專利名稱：基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種利用光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統及方法。
背景技術：
分布式光纖傳感是伴隨著社會的需求而逐漸發展壯大的一種新型實時在線監測技術，基本原理是利用一根光纖同時傳輸和感知信號，結合先進的信號處理技術，可以探測長達幾十公里光纖不同位置的溫度和應變等物理量，實現真正的分布式測量。光纖所特有的質輕、抗電磁干擾、抗腐蝕等優點，也使分布式光纖傳感器得到了眾多研究人員和應用單位的青睞，近幾十年來取得了巨大的進步。到目前為止，關于光纖傳感器在各種領域的研究正進行的如火如荼。光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖位移傳感器與光纖電流傳感器等各種特殊用途的光纖傳感器層出不窮，幾乎可以應用在傳統電學傳感器工作的各種領域，并且具有比傳統的電學傳感器更高的靈敏度及使用壽命。在目前有關光纖傳感器研究的各種領域中，分布式光纖傳感器是目前最有吸引力和發展前途的一類傳感器。分布式光纖傳感是利用光纖縱向特性進行測量的技術，它把被測量作為光纖長度的函數，可以在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進行連續的實時測量，能夠為人們提供被測物理參量的空間分布及其隨時間變化的特征，可以廣泛的應用在國土安防，圍界入侵監測，建筑物健康監測，輸油管道監測等領域。這類傳感器根據傳感原理可以分為以下幾種基于干涉原理的分布式光纖傳感器；基于光時域反射原理的分布式光纖傳感器；基于布拉格光纖光柵原理的分布式光纖傳感器。基于布拉格光纖光柵原理的分布式光纖傳感器是利用布拉格光纖光柵中心波長對溫度與應力等物理量敏感進行傳感的技術。通過在一根普通的光纖上串聯多個光纖光柵，即可進行溫度、應變或其它物理量的分布式監測與測量。國內外已有多家研究機構與公司對其進行了大量的研究與開發，目前主要難點是如何精確、快速的解調出各個光纖光柵的中心波長，實時監測各個光纖光柵中心波長的偏移，以準確反應外界的被測量變化；其次，由于每個光纖光柵都需要一定的獨立工作帶寬，因此受光源帶寬限制，傳感鏈路上串接的光纖光柵數量不能無限制的增加。傳統采用寬帶光源與法布里-帕羅濾波器進行探測與波長解調的方法均面臨以上幾個問題，且不能區分傳感鏈路上工作波段重合的多個光纖光柵中心波長的變化。

發明內容
本發明的目的為了克服上述現有技術存在的問題，而提供一種基于光時域反射與光纖光柵技術的分布式實時監測系統及方法，該方法可以實時并快速地解調出光纖光柵的中心波長，并可以區分傳感鏈路上工作波段重合的多個光纖光柵中心波長的變化。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是—種基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，包括激光器、激光器波長監測單元、兩個光纖耦合器、光環形器、至少兩組光纖光柵傳感器、延遲光纖、光電探測器、激光器控制單元、信號采集與處理單元、計算機，其特征在于激光器控制單元分別與激光器、計算機電連接；激光器與第一光纖耦合器的合路端光連接；第一光纖耦合器的兩個分光端分別與光環形器I端口、激光器波長監測單元連接，其中激光器波長監測單元用于激光器出射波長標定，保證波長測量精度；光環形器II端口與第二光纖耦合器的合路端光連接；第二光纖耦合器的一個分路端與一組光纖光柵光連接，剩余分路端分別經一延遲光纖與對應的剩余組光纖光柵光連接；光環形器III端口與光電探測器光連接，信號采集與處理單元分別與激光器波長監測單元、光電探測器、計算機電連接。所述的的激光器為波長可調諧激光器。本發明使用具有較高掃描頻率的波長可調諧激光器作為探測光源，通過激光器控制單元對激光器輸出的起始波長和波長掃描間隔進行設定，激光器發射脈沖光，每次發射脈沖的波長可控已知。所述的兩組光纖光柵傳感器為兩個工作波段重合的光纖光柵組，且每組內都是由工作波段不重合的光纖光柵傳感器串接組成。光纖耦合器的分光比根據實際情況合理選擇；光環形器是三端口光環形器。光電探測器是PIN或APD型光電探測器，并包含有前置放大電路與整形電路。激光器控制單元可以設置波長可調諧激光器掃描的起始波長與波長掃描間距。激光器波長監測單元包含有光電探測器、波長校準器件，用于反饋控制激光器使之輸出穩定的波長。