專利名稱：一種同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全光纖傳感以及安全防護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及同時測量寬帶振動和溫度的分布式光纖傳感測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代社會中，石油、化工、冶金、電力等工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，且和人民生活息息相關(guān)。這些工業(yè)場所一旦發(fā)生火災(zāi)以及安全事故，將給國家財產(chǎn)和人民生命安全帶來巨大的損失。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力、石化、冶金等行業(yè)的投資規(guī)模不斷擴(kuò)大，大量易燃、易爆、高危險、高災(zāi)害的工業(yè)場所的安防工作任務(wù)艱巨。除此之外，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會安全形勢也日益嚴(yán)峻，所有這些，都對安全防衛(wèi)預(yù)警系統(tǒng)提出新的要求。多年來，傳統(tǒng)的周界安防解決方案(泄漏電纜方案、振動電纜方案、電子圍欄、電網(wǎng)等)為社會平安保障做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)，但受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，還存在著一些共性或個性不足，如泄露電纜和振動電纜報警屬于電纜傳感，傳感部分都是有源的， 系統(tǒng)功耗很大；電子圍欄、電網(wǎng)等方案又有一定危害性。上述方案可監(jiān)測的距離較短，單位距離成本高，在需要進(jìn)行長距離監(jiān)測的情況下，系統(tǒng)造價高昂。且傳感器單元的壽命較短， 長時間連續(xù)使用，維護(hù)成本較高；干擾機(jī)會增多(電磁干擾、信號干擾、串?dāng)_等)，靈敏性下降，誤報率、漏報率上升等；對于大范圍監(jiān)控，以上傳統(tǒng)方案本身沒有定位功能，遇上侵入行為，無法定位。這意味著無法及時、準(zhǔn)確地確定危險地點(火災(zāi)或者入侵)，無法及時采取制止措施阻止危險導(dǎo)致核心區(qū)域失密、被破壞。針對傳統(tǒng)安防系統(tǒng)存在的問題,有人提出用光時域反射儀(Optical Time Domain Reflector, OTDR)來實現(xiàn)振動入侵傳感系統(tǒng)，如B0TDA/R技術(shù)(如OZ公司的Foresight 系列產(chǎn)品)雖然能同時實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的檢測，但該技術(shù)主要適用于檢測應(yīng)變信號，測量時間在秒量級(帶寬在Hz量級)，這大大限制了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，無法滿足大振動頻率 (> KHz)的要求，容易出現(xiàn)漏報等問題。因此存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種成本低、穩(wěn)定性好同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置，以及利用上述傳感裝置的進(jìn)行振動、溫度測量的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置，包括依次連接的光源和傳感光纖；所述傳感裝置進(jìn)一步包括耦合器，所述耦合器用于將傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號耦合進(jìn)分光模塊；分光模塊，所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出瑞利散射光信號和拉曼散射光信號，并傳送到探測器模塊；探測器模塊，所述探測器模塊用于將所述瑞利散射光信號轉(zhuǎn)換為第一信號，將所述拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換為第二信號，并分別傳送到信號處理模塊；信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖感知的振動和溫度。根據(jù)上述的分布式光纖傳感裝置，優(yōu)選地，所述分光模塊是光柵或濾波器或棱鏡。根據(jù)上述的分布式光纖傳感裝置，可選地，所述傳感裝置進(jìn)一步包括環(huán)形器，所述光源發(fā)出的光通過環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號傳輸?shù)剿鲴詈掀?。根?jù)上述的分布式光纖傳感裝置，優(yōu)選地，所述光源為脈沖光源。根據(jù)上述的分布式光纖傳感裝置，可選地，所述傳感裝置進(jìn)一步包括光調(diào)制器，所述光調(diào)制器用于將所述光源發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光；驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊的輸出端連接所述光調(diào)制器；所述光源為連續(xù)光源。本發(fā)明的目的是還通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種利用分布式光纖傳感裝置同時檢測振動和溫度的方法，所述方法包括以下步驟(Al)脈沖光進(jìn)入感知外界振動和溫度的傳感光纖中，產(chǎn)生的瑞利散射光和拉曼散射光進(jìn)入耦合器；(A2)耦合器將所述瑞利散射光和拉曼散射光耦合進(jìn)分光模塊；(A3)分光模塊分離出所述瑞利散射光和拉曼散射光，并由探測器模塊轉(zhuǎn)換為第一
信號和第二信號；(A4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述外界振動和
