為1550nm，分光比為50:50，插入損耗〈0.7dB ;對(duì)應(yīng)的波分復(fù)用器由中心波長(zhǎng)1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長(zhǎng)1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片，以及與Rayleigh散射光濾波片相連的1*2耦合器構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集單元，采樣率分為100MSPS和10KSPS，100MSPS采樣率對(duì)應(yīng)的模擬輸入通道數(shù)為3，IOKMSPS采樣率對(duì)應(yīng)的模擬輸入通道數(shù)為1，ADC精度為12bits。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集單元在接收背向拉曼斯托克斯光、背向拉曼反斯托克斯光和瑞利散射信號(hào)信號(hào)接收電路的采樣頻率與脈沖寬度有如下關(guān)系:Ssf=100/X，中:Ssf為采樣頻率，單位:MSPS，X為脈沖寬度，單位為nso
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集單元在接收瑞利相干光信號(hào)接收電路的采樣頻率與脈沖寬度有如下關(guān)系:Srf=100/X，其中采樣頻率，單位:KSPS，X為脈沖寬度，單位為ns。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖溫度振動(dòng)傳感器，其特征在于脈沖寬度與傳感器重復(fù)頻率和測(cè)量距離有如下關(guān)系:fs=100/X，Ls=100/X，其中:fs為重復(fù)頻率，單位:KHz，Ls為測(cè)量距離，單位為Km, X為脈沖寬度,單位為ns。
7.一種光纖溫度振動(dòng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)有工控機(jī)以及與工控機(jī)相連接的光纖溫度震動(dòng)傳感器，其特征在于光纖溫度振動(dòng)傳感器為如權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述，數(shù)據(jù)采集單元經(jīng)上傳電路將接收到的拉曼散射信號(hào)、瑞利信號(hào)和瑞利相干信號(hào)經(jīng)USB總線上傳至工控機(jī)。
8.—種如權(quán)利要求1所述的光纖溫度振動(dòng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的使用方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:數(shù)據(jù)采集單元向脈沖激光器發(fā)送脈沖觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)脈沖激光器輸出脈沖光；步驟2:脈沖激光器輸出的光信號(hào)經(jīng)2*2耦合器后，50%光經(jīng)光纖延遲線進(jìn)入第一傳感光纖，另50%光經(jīng)波分復(fù)用器的com端進(jìn)入第二傳感光纖； 步驟3:光信號(hào)進(jìn)入傳感光纖后，第二傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射拉曼光信號(hào)及瑞利散射信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器分成斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射信號(hào)，分別由與波分復(fù)用器相連接的相應(yīng)的光電接收模塊接收，同時(shí)第二傳感光纖中的瑞利散射信號(hào)信號(hào)進(jìn)入2*2耦合器的一路輸入端，第一傳感光纖中產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)經(jīng)光纖延遲線3進(jìn)入2*2耦合器的另一路輸入端，兩路光纖產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)在2*2耦合器發(fā)生干涉，產(chǎn)生的相干光信號(hào)由與其相連的相干光信號(hào)光電接收模塊接收； 步驟4:數(shù)據(jù)采集單元中的背向光接收電路接收背向散射斯托克斯光、背向散射反斯托克斯光以及瑞利散射信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)由背向光接收電路進(jìn)行采集，并由累加處理電路進(jìn)行累加處理，光纖中經(jīng)2*2耦合器輸出的瑞利干涉的輸出電信號(hào)由間隔采集電路進(jìn)行采集，經(jīng)累加處理電路及間隔采用電路采集的數(shù)據(jù)由與其相連的上傳電路上傳至工控機(jī)；步驟5:工控機(jī)接收由數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)反斯托克斯與斯托克斯電信號(hào)強(qiáng)度比與溫度成正比的關(guān)系，上位機(jī)將傳感光纖上的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出光纖所處位置處的溫度信息，根據(jù)入侵產(chǎn)生的相位差，通過(guò)檢測(cè)干涉信號(hào)的信號(hào)判定是否發(fā)生入侵，根據(jù)瑞利散射信號(hào)對(duì)應(yīng)力敏感的特性，監(jiān)測(cè)光纖應(yīng)力變化，確定應(yīng)力位置，輸出入侵地點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK103616089SQ201310641014
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】李德和, 王建強(qiáng), 夏俊玲, 史振國(guó) 申請(qǐng)人:威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司