本發(fā)明屬于光纖傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種分布式傳感器及傳感方法。

背景技術(shù)：

瑞利散射是光纖材料的固有特性，當短光脈沖注入傳感光纖并沿著傳感光纖向前傳播時，所到之處將發(fā)生瑞利散射，是光時域反射儀(OTDR)工作的理論基礎。利用OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，可以測量整個光纖鏈路的衰減并提供與長度有關(guān)的衰減細節(jié)，具體表現(xiàn)為探測、定位和測量光纖鏈路上任何位置的事件，例如光纖鏈路中熔接、連接器、彎曲等形成的缺陷等，是光纖光纜生產(chǎn)、施工、維護中不可缺少的儀器。

目前基于OTDR對溫度和應力進行分布式傳感的方法，有如下兩個問題：1、一般需要外接一個專門的OTDR儀器，現(xiàn)在主流的廠家有美國PK(PhotonKinetics)、日本安立(ANRITSU)、美國激光精密(GN Nettest)、愛立信(Ericsson)、EXFO等，然而其成本都比較昂貴；2、傳感光纖一般是普通商用的單模光纖或多模光纖，其對溫度和應力的敏感性不是特別好。

為此，研究一種傳感能力強且成本較低的分布式傳感器及傳感方法具有重要的實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種分布式傳感器，該傳感器無需使用昂貴的OTDR儀器，通過采用一信號采集處理模塊和脈沖發(fā)生器，即可實現(xiàn)傳感光纖發(fā)生瑞利散射，進而進行傳感，具有系統(tǒng)組裝簡便、成本低且傳感能力強的優(yōu)點。

本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于上述分布式傳感器的傳感方法，該傳感方法控制簡便，傳感能力強。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種分布式傳感器，包括脈沖發(fā)生器、激光光源、光纖環(huán)行器、傳感光纖、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號采集處理模塊，其中，脈沖發(fā)生器的輸入端口與信號采集處理模塊的脈沖輸出端口相連接，信號采集處理模塊控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖信號；脈沖發(fā)生器的輸出端口與激光光源的輸入端口連接，激光光源在電脈沖信號的驅(qū)動下產(chǎn)生相應的激光脈沖信號；激光光源的輸出端口、傳感光纖、光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口均通過光纖分別與光纖環(huán)行器的端口連接，激光光源產(chǎn)生的激光脈沖信號經(jīng)過光纖環(huán)行器耦合到傳感光纖中，背向瑞利散射光沿傳感光纖經(jīng)過光纖環(huán)行器的出射端口進入光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口與信號采集處理模塊相連接。

本發(fā)明通過信號采集處理模塊、脈沖發(fā)生器的共同作用，使得激光光源產(chǎn)生相應的激光脈沖信號，利用電信號的強度隨時間的變化可表征檢測到的背向瑞利散射光的光功率隨時間的變化，進而得到傳感光纖沿途的待測環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了光纖的分布式傳感。

優(yōu)選的，所述傳感光纖采用一塑料包層光纖，塑料包層光纖芯層材料是二氧化硅，包層材料是有機硅。這種光纖對溫度和應力的感知能力比傳統(tǒng)的單模光纖要高，并且還可用于油性液體或揮發(fā)性有機氣體的測量，可以提高傳感器的傳感能力。

優(yōu)選的，所述信號采集處理模塊包括FPGA主控芯片、脈沖輸出端口、信號采集模塊，所述信號采集模塊的輸入端與光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口相連，輸出端與FPGA主控芯片相連，F(xiàn)PGA主控芯片通過脈沖輸出端口與脈沖發(fā)生器相連。從而可利用FPGA并行計算特點，提高信號處理速度，降低成本。

優(yōu)選的，所述激光光源采用脈沖激光光源。

優(yōu)選的，所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括依次相連的雪崩光電二極管(APD)、放大電路以及濾波電路。從而可在信號噪聲比較小的前提下，盡量提高光電轉(zhuǎn)換信號的幅度。

一種基于上述分布式傳感器的傳感方法，步驟是：通過信號采集處理模塊控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電脈沖信號，進而控制激光光源產(chǎn)生激光脈沖信號，光纖環(huán)行器將激光脈沖信號耦合到傳感光纖中并向前傳播，使激光脈沖信號在傳感光纖內(nèi)發(fā)生背向瑞利散射，將背向瑞利散射光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電信號，并對轉(zhuǎn)換后的電信號進行采集處理分析，從而得到背向瑞利散射光的強度；根據(jù)該強度與傳感光纖未受到環(huán)境變化影響時得到的參考信號的關(guān)系，反推出傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)；最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號采樣率得出待測環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，實現(xiàn)光纖分布式檢測。

具體的，包括以下步驟：

(1)將傳感光纖置于待檢測環(huán)境中，開啟脈沖發(fā)生器、激光光源、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號采集處理模塊；