信號采集與處理單元包括數據采集與信號處理兩部分，數據采集是由高速數字采集卡實現；結合延遲光纖產生的時延，該采集卡能夠在時間上將兩組不同光纖光柵的反射信號分開，從而實現時域上的復用。本發明主要利用光時域反射解決同一光纖鏈路上多個工作波段重合的光纖光柵傳感器的識別問題。通過檢測光纖光柵反射光傳輸到光電探測器的時間差識別多個工作波段重合的光纖光柵，并確定其物理位置。基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統的方法，基特征在于按以下幾個步驟進行(1)計算機通過激光器控制單元對波長可調諧激光器光源的起始掃描波長與波長掃描間隔進行設定，掃描光纖光柵中心波長所在波段；(2)光電探測器通過對光纖光柵傳感器進行位置-中心波長編碼，確定各個光纖光柵傳感器的物理位置；(3)當波長可調諧激光器發射的脈沖光對至少兩組光纖光柵組進行掃描時，信號采集與處理單元通過光時域反射區分工作波段重合的光纖光柵的反射光強；(4)計算機根據各個光纖光柵反射信號的強度與時間的對應關系，找出所有光纖光柵組中各個光纖光柵最強反射時間點，并結合激光器輸出波長-時間曲線，實現光纖光柵波長的實時快速解調，確定各個光纖光柵傳感器的溫度與應力。本發明具有以下創新點(I)米用光時域反射與分布式光纖光柵相結合的技術,可以識別同一光纖鏈路上光學參數相同的多個光纖光柵，擴展而來系統可監測光纖光柵數量。(2)對光纖光柵傳感器進行位置-中心波長編碼，利用波長可調諧激光器進行探測，通過波長掃描的方法可以快速地解調和定位系統各個光纖光柵傳感單元。


圖1是本發明的一實施例的系統光路與電路圖。圖2是兩組光纖光柵情況下，激光器進行掃描時，光纖光柵反射圖。
具體實施例方式下面結合附圖、實施例，并結合光時域反射原理對本發明作進一步說明如圖1所示，基于光時域反射與光纖光柵技術的分布式實時監測系統圖，這里以兩組光纖光柵為監測對象，如果需要監測更長的距離，可以通過增加多組光纖光柵來實現。本發明包括波長可調諧激光器1、二個光纖耦合器(2，4)、光環形器3、激光器波長監測單元
5、光電探測器6、激光器控制單元7、信號處理單元8、計算機9、延遲光纖10、相同的兩組光纖光柵(11，12)，其中每組光纖光柵包含二十個工作波段不重合的光纖光柵傳感單元；激光器控制單元7分別與波長可調諧激光器1、計算機9電連接；波長可調諧激光器I與第一光纖耦合器2的合路端光連接；第一光纖耦合器2的兩個分光端分別與光環形器3 I端口31、激光器波長監測單元5連接，其中激光器波長監測單元5用于波長可調諧激光器出射波長標定，保證波長測量精度；光環形器3 II端口 32與第二光纖耦合器4的合路端光連接；第二光纖耦合器4的一個分路端與一組光纖光柵11光連接，另一分路端分別經一延遲光纖10與另一組光纖光柵12光連接；光環形器3 III端口 33與光電探測器6光連接，信號采集與處理單元8分別與激光器波長監測單元7、光電探測器6、計算機9電連接。通過激光器控制單元7設置波長可調諧激光器I的起始掃描波長與波長掃描間隔。這里假設設定初始波長為1520nm，掃描到1560nm停止。波長可調諧激光器每掃描一次發出一系列窄脈沖，這些窄脈沖波長從1520nm遞增至1560nm。脈沖光經第一光纖耦合器2分光，其中一部分光接入激光器波長監測單元5，用作波長監測，以保證波長解調精度；另一部分光注入光環形器3 I端口 31。從光環形器3 II端口 32輸出的光經另一光纖耦合器4分為兩部分，一部分直接注入第一組光纖光柵11，另一部分進過一段足夠長的延遲光纖10注入第二組光纖光柵12。各個光纖光柵所反射的光經過光纖耦合器4進入光環形器3 II端口 32，從光環形器3 III端口 33輸出，進入光電探測器6，并接入信號采集與處理單元8，進行數據的采集與處理。由于延遲光纖10的作用，兩組光纖光柵所反射的光到達光電探測器6的時間不同，因此根據光時域反射原理，可以從時域上精確地分辨兩組光纖光柵所反射的光強，由此也可以從時域上分辨出兩組光纖光柵中工作波段重合的光纖光柵。光纖光柵對不同波長的光反射率不同，根據各個光纖光柵最強反射點對應的激光器輸出波長來確定各個光纖光柵的中心波長。光纖光柵外界溫度、應力等各種物理量的改變均會導致其中心波長產生偏移，因此根據光纖光柵中心波長的偏移量可以精確地解調光纖光柵外界物理量的變化。這里結合圖2對系統工作原理做進一步說明。圖中畫出了系統運行時，激光器輸出光強-時間圖與探測器接收的光強-時間圖。當激光器進行一次掃描時，根據光時域反射原理，在時間上不僅可以區分工作波段不重合的光纖光柵，也可以清晰地區分工作波段重合的光纖光柵。如探測器接收的光強-時間圖中，兩組光纖光柵中中心波長為λ P \ 2、A20的各兩對光纖光柵所反射的光，在時間上均可以清晰的區分出來。因此通過定位各個光纖光柵最強反射點，結合激光器發射波長-時間曲線，就可以快速的解調出各個光纖光柵的中心波長。鑒于本發明米用了光時域反射與分布式光纖光柵相結合的技術，可以監測工作波段重合的多個光纖光柵，打破了傳統方法中光源帶寬對分布式光纖光柵傳感系統中光纖光柵數目的限制，使分布式光纖光柵傳感技術可以監測更長的距離。本發明可廣泛地應用于`各種需要進行長距離、分布式監測測量領域。
