一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统

摘要

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统，包括：光源，用于产生并输出探测光信号和本振光信号；光源包括光纤光锥，光纤光锥由若干根数的光纤熔融拉制而成；调制单元，用于接收探测光信号调制生成脉冲光；相干检测单元，用于将本振光信号和背向反射信号进行混频，得到光外差电信号；瑞利解调单元，用于根据瑞利散射信号解调得到光纤沿线的反射、衰减及振动信息；布里渊解调单元，用于根据布里渊散射信号解调得到待测光纤的应力和温度信息。本发明在光源中设计光纤光锥，能够有效地提高光源的输出功率密度。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统。

背景技术

就当前的光纤传感技术而言，主要分为点式传感和分布式传感，前者仅适用于监测有限个数的关键位置，当需要监测的位置增加时，所需传感单元的数量、成本和技术难度将明显增加；后者将光纤沿线中的每一点均视为一个传感单元，而每一点的大小(也即空间分辨率)由输入的探测光信号决定，可在相对较低的成本条件下极大提升光纤沿线传感单元的数量。目前在分布式光纤传感领域，光时域反射技术、光时域分析技术、光频域分析技术是常用技术，但每种技术对应的光纤传感参量较少，难以对多种环境参量进行监测。

对此，中国专利CN111486881A公开了一种分布式光纤多参量传感装置，包括：光路单元，用于产生并输出探测光信号和本振光信号；调制单元，用于接收探测光信号调制生成脉冲光，将脉冲光输出至待测光纤中；相干检测单元，用于接收本振光信号及待测光纤根据瑞利散射及布里渊散射效应生成的背向反射信号，将本振光信号和背向反射信号进行混频，得到光外差电信号；瑞利解调单元，用于接收光外差电信号滤波得到瑞利散射信号，根据瑞利散射信号解调得到光纤沿线的反射、衰减及振动信息；布里渊解调单元，用于接收光外差电信号滤波得到布里渊散射信号，根据布里渊散射信号解调得到待测光纤的应力和温度信息。

在上述技术方案中，能够同时实现包括光纤反射、衰减、振动、温度及应力等物理量在内的多参量融合传感，但是这必须保证光源的功率大、亮度高且光束质量好。为了提高光源的功率，普遍采用非相干光束合成技术，比如说采用光纤束对二极管激光器阵列进行合束，当耦合的二极管激光器个数较多时，虽然可以提高光源的功率，但由于光纤的数量也较多，使得输出光斑的面积较大，从而使得功率密度降低。

发明内容

本发明提供一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统，解决了现有的光纤传感系统由于光源的输出功率密度低而难以同时实现多参量融合传感的技术问题。

本发明提供的基础方案为：一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统，包括：

光源，用于产生并输出探测光信号和本振光信号；光源包括光纤光锥，光纤光锥由若干根数的光纤熔融拉制而成；光纤光锥包括大端和小端，大端带有散尾纤，散尾纤的每根光纤通过连接器连接有带有准直透镜组合的激光器；

调制单元，用于接收探测光信号调制生成脉冲光，将脉冲光输出至待测光纤中；

相干检测单元，用于接收本振光信号及待测光纤根据瑞利散射及布里渊散射效应生成的背向反射信号，将本振光信号和背向反射信号进行混频，得到光外差电信号；

瑞利解调单元，用于接收光外差电信号滤波得到瑞利散射信号，根据瑞利散射信号解调得到光纤沿线的反射、衰减及振动信息；

布里渊解调单元，用于接收光外差电信号滤波得到布里渊散射信号，根据布里渊散射信号解调得到待测光纤的应力和温度信息。

本发明的工作原理及优点在于：在光源工作时，每个激光器发出的激光光束经准直透镜组合后垂直光纤端面入射到散尾纤的相应光纤中，再从光纤光锥的小端的相应光纤输出，激光器发出的激光光束分别一对一耦合入散光纤中后再集成到小端面从而实现高效率耦合。由于光纤光锥的输出端(也即小端)可以拉制到很小，即使单根光纤的直径较大和被耦合激光器较多时，也不会因为输出光斑面积过大而受到限制，从而提高光源的输出功率密度。另外，光纤光锥因只用于激光能量的传递和会聚，设计时只需考虑透过率和锥度比即可灵活控制光源的输出功率密度。

本发明在光源中设计光纤光锥，能够有效地提高光源的输出功率密度，解决了现有的光纤传感系统由于光源的输出功率密度低而难以同时实现多参量融合传感的技术问题。

进一步，瑞利解调单元包括第一信号获取模块和第一解调模块，第一信号获取模块用于接收光外差电信号滤波得到瑞利散射信号，第一解调模块用于接收瑞利散射信号并解调得到待测光纤沿线的反射、衰减及振动信息。