(2)信號采集處理模塊發(fā)出同步信號到脈沖發(fā)生器，觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定脈沖寬度的規(guī)則的短脈沖電信號去激勵激光光源；

(3)激光光源發(fā)出的激光脈沖信號經(jīng)過光纖環(huán)行器，進入傳感光纖并向前傳播，激光脈沖信號在傳感光纖內(nèi)發(fā)生瑞利散射，其中背向散射光信號通過光纖環(huán)行器傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生相應的電信號；

(4)信號采集處理模塊在每個同步信號發(fā)出的同時，開始按照一定的采樣率采集一定數(shù)量的光電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的電信號；

(5)信號采集處理模塊在傳感光纖未受到環(huán)境變化影響時，采集對應的背向散射光信號產(chǎn)生的電信號作為參考(標定)信號；然后將步驟(4)傳感光纖置于待檢測環(huán)境中時獲得的電信號與上述參考信號作差，得到兩者的差分信號，再從差分信號的變化趨勢推斷傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)；最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號采樣率得出待測環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，實現(xiàn)光纖分布式檢測。

優(yōu)選的，步驟(4)中，信號采集處理模塊在采集電信號時，采用多次采集求平均值的處理方式。從而可以有效降低信號的噪聲，提高信號的信噪比，從而提高測量的精確度。

優(yōu)選的，步驟(5)中，根據(jù)光在傳感光纖中的傳輸速度和信號采樣率得出待測環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，具體步驟是：

結(jié)合光時域反射測量的原理，由于光在傳感光纖中的傳播速度其中c是光速，n是傳感光纖的折射率，可以得出測量的距離其中t是信號發(fā)射后到接收到信號(雙程)的總時間，再結(jié)合信號采集處理模塊的采樣率，得到一個采樣點對應的光在傳感光纖中傳播了多長時間以及多長的距離，從而定位傳感光纖鏈路上發(fā)生異常的地方。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明通過采用信號采集處理模塊控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖信號，以此來驅(qū)動激光光源產(chǎn)生相應的激光脈沖信號，當激光脈沖信號在塑料包層光纖中傳輸時，由于外界環(huán)境(例如溫度、壓力、油性液體或者揮發(fā)性有機氣體)的變化，都將改變塑料光纖包層和芯層之間的有效折射率差，從而導致該點處光纖的損耗發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對光纖沿線的待測參量的分布式檢測，相比于現(xiàn)有傳感器，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設備成本低的優(yōu)點。

2、本發(fā)明中提出采用一種塑料包層光纖，塑料包層光纖芯層材料是二氧化硅，包層材料是有機硅，利用塑料包層光纖的背向瑞利散射效應來實現(xiàn)分布式光纖傳感。由于塑料包層光纖的材料特性，其對溫度和應力的敏感性比現(xiàn)有技術(shù)中所用的普通光纖的敏感性高，并且還可用于油性液體或揮發(fā)性有機氣體的測量，提高了光纖對周圍環(huán)境的感知能力，提高了系統(tǒng)測量靈敏度。

3、與基于拉曼效應的分布式拉曼光纖傳感技術(shù)以及基于布里淵效應的分布式布里淵光纖傳感技術(shù)相比，分布式拉曼光纖傳感技術(shù)對激光光源的光功率要求較高，而激光光功率較高時，若使用不當會損害一些光學元器件，從而影響信號測量；而分布式布里淵光纖傳感技術(shù)則需要很多昂貴精密的元器件，導致成本高，比如激光器是窄線寬的10khz，以及偏振需要特別控制、需要擾偏器等。本發(fā)明采用以FPGA為主控芯片的信號采集處理模塊替代專門的OTDR儀器，從而可以大大降低傳感器的成本。

附圖說明

圖1是本實施例傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實施例傳感器的塑料包層光纖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)-(c)是本實施例裝置的信號檢測分析示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

如圖1所示，本實施例一種分布式傳感器，包括脈沖發(fā)生器1-1、激光光源1-2、光纖環(huán)行器1-3、光電轉(zhuǎn)換模塊1-4、信號采集處理模塊1-5和傳感光纖1-6。其中脈沖發(fā)生器1-1的輸入端口與信號采集處理模塊1-5的脈沖輸出端口(圖中虛線)相連接；脈沖發(fā)生器1-1的輸出端口與激光光源1-2的輸入端口1-2-1連接；激光光源的輸出端口1-2-2、傳感光纖1-6、光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口1-4-1分別與光纖環(huán)行器的1-3-1、1-3-2、1-3-3端口連接，光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口1-4-2與信號采集處理模塊1-5相連接，從而構(gòu)成一個完整的基于塑料包層光纖的分布式傳感器。