權利要求
1.一種基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，包括激光器、激光器波長監測單元、兩個光纖耦合器、光環形器、至少兩組光纖光柵傳感器、延遲光纖、光電探測器、激光器控制單元、信號采集與處理單元、計算機，其特征在于激光器控制單元分別與激光器、計算機電連接；激光器與第一光纖耦合器的合路端光連接；第一光纖耦合器的兩個分光端分別與光環形器I端口、激光器波長監測單元連接，光環形器II端口與第二光纖耦合器的合路端光連接；第二光纖耦合器的一個分路端與一組光纖光柵光連接，剩余分路端分別經一延遲光纖與對應的剩余組光纖光柵光連接；光環形器III端口與光電探測器光連接，信號采集與處理單元分別與激光器波長監測單元、光電探測器、計算機電連接。
2.根據權利要求1所述的基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，其特征在于所述的激光器為波長可調諧激光器。
3.根據權利要求1所述的基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，其特征在于所述的兩組光纖光柵傳感器為兩個工作波段重合的光纖光柵組，且每組內都是由工作波段不重合的光纖光柵傳感器串接組成。
4.根據權利要求1所述的基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，其特征在于所述的光電探測器是PIN或APD型光電探測器，并包含有前置放大電路與整形電路。
5.根據權利要求1所述的基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，其特征在于所述的激光器控制單元能設置波長可調諧激光器掃描的起始波長與波長掃描間距。
6.根據權利要求1所述的基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統，其特征在于所述的激光器波長監測單元包含有光電探測器、波長校準器件，用于反饋控制激光器使之輸出穩定的波長。
7.根據權利要求1-6之一所述的基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統的方法，基特征在于按以下幾個步驟進行(I)計算機通過激光器控制單元對波長可調諧激光器光源的起始掃描波長與波長掃描間隔進行設定，掃描光纖光柵中心波長所在波段； (2)光電探測器通過對光纖光柵傳感器進行位置-中心波長編碼，確定各個光纖光柵傳感器的物理位置； (3)當波長可調諧激光器發射的脈沖光對至少兩組光纖光柵組進行掃描時，信號采集與處理單元通過光時域反射區分工作波段重合的光纖光柵的反射光強； (4)計算機根據各個光纖光柵反射信號的強度與時間的對應關系，找出所有光纖光柵組中各個光纖光柵最強反射時間點，并結合激光器輸出波長-時間曲線，實現光纖光柵波長的實時快速解調，確定各個光纖光柵傳感器的溫度與應力。
全文摘要
本發明涉及一種基于光時域反射與光纖光柵分布式實時監測系統及方法，系統為激光器控制單元分別與激光器、計算機電連接；激光器與第一光纖耦合器的合路端光連接；第一光纖耦合器的兩個分光端分別與光環形器Ⅰ端口、激光器波長監測單元連接，光環形器Ⅱ端口與第二光纖耦合器的合路端光連接；第二光纖耦合器的一個分路端與一組光纖光柵光連接，剩余分路端分別經一延遲光纖與對應的剩余組光纖光柵光連接；光環形器Ⅲ端口與光電探測器光連接，信號采集與處理單元分別與激光器波長監測單元、光電探測器、計算機電連接。方法可以實時并快速地解調出光纖光柵的中心波長，并可以區分傳感鏈路上工作波段重合的多個光纖光柵中心波長的變化。
文檔編號G01D5/36GK103063242SQ20121057265
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者張哲民, 楊帆, 張曉磊 申請人:武漢康普常青軟件技術有限公司