专利名称：一种同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置及方法
技术领域：
本发明涉及全光纤传感以及安全防护领域，尤其涉及同时测量宽带振动和温度的分布式光纤传感测量装置及方法。
背景技术：
在现代社会中，石油、化工、冶金、电力等工业是国民经济发展的基�。液腿嗣裆钕⑾⑾喙�。这些工业场所一旦发生火灾以及安全事故，将给国家财产和人民生命安全带来巨大的损失。随着我国经济发展，电力、石化、冶金等行业的投资规模不断扩大，大量易燃、易爆、高危险、高灾害的工业场所的安防工作任务艰巨。除此之外，随着社会经济的发展，社会安全形势也日益严峻，所有这些，都对安全防卫预警系统提出新的要求。多年来，传统的周界安防解决方案(泄漏电缆方案、振动电缆方案、电子围栏、电网等)为社会平安保障做出了相应的贡献，但受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一些共性或个性不足，如泄露电缆和振动电缆报警属于电缆传感，传感部分都是有源的， 系统功耗很大；电子围栏、电网等方案又有一定�：π�。上述方案可监测的距离较短，单位距离成本高，在需要进行长距离监测的情况下，系统造价高昂。且传感器单元的寿命较短， 长时间连续使用，维护成本较高；干扰机会增多(电磁干扰、信号干扰、串扰等)，灵敏性下降，误报率、漏报率上升等；对于大范围监控，以上传统方案本身没有定位功能，遇上侵入行为，无法定位。这意味着无法及时、准确地确定危险地点(火灾或者入侵)，无法及时采取制止措施阻止危险导致核心区域失密、被破坏。针对传统安防系统存在的问题,有人提出用光时域反射仪(Optical Time Domain Reflector, OTDR)来实现振动入侵传感系统，如B0TDA/R技术(如OZ公司的Foresight 系列产品)虽然能同时实现温度和应变的检测，但该技术主要适用于检测应变信号，测量时间在秒量级(带宽在Hz量级)，这大大限制了该技术的应用领域，无法满足大振动频率 (> KHz)的要求，容易出现漏报等问题。因此存在一定的局限性。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种成本低、稳定性好同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置，以及利用上述传感装置的进行振动、温度测量的方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置，包括依次连接的光源和传感光纤；所述传感装置进一步包括耦合器，所述耦合器用于将传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号耦合进分光模块；分光�？椋龇止饽？橛糜诖咏邮盏降墓庑藕欧掷氤鋈鹄⑸涔庑藕藕屠⑸涔庑藕牛⒋偷教讲馄髂？椋惶讲馄髂？椋鎏讲馄髂？橛糜诮鋈鹄⑸涔庑藕抛晃谝恍藕牛隼⑸涔庑藕抛晃诙藕牛⒎直鸫偷叫藕糯砟？椋恍藕糯砟？椋鲂藕糯砟？橛糜诖斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰龃泄庀烁兄恼穸臀露�。根据上述的分布式光纤传感装置，优选地，所述分光�？槭枪庹せ蚵瞬ㄆ骰蚶饩�。根据上述的分布式光纤传感装置，可选地，所述传感装置进一步包括环形器，所述光源发出的光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号传输到所述耦合器。根据上述的分布式光纤传感装置，优选地，所述光源为脉冲光源。根据上述的分布式光纤传感装置，可选地，所述传感装置进一步包括光调制器，所述光调制器用于将所述光源发出的连续光调制为脉冲光；驱动模块，所述驱动�？榈氖涑龆肆铀龉獾髦破鳎凰龉庠次庠�。本发明的目的是还通过以下技术方案来实现一种利用分布式光纤传感装置同时检测振动和温度的方法，所述方法包括以下步骤(Al)脉冲光进入感知外界振动和温度的传感光纤中，产生的瑞利散射光和拉曼散射光进入耦合器；(A2)耦合器将所述瑞利散射光和拉曼散射光耦合进分光�？椋�(A3)分光�？榉掷氤鏊鋈鹄⑸涔夂屠⑸涔猓⒂商讲馄髂？樽晃谝�
信号和第二信号；(A4)信号处理�？榇斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰鐾饨缯穸�
温度信息。根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤(BI)光源发出的连续光被调制为脉冲光。根据上述的方法，优选地，所述光源为窄线宽激光器。根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤(Cl)所述光源发出的光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号传输到所述耦合器。根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤(Dl)判断模块判断所述信号处理�？榇屠吹恼穸�/或温度是否超出阈值，若超过阈值，则提示报警。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明利用一套光路系统，实现了长距离分布式温度和振动的同步传感，大大降低了成本；分布式振动传感采用了瑞利散射光的干涉技术，其检测带宽远大于传统的分布式光纤传感器带宽可以达到KHz量级，可以适用于更广的领域，如入侵检测等。利用了窄线宽激光器，显著地提高了稳定性。
