[發明專利]一種溫度和振動同時測量的融合型分布式光纖傳感系統及方法

有效

• 申請號: 202011367969.4
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112697180B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 王峰;周霄;李時宜;袁新宇;張旭萍;張益昕
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 羅運紅

本發明公開了一種溫度和振動同時測量的融合型分布式光纖傳感系統及方法，包括激光器、耦合器、環形器、傳感光纖、脈沖調制模塊、外差探測模塊以及數據采集卡。本發明還公開了一種溫度和振動同時測量的融合型分布式光纖傳感系統的實現方法，通過用耦合器將散射光和本振光都分成兩個部分，實現相互獨立地外差探測以及溫度和振動信號的同時解調。本發明實現了長距離、分布式的動態和靜態信息的同時獲取，有效避免了工程應用上可能存在的誤報和漏報。

技術領域

本發明屬于分布式光纖傳感領域，尤其涉及一種溫度和振動同時測量的融合型分布式光纖傳感系統及方法。

背景技術

光纖傳感技術發展于20世紀70年代，它是一種以光纖為介質、光為載體感知和傳輸外界信號的傳感技術。當光波在光纖中傳輸時，外界環境因素的變化會引起傳輸光波各種特性的相應改變，通過監測光波參數的變化就可以獲得光纖外界環境的信息，從而實現傳感。在這其中，分布式光纖傳感技術更是獨樹一幟，它充分發揮了光纖空間連續分布的特點，可實現長達上百公里的溫度、應變、振動、聲波的全分布式測量，具有不可替代的優勢，近年來在石油、交通、結構、地質等領域的監測中發揮了重要的作用，得到了越來越多的關注。

基于光纖中不同的光散射機理和非線性效應，誕生了多種不同的分布式光纖傳感技術，但無論是哪一種分布式光纖傳感技術也僅僅只能對有限的參量實現測量。然而在實際監測中，外部事件往往是由溫度、振動、應變等多種因素共同作用所造成的，若只采用單一參量對事件進行監測，只能夠反映一種因素，常常會導致較高的誤報率和漏報率，局限性很大，且多個參量之間往往還存在交叉敏感的問題。這不僅難以實現對潛在事故的報警，而且給工程應用推廣帶來困難。因此，對事件的不同因素進行綜合感知和分析，可以實現更精確更有效的識別，從而在動態和靜態兩方面對被監測單元進行系統評估。

既有的融合型分布式光纖傳感系統包括：布里淵光時域反射儀(BOTDR)與拉曼光時域反射儀(ROTDR)的融合系統^[1]，主要由南安普敦大學M.N.Alahbabi課題組提出，實現了溫度和應變的同時測量；相位敏感型光時域反射儀(Φ-OTDR)與偏振型光時域反射儀(POTDR)的融合系統^[2]，主要由電子科技大學饒云江課題組提出，實現了對偏振和相位信息的同時獲取；以及POTDR與BOTDR的融合系統^[3]，主要由南京大學張旭蘋課題組提出，實現了應變和振動的同時測量。然而，不同的分布式光纖傳感系統往往基于不同的光散射機理，其傳感原理有別且存在系統結構不同的問題。如何把多種獨立的系統正確融合在一起以期實現多個參量的測量，在盡可能復用更多器件的情況下避免單獨系統相互之間的干擾，從而在保障融合系統性能的同時降低成本，這是目前亟需得到解決的難題。

發明內容

發明目的：為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發明提出了一種可實現溫度和振動同時測量的融合型分布式光纖傳感系統及方法。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種可實現溫度和振動同時測量的融合型分布式光纖傳感系統，包括激光器、耦合器、環形器、傳感光纖、脈沖調制模塊、外差探測模塊以及數據采集卡，如圖1所示。其中，所述激光器產生連續模式超窄線寬激光，所述激光器經過耦合器分成兩路，其中一路輸出至脈沖調制模塊，另外一路作為本振光輸出至外差探測模塊。

所述脈沖調制模塊將輸入的連續激光調制成為探測脈沖光，經由所述的環形器進入傳感光纖，所述傳感光纖沿線產生背向瑞利散射光和背向布里淵散射光，再經由環形器第二端口輸入并從第三端口輸出至外差探測模塊。

進一步地，所述外差探測模塊同時接收本振光和背向瑞利散射和布里淵散射光，經過混頻產生相干信號，由所述數據采集卡接收。

一種實現溫度和振動同時測量的方法，示意圖如圖2所示，包括以下步驟：

步驟一、對于前述的外差探測模塊，通過第一耦合器將本振光分為兩個部分，分別輸出至第三耦合器和第四耦合器；