一種同時監測振動、應力、溫度的分布式光纖傳感器的制作方法

本發明涉及一種同時監測振動、應力、溫度的分布式光纖傳感器，屬于光學領域。

背景技術：

分布式光纖傳感技術將整根光纖既作為傳感單元，又作為信號傳輸介質，可以測量光纖沿線任意位置處的信息。其傳感距離可以達到幾十甚至上百千米，用于大型建筑的結構健康監測等，其成本比具有多點式傳感單元的準分布式光纖傳感技術低很多，因此全分布式光纖傳感技術越來越受到人們的重視，是目前光纖傳感技術的重要研究方向。

布里淵光時域反射技術(brillouinopticaltime-domainreflectometer，簡稱botdr)是自發布里淵散射，由光纖材料分子的布朗熱運行產生的聲學噪聲導致光纖材料折射率的變化而產生的。由于聲波在光纖材料中的傳播引發光纖折射率呈現周期性變化，導致散射光頻率相對于傳輸光產生多普勒頻移，使得布里淵散射光有斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光與反斯托克斯光的功能較小。布里淵散射同時受應變和溫度的影響，當光纖沿線的溫度發生變化或者存在軸向應變時，光纖的背向布里淵散射光的頻率將發生漂移，頻率的漂移量與光纖應變和溫度呈線性關系，因此通過測量光纖中的背向布里淵散射光的頻移量就可以得到光纖沿線溫度和應變的分布信息。

相位光時域反射技術(phaseopticaltime-domainreflectometer，簡稱φ-otdr)是將脈沖光打入光纖中，利用光纖中的瑞利背向散射光和菲涅耳反射光來判斷光纖內部結構情況，其中菲涅耳反射光的功率遠遠高于背向散射光功率。當脈沖光沿著光纖傳播時，材料中某些微小變化(如折射率變化等)將會引起各個方向瑞利散射變化。φ-otdr系統中的探測器只接受瑞利散射光的背向散射部分。從而實現光纖的斷點和振動監測。

現有的基于布里淵光時域反射技術或者基于相位光時域反射技術的光纖傳感器只能測量振動、應力或者溫度中的一種，如果想要同時測量這幾個變量，需要多個光纖傳感器同時測量，成本較高。

技術實現要素：

本發明為解決上述問題，提供一種利用布里淵光時域反射技術和相位光時域反射技術相結合的分布式光纖傳感器。

本發明為解決上述問題采取的技術方案是：本發明的一種同時監測振動、應力、溫度的分布式光纖傳感器，包括：激光器、光纖耦合器、第一電光調制器、任意函數發生器、摻餌光纖放大器、第一環形器、待測光纖、第二電光調制器、微波源或單邊帶調制器、主控板、擾偏器、第二環形器、光纖光柵濾波器或可調諧濾波器、四端口耦合器、第一光電探測器、第二光電探測器和采集卡；

所述采集卡包括一通道和二通道，所述第一光電探測器連接采集卡的一通道，所述第二光電探測器連接采集卡的二通道；

所述激光器發出的激光進入光纖耦合器的輸入端，經光纖耦合器后分為兩路，一路為探測光，另一路為參考光，

所述探測光依次經過受任意函數發生器控制的第一電光調制器，摻餌光纖放大器后，進入第一環形器的1端口，再從第一環形器的2端口射出，進入待測光纖并返回，進入第一環形器的2端口，再從第一環形器的3端口射出，進入第二環形器的1端口，再經第二環形器的2端口射出，進入光纖光柵濾波器或可調諧濾波器，光纖光柵濾波器或可調諧濾波器的反射光從第二環形器的2端口進入，從第二環形器的3端口射出，進入第二光電探測器進行光電轉換，轉換后的電信號由采集卡進行數據采集，光纖光柵濾波器或可調諧濾波器的透射光進入四端口耦合器；

所述參考光首先進入由微波源和主控板控制的第二電光調制器，再經擾偏器，進入四端口耦合器；

四端口耦合器的出射光，進入第一光電探測器進行光電轉換，，轉換后的電信號由采集卡進行數據采集。

進一步地，所述激光器為分布反饋式半導體激光器dfb或可調諧光纖激光器。

進一步地，所述光纖耦合器和四端口耦合器的耦合比均在95:5至80:20之間。

進一步地，還包括位于第一環形器與第二環形器之間的放大器，所述放大器用于放大第一環形器的3端口射出的光信號。

有益效果：

本發明利用布里淵光時域反射技術結合相位光時域反射技術，利用布里淵光時域反射技術監測溫度或者應力有變化，利用相位光時域反射技術監測光纜沿線的入侵振動，并給出準確的定位，可以實現振動、應力、溫度的同時監測，布里淵光時域反射技術和相位光時域反射技術在系統基于幾個共用的器件實現，卻可以互不干擾的實現各自的功能，極大地降低成本，簡化系統。

附圖說明

圖1本發明的一種實施方式的整體結構示意圖；

圖2本發明的另一種實施方式的整體結構示意圖；

圖中：1-激光器，2-光纖耦合器，3-第一電光調制器，4-任意函數發生器，5-摻餌光纖放大器，6-第一環形器，7-待測光纖，8-第二電光調制器，9-微波源或單邊帶調制器，10-主控板，11-擾偏器，12-第二環形器，13-光纖光柵濾波器或可調諧濾波器，14-四端口耦合器，15-第一光電探測器，16-第二光電探測器，17-采集卡，18-放大器；