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。 图中图I是本发明实施例I的分布式光纤传感装置的基本结构图；图2是本发明实施例I的方法的流程图；图3是本发明实施例2的分布式光纤传感装置的基本结构图；图4是本发明实施例2的方法的流程图。
具体实施例方式图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。实施例I :图I示意性地给出了本发明实施例的同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置的基本结构图，如图I所示，所述传感装置包括依次连接的光源和传感光纤；所述光源可采用激光器，如窄线宽的脉冲式半导体激光器；所述传感装置进一步包括耦合器，所述耦合器用于将传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号耦合到分光模块；分光�？椋龇止饽？橛糜诖咏邮盏降墓庑藕欧掷氤鋈鹄⑸涔庑藕藕屠⑸涔庑藕牛⒋偷教讲馄髂？椋豢裳〉兀龇止饽？椴捎霉庹�、滤波器或棱镜等分光器件，如第一滤波器和第二滤波器。探测器�？椋鎏讲馄髂？橛糜诮鋈鹄⑸涔庑藕抛晃谝恍藕牛隼⑸涔庑藕抛晃诙藕牛⒎直鸫偷叫藕糯砟？椋豢裳〉兀鎏讲馄髂？榘ǖ谝还獾缣讲馄骱偷诙獾缣讲馄�。信号处理�？椋鲂藕糯砟？橛糜诖斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰龃泄庀烁兄恼穸臀露取Ｋ鲂藕糯砟？椴捎玫缏坊蛉砑词迪郑�2示意性地给出了利用上述分布式光纤传感装置同时检测振动和温度的方法， 如图2所示，所述方法包括以下步骤(Al)脉冲光进入感知外界振动和温度的传感光纤中，产生的瑞利散射光和拉曼散射光通过环形器进入耦合器；(A2)稱合器将所述瑞利散射光和拉曼散射光稱合进分光模块；(A3)分光�？榉掷氤鏊鋈鹄⑸涔夂屠⑸涔猓⒂商讲馄髂？樽晃谝�
信号和第二信号；(A4)信号处理�？榇斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰鐾饨缯穸�
温度信息。根据上述的方法，优选地，所述光源为窄线宽激光器。实施例2 图3示意性地给出了本发明实施例的同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置的基本结构图，如图3所示，所述传感装置包括依次连接的光源、环形器和传感光纤；所述光源可采用激光器，如窄线宽的连续式半导体激光器；所述传感装置进一步包括耦合器，所述耦合器用于将接收到的所述环形器的输出光信号耦合到分光�？椋环止饽？椋龇止饽？橛糜诖咏邮盏降墓庑藕欧掷氤鋈鹄⑸涔庑藕藕屠⑸涔庑藕牛⒋偷教讲馄髂？椋豢裳〉兀龇止饽？椴捎霉庹�、滤波器或棱镜等分光器件，如第一滤波器和第二滤波器。探测器�？椋鎏讲馄髂？橛糜诮鋈鹄⑸涔庑藕抛晃谝恍藕牛隼⑸涔庑藕抛晃诙藕牛⒎直鸫偷叫藕糯砟？椋豢裳〉兀鎏讲馄髂？榘ǖ谝还獾缣讲馄骱偷诙獾缣讲馄�。信号处理�？椋鲂藕糯砟？橛糜诖斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰龃泄庀烁兄恼穸臀露�。所述信号处理模块采用电路或软件来实现，光调制器，所述光调制器用于将所述光源发出的连续光调制为脉冲光；驱动�？椋銮？榈氖涑龆肆铀龉獾髦破�。光放大器，所述光放大器设置在光源和环形器之间。判断�？椋雠卸夏？榕卸纤鲂藕糯砟？榇屠吹恼穸�/或温度是否超出阈值；所述判断�？榭刹捎玫缏坊蛉砑词迪郑咛迨迪址绞绞潜玖煊虻南钟屑际酰诖瞬辉僮甘�。报警�？椋彼雠卸夏？榈呐卸辖峁鞘保霰ň？樘崾颈ň刹捎蒙�、光或电的模式报警。图4示意性地给出了利用上述分布式光纤传感装置同时检测振动和温度的方法， 如图4所示，所述方法包括以下步骤(BI)光源发出的连续光被调制为脉冲光；(Al)脉冲光通过环形器进入感知外界振动和温度的传感光纤中，产生的瑞利散射光和拉曼散射光通过环形器进入耦合器；(A2)稱合器将所述瑞利散射光和拉曼散射光稱合进分光�？椋�(A3)分光�？榉掷氤鏊鋈鹄⑸涔夂屠⑸涔�,并由探测器�？樽晃谝�
信号和第二信号；(A4)信号处理�？榇斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰鐾饨缯穸臀露刃畔ⅲ�(Dl)判断�？榕卸纤鲂藕糯砟？榇屠吹恼穸�/或温度是否超出阈值，若超过阈值，则提示报警�？楸ň�。根据上述的方法，优选地，所述光源为窄线宽激光器。实施例3 根据实施例2中的传感装置及方法在振动和温度同时测量中的应用例。光源采用窄线宽激光器，具体为采用NP PHOTONICS的线宽< IOKHz的光纤激光器产品，具有极低的相位噪声和相对强度噪声。光调制器采用声光调制器，具体为采用26所的高消光比调制器。光放大器米用低噪声的掺铒光纤放大器。环形器和稱合器为具有± IOOnm带宽的光器件。信号处理模块同时与第一光电探测器和第二光电探测器的输出相连。信号处理�？榈耐叫藕攀涑鲇氲髦破髑？榈氖淙胂嗔�。在调制器驱动�？榈目刂葡拢す馄鞣⒊龅牧庑藕抛晃龀骞庑藕牛龀蹇矶任�500ns，脉冲周期为O. 5ms。信号处理模块的硬件架构上采用了数字处理芯片，采样率为2MHz，对应定位的精度为50m。通过信号处理�？椋扑愕玫椒⒊黾す饴龀搴褪盏铰龀宓氖奔洳顃。根据公式L = ct/(2n)计算得到振动发生的位置，其中c为光速，η为传感光纤折射率，L为定位的距离。实施例4 根据实施例I中的传感装置及方法在振动和温度同时测量中的应用例。光源采用窄线宽脉冲半导体激光器，具有极低的相位噪声和相对强度噪声。耦合器为具有± IOOnm 带宽的光器件。信号处理模块同时与第一光电探测器和第二光电探测器的输出相连。信号处理�？榈耐叫藕攀涑鲇氲髦破髑？榈氖淙胂嗔�。信号处理模块的硬件架构上采用了数字处理芯片，采样率为2MHz，对应定位的精度为50m。
权利要求
1.一种同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置，包括依次连接的光源和传感光纤；其特征在于所述传感装置进一步包括耦合器，所述耦合器用于将传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号耦合进分光�？椋环止饽？椋龇止饽？橛糜诖咏邮盏降墓庑藕欧掷氤鋈鹄⑸涔庑藕藕屠⑸涔庑藕牛⒋偷教讲馄髂？椋惶讲馄髂？椋鎏讲馄髂？橛糜诮鋈鹄⑸涔庑藕抛晃谝恍藕牛隼⑸涔庑藕抛晃诙藕牛⒎直鸫偷叫藕糯砟？椋恍藕糯砟？椋鲂藕糯砟？橛糜诖斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰龃泄庀烁兄恼穸臀露�。
2.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述分光�？槭枪庹せ蚵瞬ㄆ骰蚶饩�。
3.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述传感装置进一步包括环形器，所述光源发出的光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号传输到所述耦合器。
4.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述光源为脉冲光源。
5.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述传感装置进一步包括光调制器，所述光调制器用于将所述光源发出的连续光调制为脉冲光；驱动�？椋銮？榈氖涑龆肆铀龉獾髦破鳎凰龉庠次庠�。
6.一种利用分布式光纤传感装置同时检测振动和温度的方法，所述方法包括以下步骤(Al)脉冲光进入感知外界振动和温度的传感光纤中,产生的瑞利散射光和拉曼散射光进入耦合器；(A2)耦合器将所述瑞利散射光和拉曼散射光耦合进分光�？椋�(A3)分光模块分离出所述瑞利散射光和拉曼散射光，并由探测器�？樽晃谝恍藕藕偷诙藕牛�(A4)信号处理�？榇斫邮盏降牡谝恍藕藕偷诙藕牛佣裰鐾饨缯穸臀露刃畔�。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括以下步骤(BI)光源发出的连续光被调制为脉冲光。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述光源为窄线宽激光器。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括以下步骤(Cl)所述光源发出的光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号传输到所述耦合器。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括以下步骤(Dl)判断�？榕卸纤鲂藕糯砟？榇屠吹恼穸�/或温度是否超出阈值，若超过阈值，则提示报警。
全文摘要
本发明公布了一种同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置，包括窄线宽激光器，环形器，耦合器，滤波器模块，探测器，声光调制器驱动�？椋藕糯砑笆涑瞿？�。本发明将瑞利背散射信号和拉曼散射信号分离开来，再分别将光信号转为电信号，信号采集与处理模块根据背散射信号的干涉结果特征，可以实现分布式振动信号的传感，通过拉曼散射信号的信号特征，可以实现分布式温度信号的传感，从而实现长距离分布式温度和振动信号的同步传感。本发明复用了一套光路系统，大大降低了成本；实现了高带宽振动信号检测，采用的窄线宽高稳定激光器也显著地提高了装置的稳定性。
文档编号G01K11/32GK102589620SQ20121005987
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者毛慧 申请人:杭州安远科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