溫度信息。根據(jù)上述的方法，可選地，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(BI)光源發(fā)出的連續(xù)光被調(diào)制為脈沖光。根據(jù)上述的方法，優(yōu)選地，所述光源為窄線寬激光器。根據(jù)上述的方法，可選地，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(Cl)所述光源發(fā)出的光通過環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號傳輸?shù)剿鲴詈掀?。根?jù)上述的方法，可選地，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(Dl)判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值，若超過閾值，則提示報警。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明利用一套光路系統(tǒng)，實現(xiàn)了長距離分布式溫度和振動的同步傳感，大大降低了成本；分布式振動傳感采用了瑞利散射光的干涉技術(shù)，其檢測帶寬遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的分布式光纖傳感器帶寬可以達(dá)到KHz量級，可以適用于更廣的領(lǐng)域，如入侵檢測等。利用了窄線寬激光器，顯著地提高了穩(wěn)定性。


參照附圖，本發(fā)明的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是這些附圖僅僅用于舉例說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而并非意在對本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。 圖中圖I是本發(fā)明實施例I的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明實施例I的方法的流程圖；圖3是本發(fā)明實施例2的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明實施例2的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1-4和以下說明描述了本發(fā)明的可選實施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導(dǎo)本發(fā)明技術(shù)方案，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可選實施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。實施例I :圖I示意性地給出了本發(fā)明實施例的同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖I所示，所述傳感裝置包括依次連接的光源和傳感光纖；所述光源可采用激光器，如窄線寬的脈沖式半導(dǎo)體激光器；所述傳感裝置進(jìn)一步包括耦合器，所述耦合器用于將傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號耦合到分光模塊；分光模塊，所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出瑞利散射光信號和拉曼散射光信號，并傳送到探測器模塊；可選地，所述分光模塊采用光柵、濾波器或棱鏡等分光器件，如第一濾波器和第二濾波器。探測器模塊，所述探測器模塊用于將所述瑞利散射光信號轉(zhuǎn)換為第一信號，將所述拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換為第二信號，并分別傳送到信號處理模塊；可選地，所述探測器模塊包括第一光電探測器和第二光電探測器。信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖感知的振動和溫度。所述信號處理模塊采用電路或軟件來實現(xiàn)，圖2示意性地給出了利用上述分布式光纖傳感裝置同時檢測振動和溫度的方法， 如圖2所示，所述方法包括以下步驟(Al)脈沖光進(jìn)入感知外界振動和溫度的傳感光纖中，產(chǎn)生的瑞利散射光和拉曼散射光通過環(huán)形器進(jìn)入耦合器；(A2)稱合器將所述瑞利散射光和拉曼散射光稱合進(jìn)分光模塊；(A3)分光模塊分離出所述瑞利散射光和拉曼散射光，并由探測器模塊轉(zhuǎn)換為第一
信號和第二信號；(A4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述外界振動和
溫度信息。根據(jù)上述的方法，優(yōu)選地，所述光源為窄線寬激光器。實施例2 圖3示意性地給出了本發(fā)明實施例的同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示，所述傳感裝置包括依次連接的光源、環(huán)形器和傳感光纖；所述光源可采用激光器，如窄線寬的連續(xù)式半導(dǎo)體激光器；所述傳感裝置進(jìn)一步包括耦合器，所述耦合器用于將接收到的所述環(huán)形器的輸出光信號耦合到分光模塊；分光模塊，所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出瑞利散射光信號和拉曼散射光信號，并傳送到探測器模塊；可選地，所述分光模塊采用光柵、濾波器或棱鏡等分光器件，如第一濾波器和第二濾波器。探測器模塊，所述探測器模塊用于將所述瑞利散射光信號轉(zhuǎn)換為第一信號，將所述拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換為第二信號，并分別傳送到信號處理模塊；可選地，所述探測器模塊包括第一光電探測器和第二光電探測器。信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖感知的振動和溫度。所述信號處理模塊采用電路或軟件來實現(xiàn)，光調(diào)制器，所述光調(diào)制器用于將所述光源發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光；驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊的輸出端連接所述光調(diào)制器。光放大器，所述光放大器設(shè)置在光源和環(huán)形器之間。判斷模塊，所述判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值；所述判斷模塊可采用電路或軟件來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方式是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。報警模塊，當(dāng)所述判斷模塊的判斷結(jié)果為是時，所述報警模塊提示報警，可采用聲、光或電的模式報警。圖4示意性地給出了利用上述分布式光纖傳感裝置同時檢測振動和溫度的方法， 如圖4所示，所述方法包括以下步驟(BI)光源發(fā)出的連續(xù)光被調(diào)制為脈沖光；(Al)脈沖光通過環(huán)形器進(jìn)入感知外界振動和溫度的傳感光纖中，產(chǎn)生的瑞利散射光和拉曼散射光通過環(huán)形器進(jìn)入耦合器；(A2)稱合器將所述瑞利散射光和拉曼散射光稱合進(jìn)分光模塊；(A3)分光模塊分離出所述瑞利散射光和拉曼散射光,并由探測器模塊轉(zhuǎn)換為第一
