[發明專利]一種溫度、應變、振動一體化的光纖傳感裝置

在審

• 申請號: 202111057556.0
• 申請日: 2021-09-09
• 公開（公告）號: CN113758509A
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 王宇;白衛東;靳寶全;高妍;張紅娟;白清;劉昕
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01D5/36
• 分類號: G01D5/36
• 代理公司: 太原高欣科創專利代理事務所(普通合伙) 14109
• 代理人: 冷錦超;鄧東東

本發明一種溫度、應變、振動一體化的光纖傳感裝置，屬于分布式光纖傳感技術領域；所要解決的技術問題為：提供一種溫度、應變、振動一體化的光纖傳感裝置硬件結構的改進；解決上述技術問題采用的技術方案為：通過并聯窄帶濾波?級聯放大模塊，將中心波長為1550nm的Φ?OTDR、中心波長為1450nm和1660nm的R?OTDR以及中心波段在1550nm附近的B?OTDR結合，從而實現對光纖中溫度、應變和振動三參量同時分布式傳感檢測；通過信號發生器分時強弱電壓驅動的方式驅動聲光調制器，進而產生高低峰值功率周期性相間的脈沖激光，利用這種時分復用的方式，避免光纖中后向瑞利散射信號、布里淵散射信號與拉曼散射信號間的相互干擾，實現Φ?OTDR、B?OTDR與R?OTDR三者的有效協調運行；本發明應用于分布式測量。

技術領域

本發明一種溫度、應變、振動一體化的光纖傳感裝置，屬于分布式光纖傳感技術領域。

背景技術

近年來，傳感技術受到越來越多研究者們的關注，同時各類傳感器已經廣泛地應用于眾多產業領域中。光纖傳感作為一種新型的傳感技術，憑借其體積小、重量輕、傳輸速度快、耐腐蝕、不受電磁干擾、成本低等獨特優勢，受到了世界各國研究者們的青睞。光纖傳感技術是利用在光纖中傳輸的光信號的振幅、相位、偏振態以及波長等對外界物理量比如溫度、壓力、振動等參量敏感的特性，通過一系列解調技術手段得到外界信息量。光纖既作為傳輸媒介，又作為感知介質，可實現全分布式傳感，具有傳統電傳感器無法替代的優勢。

隨著工程實際應用需求的不斷提高，人們不再滿足于僅對單個物理量進行傳感檢測而是希望同時得到更多的外界參量信息，其中溫度、應變、振動是最為基礎又極其重要的三個參量，對多參量同時分布式測量的傳感技術的研究成為光纖傳感技術中的一大難題。一方面，多參量實時測量對激光器的一致性提出了更高的要求，其中拉曼光時域反射（R-OTDR）技術要求有足夠高的入纖光功率，相位敏感光時域反射（Φ-OTDR）技術和布里淵光時域反射（B-OTDR）技術則要求使用窄線寬激光器，對于窄線寬激光器而言，過高的入纖光功率又會對光纖中的后向瑞利散射信號和布里淵散射信號產生較大的非線性效應影響，主要表現為散射信號的快速衰減；另一方面，多參量實時測量使用到的各類復用技術與分光技術對光纖中后向散射光信號提出更高的信噪比要求，而傳統的光放大方案會造成對光信號的放大不均勻，且會產生較高的噪聲系數，嚴重影響對后向散射信號的探測。

為此，本發明在窄線寬激光器的基礎上，提出了一種并聯窄帶濾波-級聯放大結構結合分時強弱電壓驅動的方法，在同一根單模光纖上實現了三個系統的融合，并構建結合時控二階分布式隨機激光放大和時控一階分布式拉曼放大的結構，對全光纖中光信號進行分布式均勻放大，從而實現了對外界溫度、應變、振動三參量的同時分布式傳感檢測，不僅具有廣泛的市場應用空間，而且對新型光纖傳感技術的研究具有重要意義。

發明內容

本發明為了克服現有技術中存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種溫度、應變、振動一體化的光纖傳感裝置硬件結構的改進。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種溫度、應變、振動一體化的光纖傳感裝置，包括脈沖激光產生模塊、時控二階分布式隨機激光放大和時控一階分布式拉曼放大模塊、并聯窄帶濾波-級聯放大模塊、數據采集分析模塊，所述脈沖激光產生模塊通過1550nm窄線寬激光器采用分時強弱電壓驅動方式產生高低峰值功率周期性相間的脈沖探測激光，其中高峰值功率脈沖激光用于在時控二階分布式隨機激光放大和時控一階分布式拉曼放大模塊的單模光纖中激發中心波長為1450nm和1660nm的后向拉曼散射信號，低峰值功率脈沖激光用于在時控二階分布式隨機激光放大和時控一階分布式拉曼放大模塊的單模光纖中激發中心波長為1550nm的后向瑞利散射信號和波長在1550nm附近的后向布里淵散射信號；

所述并聯窄帶濾波-級聯放大模塊用于將返回的后向散射信號分為包含1450nm、1550nm和1660nm不同的波段，并將不同波段的信號分別采集到數據采集分析模塊，分別通過Φ-OTDR、B-OTDR與R-OTDR獲取外界振動、應變和溫度信息。