圖3采集到的瑞利散射數據；

圖4采集到的布里淵散射數據。

具體實施方式

具體實施方式1：結合圖1、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式的一種同時監測振動、應力、溫度的分布式光纖傳感器，整體結構如圖1所示，包括：激光器1、光纖耦合器2、第一電光調制器3、任意函數發生器4、摻餌光纖放大器5、第一環形器6、待測光纖7、第二電光調制器8、微波源或單邊帶調制器9、主控板10、擾偏器11、第二環形器12、光纖光柵濾波器或可調諧濾波器13、四端口耦合器14、第一光電探測器15、第二光電探測器16和采集卡17；

所述采集卡17包括一通道和二通道，所述第一光電探測器15連接采集卡17的一通道，所述第二光電探測器16連接采集卡17的二通道；

所述激光器1發出的激光進入光纖耦合器2的輸入端，經光纖耦合器2后分為兩路，一路為探測光，另一路為參考光，

所述探測光依次經過受任意函數發生器4控制的第一電光調制器3，摻餌光纖放大器5后，進入第一環形器6的1端口，再從第一環形器6的2端口射出，進入待測光纖7并返回，進入第一環形器6的2端口，再從第一環形器6的3端口射出，進入第二環形器12的1端口，再經第二環形器12的2端口射出，進入光纖光柵濾波器或可調諧濾波器13，光纖光柵濾波器或可調諧濾波器13的反射光從第二環形器12的2端口進入，從第二環形器12的3端口射出，進入第二光電探測器16進行光電轉換，轉換后的電信號由采集卡17進行數據采集，光纖光柵濾波器或可調諧濾波器13的透射光進入四端口耦合器14；

所述參考光首先進入由微波源9和主控板10控制的第二電光調制器8，再經擾偏器11，進入四端口耦合器14；

四端口耦合器14的出射光，進入第一光電探測器15進行光電轉換，，轉換后的電信號由采集卡17進行數據采集。

進一步地，所述激光器1為分布反饋式半導體激光器dfb或可調諧光纖激光器。

工作原理：

激光器1發出的激光進入光纖耦合器2的輸入端，經光電耦合器后分為兩路，一路為探測光，另一路為參考光，其中，探測光經過受任意函數發生器4的控制的第一電光調制器3，被調制成脈沖光，脈沖光經摻餌光纖放大器5放大后進入第一環形器6的1端口，再由第一環形器6的2端口射出，進入待測光纖7，經過瑞利散射和布里淵散射，產生后向散射光，后向散射光返回，進入第一環形器6的2端口，再經第一環形器6的3端口射出，進入第二環形器12的1端口，再經第二環形器12的2端口射出，進入光纖光柵濾波器或可調諧濾波器13，經光纖光柵濾波器或可調諧濾波器13反射回的光進入第二環形器12的2端口后，經第二環形器12的3端口射出，進入第二光電探測器16，由于光電探測器二的帶寬為100mhz，只能探測到瑞利散射信號，并將瑞利散射信號轉換為電信號，輸出到采集卡17，光纖光柵濾波器13透射的光進入四端口耦合器14；

參考光首先進入由微波源9和主控板10控制的第二電光調制器8，調制出上下一階邊帶，再經擾偏器11，打亂其偏振態，進入四端口耦合器14；

探測光和參考光進入四端口耦合器14后，進行拍頻，拍頻光信號通過第一光電探測器15轉化成電信號，提取出布里淵散射信號，通過采集卡17的二通道采集數據，并進行數據處理。

本實施方式的分布式光纖傳感器可以同時采集瑞利散射數據和布里淵散射數據。采集的瑞利散射數據如圖3所示，瑞利散射數據采集系統可監測光纜沿線的入侵振動，并給出準確的定位，同時進行報警區域視頻的聯動。從圖3的3d俯視圖中可以看出入侵者的軌跡。該傳感器的最長傳感距離為40km，空間定位精度為1m～20m，采樣頻率為1khz～50khz，采樣分辨率為0.5m。

采集的布里淵散射數據如圖4所示，通過控制微波源對參考光一階邊帶進行掃頻，分析不同頻率下的被采集到的數據，并進行數據的擬合，就能得到光纖沿線的布里淵頻移。當光纖某處的溫度或者應力有變化時，其后向布里淵散射光將發生頻移，頻移量與光纖應變和溫度呈線性關系，因此通過測量光纖中的背向布里淵散射光的頻移量就可以得到光纖沿線溫度和應變的分布信息。該傳感器的最長傳感距離為60km，空間分辨率為1～20m，溫度測量精度為±0.5℃，應變測量精度為±10με。

需要說明的是，圖3和圖4均是通過曲線的趨勢來證實本方案的效果，圖中細節處的數據與本技術方案的實質內容無關。

具體實施方式2：本實施方式在具體實施方式1的基礎上進一步限定，所述光纖耦合器2和四端口耦合器14的耦合比均在95:5至80:20之間。

具體實施方式3：結合圖2說明本實施方式，本實施方式的整體結構如圖2所示，與具體實施方式1的區別之處在于，還包括位于第一環形器6與第二環形器12之間的放大器18，所述放大器18用于放大第一環形器6的3端口射出的光信號。