信號和第二信號；(A4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述外界振動和溫度信息；(Dl)判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值，若超過閾值，則提示報警模塊報警。根據(jù)上述的方法，優(yōu)選地，所述光源為窄線寬激光器。實施例3 根據(jù)實施例2中的傳感裝置及方法在振動和溫度同時測量中的應(yīng)用例。光源采用窄線寬激光器，具體為采用NP PHOTONICS的線寬< IOKHz的光纖激光器產(chǎn)品，具有極低的相位噪聲和相對強(qiáng)度噪聲。光調(diào)制器采用聲光調(diào)制器，具體為采用26所的高消光比調(diào)制器。光放大器米用低噪聲的摻鉺光纖放大器。環(huán)形器和稱合器為具有± IOOnm帶寬的光器件。信號處理模塊同時與第一光電探測器和第二光電探測器的輸出相連。信號處理模塊的同步信號輸出與調(diào)制器驅(qū)動模塊的輸入相連。在調(diào)制器驅(qū)動模塊的控制下，激光器發(fā)出的連續(xù)光信號轉(zhuǎn)換為脈沖光信號，脈沖寬度為500ns，脈沖周期為O. 5ms。信號處理模塊的硬件架構(gòu)上采用了數(shù)字處理芯片，采樣率為2MHz，對應(yīng)定位的精度為50m。通過信號處理模塊，計算得到發(fā)出激光脈沖和收到脈沖的時間差t。根據(jù)公式L = ct/(2n)計算得到振動發(fā)生的位置，其中c為光速，η為傳感光纖折射率，L為定位的距離。實施例4 根據(jù)實施例I中的傳感裝置及方法在振動和溫度同時測量中的應(yīng)用例。光源采用窄線寬脈沖半導(dǎo)體激光器，具有極低的相位噪聲和相對強(qiáng)度噪聲。耦合器為具有± IOOnm 帶寬的光器件。信號處理模塊同時與第一光電探測器和第二光電探測器的輸出相連。信號處理模塊的同步信號輸出與調(diào)制器驅(qū)動模塊的輸入相連。信號處理模塊的硬件架構(gòu)上采用了數(shù)字處理芯片，采樣率為2MHz，對應(yīng)定位的精度為50m。
權(quán)利要求
1.一種同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置，包括依次連接的光源和傳感光纖；其特征在于所述傳感裝置進(jìn)一步包括耦合器，所述耦合器用于將傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號耦合進(jìn)分光模塊；分光模塊，所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出瑞利散射光信號和拉曼散射光信號，并傳送到探測器模塊；探測器模塊，所述探測器模塊用于將所述瑞利散射光信號轉(zhuǎn)換為第一信號，將所述拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換為第二信號，并分別傳送到信號處理模塊；信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖感知的振動和溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述分光模塊是光柵或濾波器或棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述傳感裝置進(jìn)一步包括環(huán)形器，所述光源發(fā)出的光通過環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號傳輸?shù)剿鲴詈掀鳌?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述光源為脈沖光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述傳感裝置進(jìn)一步包括光調(diào)制器，所述光調(diào)制器用于將所述光源發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光；驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊的輸出端連接所述光調(diào)制器；所述光源為連續(xù)光源。
6.一種利用分布式光纖傳感裝置同時檢測振動和溫度的方法，所述方法包括以下步驟(Al)脈沖光進(jìn)入感知外界振動和溫度的傳感光纖中,產(chǎn)生的瑞利散射光和拉曼散射光進(jìn)入耦合器；(A2)耦合器將所述瑞利散射光和拉曼散射光耦合進(jìn)分光模塊；(A3)分光模塊分離出所述瑞利散射光和拉曼散射光，并由探測器模塊轉(zhuǎn)換為第一信號和第二信號；(A4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述外界振動和溫度信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(BI)光源發(fā)出的連續(xù)光被調(diào)制為脈沖光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述光源為窄線寬激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(Cl)所述光源發(fā)出的光通過環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的瑞利散射光信號和拉曼散射光信號傳輸?shù)剿鲴詈掀鳌?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(Dl)判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值，若超過閾值，則提示報警。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種同時測量振動和溫度的分布式光纖傳感裝置，包括窄線寬激光器，環(huán)形器，耦合器，濾波器模塊，探測器，聲光調(diào)制器驅(qū)動模塊，信號處理及輸出模塊。本發(fā)明將瑞利背散射信號和拉曼散射信號分離開來，再分別將光信號轉(zhuǎn)為電信號，信號采集與處理模塊根據(jù)背散射信號的干涉結(jié)果特征，可以實現(xiàn)分布式振動信號的傳感，通過拉曼散射信號的信號特征，可以實現(xiàn)分布式溫度信號的傳感，從而實現(xiàn)長距離分布式溫度和振動信號的同步傳感。本發(fā)明復(fù)用了一套光路系統(tǒng)，大大降低了成本；實現(xiàn)了高帶寬振動信號檢測，采用的窄線寬高穩(wěn)定激光器也顯著地提高了裝置的穩(wěn)定性。
文檔編號G01K11/32GK102589620SQ20121005987
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者毛慧 申請人:杭州安遠(yuǎn)科技有限公司