有益效果在于：接收到光外差电信号进行滤波得到瑞利散射信号后，进行解调可准确地得到光纤沿线的反射、衰减及振动信息。

进一步，布里渊解调单元包括第二信号获取模块和第二解调模块，第二信号获取模块用于接收光外差电信号滤波得到布里渊散射信号，第二解调模块用于接收布里渊散射信号并解调得到待测光纤的应力和温度信息。

有益效果在于：接收到光外差电信号滤波得到布里渊散射信号后，进行解调可准确地得到待测光纤的应力和温度信息。

进一步，第一信号获取模块包括中频滤波器和第一低噪声放大器，光外差电信号依次经过中频滤波器滤波和第一低噪声放大器放大后得到瑞利散射信号。

有益效果在于：采用中频滤波，在后续频谱恢复时，可以忽略小功率边带，从而有利于准确恢复大功率边带。

进一步，第二信号获取模块包括高频滤波器和第二低噪声放大器，光外差电信号依次经过高频滤波器滤波和第二低噪声放大器放大后得到布里渊散射信号。

有益效果在于：通过采用高频滤波器，可以保证在高频处的增益。

进一步，还包括光环行器，光环行器的第一端连接调制单元，光环行器的第二端连接待测光纤，光环行器的第三端连接相干检测单元。

有益效果在于：光环形器具有非互易性，有利于完成正/反向传输的分离任务。

附图说明

图1为本发明一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统实施例的系统结构框图。

图2为本发明一种基于瑞利与布里渊散射融合的分布式光纤传感系统实施例3的保温盒的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：壳体1、弹簧2、隔板3、加热层4、光纤5。

实施例1

实施例基本如附图1所示，包括：

光源，用于产生并输出探测光信号和本振光信号；光源包括光纤光锥，光纤光锥由若干根数的光纤熔融拉制而成；光纤光锥包括大端和小端，大端带有散尾纤，散尾纤的每根光纤通过连接器连接有带有准直透镜组合的激光器；

调制单元，用于接收探测光信号调制生成脉冲光，将脉冲光输出至待测光纤中；

相干检测单元，用于接收本振光信号及待测光纤根据瑞利散射及布里渊散射效应生成的背向反射信号，将本振光信号和背向反射信号进行混频，得到光外差电信号；

瑞利解调单元，用于接收光外差电信号滤波得到瑞利散射信号，根据瑞利散射信号解调得到光纤沿线的反射、衰减及振动信息；

布里渊解调单元，用于接收光外差电信号滤波得到布里渊散射信号，根据布里渊散射信号解调得到待测光纤的应力和温度信息。

具体实施过程如下：

首先，光源产生并输出探测光信号和本振光信号。在本实施例中，光源包括一个光纤光锥和光耦合器，光纤光锥由若干根数的光纤熔融拉制而成；光纤光锥包括大端和小端，大端带有散尾纤，散尾纤的每根光纤均通过连接器连接有带有准直透镜组合的激光器。具体来说，激光器采用二极管激光器，准直透镜组合采用两个柱面透镜，连接器采用FC型光纤连接器；采用的光纤是由石英制成的纤芯和石英制成的包层组成，由于纤芯和包层都为石英材料，整个光纤的熔点相同，有利于熔融拉制光纤光锥。散尾纤采用直尾纤，散尾纤呈发散状态，以有利于热量释放；光纤光锥的光纤5呈正六边形排列，以使相邻光纤之间的距离最紧密，从而提高光功率密度。此外，由激光器产生激光信号输出至光耦合器，再由光耦合器将激光信号分为探测光信号和本振光信号并输出，光耦合器的分光比设为80:20，也即输出80％的探测光信号和20％的本振光信号.

然后，调制单元接收探测光信号调制生成脉冲光，将脉冲光输出至待测光纤中。在本实施例中，采用声光调制器接收探测光信号调制生成脉冲光，并输出至待测光纤；与此同时，采用脉冲发生器控制声光调制器，以调制脉冲光的重复频率和脉冲宽度。脉冲光被输入到待测光纤后，会发生瑞利散射及布里渊散射，并生成背向反射信号。

接着，相干检测单元接收本振光信号及待测光纤根据瑞利散射及布里渊散射效应生成的背向反射信号，将本振光信号和背向反射信号进行混频，得到光外差电信号。在本实施例中，采用平衡探测器，比如宽带平衡探测器，接收本振光信号和背向反射信号进行混频，以得到光外差电信号。

最后，瑞利解调单元接收光外差电信号滤波得到瑞利散射信号，根据瑞利散射信号解调得到光纤沿线的反射、衰减及振动信息；布里渊解调单元接收光外差电信号滤波得到布里渊散射信号，根据布里渊散射信号解调得到待测光纤的应力和温度信息。