本實施例中，傳感光纖1-6的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其芯層2-1材料是石英，包層2-2材料是有機硅，具有表面張力低、粘溫系數(shù)小、壓縮性高、防水和高油性物質(zhì)滲透性等基本性質(zhì)，因而對傳感光纖所處的環(huán)境比較敏感，能有效的對傳感光纖所處的環(huán)境實施檢測。

本實施例中，信號采集處理模塊包括FPGA主控芯片、脈沖輸出端口、信號采集模塊，所述信號采集模塊的輸入端與光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口相連，輸出端與FPGA主控芯片相連，F(xiàn)PGA主控芯片通過脈沖輸出端口與脈沖發(fā)生器相連。實際應用中可利用現(xiàn)有FPGA主控芯片內(nèi)部資源設計信號采集模塊。上述模塊一方面可以極大的提高對信號處理的速度，提高實時性，另一方面利用FPGA并行計算特點，將算法用FPGA實現(xiàn)，可以降低成本。

本實施例中，光纖對包層和芯層的尺寸沒有嚴格限制，只要能束縛光在里面?zhèn)鞑ゼ纯伞Ｃ}沖發(fā)生器可采用現(xiàn)有的脈沖發(fā)生器，但其產(chǎn)生的短脈沖電信號要幅度波形比較好，防止驅(qū)動激光光源的脈沖過沖過大損壞激光器。光纖環(huán)行器可采用現(xiàn)有的普通環(huán)形器。通過采用上述器件構(gòu)建本實施例所述系統(tǒng)，在實現(xiàn)上和成本上較現(xiàn)有的產(chǎn)品更加簡潔、方便、便宜，因此大大降低了系統(tǒng)信號解調(diào)的技術(shù)難度，并節(jié)省解調(diào)時間，具有較大的推廣應用價值。

本實施例所述傳感器采用如下的傳感方法：通過信號采集模塊發(fā)出完全同步的電脈沖信號，使之驅(qū)動脈沖發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖信號，最終觸發(fā)激光光源產(chǎn)生相應的激光脈沖信號；將激光脈沖信號注入光纖環(huán)行器，再耦合到傳感光纖中，當激光脈沖信號沿著傳感光纖向前傳播時，將在傳感光纖內(nèi)部發(fā)生瑞利散射，通過采集背向瑞利散射光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電信號，并分析其與參考信號的關(guān)系推斷出傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號采樣率可以得出待測環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，從而實現(xiàn)光纖的分布式傳感。

具體的，包括以下步驟：

(1)將傳感光纖1-6置于待檢測環(huán)境中，開啟脈沖發(fā)生器1-1、激光光源1-2、光電轉(zhuǎn)換模塊1-4、信號采集處理模塊1-5；

(2)信號采集處理模塊1-5發(fā)出的普通脈沖電信號經(jīng)過脈沖發(fā)生器1-1產(chǎn)生比較規(guī)則的脈沖電信號，最終觸發(fā)激光光源1-2產(chǎn)生相應的激光脈沖信號；激光脈沖信號通過光纖環(huán)行器1-3耦合到傳感光纖1-6后，其背向瑞利散射光信號最終耦合出光纖環(huán)行器的1-3-3端口，然后經(jīng)過光電檢測模塊1-4轉(zhuǎn)換成電信號，并用信號采集處理模塊1-5對該電信號進行實時采集和降噪處理。

(3)在傳感光纖1-6未受到環(huán)境變化影響時，采集背向瑞利散射信號作為標定(參考)信號；然后將傳感光纖置于所要監(jiān)測的環(huán)境中獲得傳感信號，然后將兩者作差，得到兩者的差分信號，再從差分信號的變化趨勢推斷傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號采樣率得出待測環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，實現(xiàn)光纖分布式檢測。

步驟(5)中，根據(jù)差分信號的變化趨勢推斷傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，具體步驟是：首先，將傳感光纖放在普通環(huán)境中，在不加外界干擾因素時，開啟傳感器，進行設備校準后會得到標定信號圖3(a),然后，將傳感光纖放置在待測環(huán)境中，當有外界因素干擾時，就會得到圖3(b)，最后將圖3(a)中的信號減去圖3(b)中的信號，就可以得到圖3(c)中的信號。

步驟(5)中，根據(jù)光在傳感光纖中的傳輸速度和信號采樣率得出待測環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，具體步驟是：

結(jié)合光時域反射測量的原理，由于光在傳感光纖中的傳播速度其中c是光速，n是傳感光纖的折射率，可以得出測量的距離其中t是信號發(fā)射后到接收到信號(雙程)的總時間，再結(jié)合信號采集處理模塊的采樣率，得到一個采樣點對應的光在傳感光纖中傳播了多長時間以及多長的距離，從而定位傳感光纖鏈路上發(fā)生異常的地方。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。