在本实施例中，瑞利解调单元包括第一信号获取模块和第一解调模块，先由第一信号获取模块接收光外差电信号滤波得到瑞利散射信号，再由第一解调模块接收瑞利散射信号并解调得到待测光纤沿线的反射、衰减及振动信息；其中，第一信号获取模块包括中频滤波器和第一低噪声放大器，光外差电信号依次经过中频滤波器滤波和第一低噪声放大器放大后得到瑞利散射信号。布里渊解调单元包括第二信号获取模块和第二解调模块，先由第二信号获取模块接收光外差电信号滤波得到布里渊散射信号，再由第二解调模块接收布里渊散射信号并解调得到待测光纤的应力和温度信息；其中，第二信号获取模块包括高频滤波器和第二低噪声放大器，光外差电信号依次经过高频滤波器滤波和第二低噪声放大器放大后得到布里渊散射信号。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，还包括光环行器，光环行器的第一端连接调制单元，光环行器的第二端连接到待测光纤，光环行器的第三端连接到相干检测单元。激光器发出的激光经过光耦合器分为80％的探测光和20％的本振光，探测光经过声光调制器调制得到脉冲光，脉冲光由光环行器的第一端输入，第二端输出到待测光纤。考虑到待测光纤中的瑞利散射及布里渊散射效应，待测光纤产生的背向反射信号经第二端输入后由第三端输出。

实施例3

与实施例2不同之处仅在于，在本实施例中光纤5应用在东北的冬季，每天的昼夜温差可在20～30℃以上，温度变化速率可达4～6℃/h；光纤5一部分埋没在土壤里，另一部暴露在空气中。土壤温度会随着地表附近气温的变化而呈现季节性起伏和昼夜变化；同时，由于太阳辐射周期性日变化和年变化的影响，土壤温度也会有相应的变化，使得土壤温度的年变化表现为正弦函数，温度的变化幅度随着土壤深度的增加而减小，到了某一个深度，可以认为振幅近似为零。另外，由于土壤和空气的热传导系数不同，在冬季的时候土壤的温度通常高于空气的温度，这是由于空气的温度受到热对流的作用使得散热较快，土壤中却不存在对流换热，故而散热较慢。故而，光纤5暴露在空气中的部分与埋没在土壤中的部分存在温差，或者说温度不均匀。

在本实施例中，光纤5的工作温度通常在-10℃～50℃之间，需要采取措施确保光纤5能够处于恒温的状态。具体来说：

对于光纤5暴露在空气中的部分保持恒温，需要采用温度传感器、控制器、加热器和风力发电机。比如说，东北某地的环境温度在3h内从-5℃下降到-15℃，温度传感器会实时检测环境温度，并将环境温度发送到控制器。控制器接收到环境温度以后，先判断环境温度是否低于光纤5的工作温度的最低值，也即-15℃低于-10℃；然后，计算温度变化速率为-5℃/h；最后，发送控制指令到加热器，使其以“逆反抗”的方式对光纤5熔接处进行加热，也即以+5℃/h的温度变化速度进行升温，直到其温度处于光纤5的工作温度以内。与此同时，由于东北地区刮风较多、风力也大，风力发电机能够将风能转换为电能，电能再转换为热能以提高光纤5的温度。

对于光纤5埋没在土壤中的部分保持恒温，需要采用保温盒，如附图2所示，保温盒由壳体1、弹簧2、隔板3和加热层4组成；弹簧2共有两根，分别位于壳体1内部空间的左右两侧，弹簧2的上端焊接在壳体1的上表面；隔板3由导热良好的金属材料制成，比如铝，隔板3位于弹簧2的下面，弹簧2的下端焊接在隔板3的上表面，隔板3左右两端分别与壳体1的左侧壁面、右侧壁面接触并可上下滑动；加热层4由氯化钙也即生石灰制成，加热层4通过黏胶与隔板3的下表面固定连接。隔板3与壳体1的左侧壁面、右侧壁面以及下侧壁面形成密闭空间，密闭空间内放置有一定量的纯净水，以及填充有一定量的惰性气体，比如氮气。壳体1的左侧壁面、右侧壁面均开设有通孔，通孔位于隔板3的上方，光纤5分别贯穿通孔。

在本实施例中，保温盒埋在土壤里，空气的温度处于300K时，弹簧2均处于压缩状态，氮气的压力、隔板3以及加热层4的重力、弹簧2的压力三者处于平衡。当空气的温度骤然下降时，土壤的温度也会逐渐下降，使得氮气的温度下降，从而氮气的压力降低；在弹簧2的作用下，加热层4向下运动并与纯净水接触，从而产生热量；这些热量经过隔板3传入隔板3与壳体1的左侧壁面、右侧壁面以及上侧壁面形成密闭空间内的空气中，提高空气的温度，从而空气以热传导的形式对光纤5进行加热保温。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。