本發(fā)明屬于光纖傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種分布式傳感器及傳感方法。

背景技術(shù)：

瑞利散射是光纖材料的固有特性，當(dāng)短光脈沖注入傳感光纖并沿著傳感光纖向前傳播時(shí)，所到之處將發(fā)生瑞利散射，是光時(shí)域反射儀(OTDR)工作的理論基礎(chǔ)。利用OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，可以測(cè)量整個(gè)光纖鏈路的衰減并提供與長(zhǎng)度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)，具體表現(xiàn)為探測(cè)、定位和測(cè)量光纖鏈路上任何位置的事件，例如光纖鏈路中熔接、連接器、彎曲等形成的缺陷等，是光纖光纜生產(chǎn)、施工、維護(hù)中不可缺少的儀器。

目前基于OTDR對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行分布式傳感的方法，有如下兩個(gè)問(wèn)題：1、一般需要外接一個(gè)專(zhuān)門(mén)的OTDR儀器，現(xiàn)在主流的廠家有美國(guó)PK(PhotonKinetics)、日本安立(ANRITSU)、美國(guó)激光精密(GN Nettest)、愛(ài)立信(Ericsson)、EXFO等，然而其成本都比較昂貴；2、傳感光纖一般是普通商用的單模光纖或多模光纖，其對(duì)溫度和應(yīng)力的敏感性不是特別好。

為此，研究一種傳感能力強(qiáng)且成本較低的分布式傳感器及傳感方法具有重要的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種分布式傳感器，該傳感器無(wú)需使用昂貴的OTDR儀器，通過(guò)采用一信號(hào)采集處理模塊和脈沖發(fā)生器，即可實(shí)現(xiàn)傳感光纖發(fā)生瑞利散射，進(jìn)而進(jìn)行傳感，具有系統(tǒng)組裝簡(jiǎn)便、成本低且傳感能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于上述分布式傳感器的傳感方法，該傳感方法控制簡(jiǎn)便，傳感能力強(qiáng)。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種分布式傳感器，包括脈沖發(fā)生器、激光光源、光纖環(huán)行器、傳感光纖、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集處理模塊，其中，脈沖發(fā)生器的輸入端口與信號(hào)采集處理模塊的脈沖輸出端口相連接，信號(hào)采集處理模塊控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖信號(hào)；脈沖發(fā)生器的輸出端口與激光光源的輸入端口連接，激光光源在電脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖信號(hào)；激光光源的輸出端口、傳感光纖、光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口均通過(guò)光纖分別與光纖環(huán)行器的端口連接，激光光源產(chǎn)生的激光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器耦合到傳感光纖中，背向瑞利散射光沿傳感光纖經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器的出射端口進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口與信號(hào)采集處理模塊相連接。

本發(fā)明通過(guò)信號(hào)采集處理模塊、脈沖發(fā)生器的共同作用，使得激光光源產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖信號(hào)，利用電信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化可表征檢測(cè)到的背向瑞利散射光的光功率隨時(shí)間的變化，進(jìn)而得到傳感光纖沿途的待測(cè)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖的分布式傳感。

優(yōu)選的，所述傳感光纖采用一塑料包層光纖，塑料包層光纖芯層材料是二氧化硅，包層材料是有機(jī)硅。這種光纖對(duì)溫度和應(yīng)力的感知能力比傳統(tǒng)的單模光纖要高，并且還可用于油性液體或揮發(fā)性有機(jī)氣體的測(cè)量，可以提高傳感器的傳感能力。

優(yōu)選的，所述信號(hào)采集處理模塊包括FPGA主控芯片、脈沖輸出端口、信號(hào)采集模塊，所述信號(hào)采集模塊的輸入端與光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口相連，輸出端與FPGA主控芯片相連，F(xiàn)PGA主控芯片通過(guò)脈沖輸出端口與脈沖發(fā)生器相連。從而可利用FPGA并行計(jì)算特點(diǎn)，提高信號(hào)處理速度，降低成本。

優(yōu)選的，所述激光光源采用脈沖激光光源。

優(yōu)選的，所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括依次相連的雪崩光電二極管(APD)、放大電路以及濾波電路。從而可在信號(hào)噪聲比較小的前提下，盡量提高光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的幅度。

一種基于上述分布式傳感器的傳感方法，步驟是：通過(guò)信號(hào)采集處理模塊控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制激光光源產(chǎn)生激光脈沖信號(hào)，光纖環(huán)行器將激光脈沖信號(hào)耦合到傳感光纖中并向前傳播，使激光脈沖信號(hào)在傳感光纖內(nèi)發(fā)生背向瑞利散射，將背向瑞利散射光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行采集處理分析，從而得到背向瑞利散射光的強(qiáng)度；根據(jù)該強(qiáng)度與傳感光纖未受到環(huán)境變化影響時(shí)得到的參考信號(hào)的關(guān)系，反推出傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)；最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號(hào)采樣率得出待測(cè)環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，實(shí)現(xiàn)光纖分布式檢測(cè)。

具體的，包括以下步驟：

(1)將傳感光纖置于待檢測(cè)環(huán)境中，開(kāi)啟脈沖發(fā)生器、激光光源、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集處理模塊；

(2)信號(hào)采集處理模塊發(fā)出同步信號(hào)到脈沖發(fā)生器，觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定脈沖寬度的規(guī)則的短脈沖電信號(hào)去激勵(lì)激光光源；

(3)激光光源發(fā)出的激光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器，進(jìn)入傳感光纖并向前傳播，激光脈沖信號(hào)在傳感光纖內(nèi)發(fā)生瑞利散射，其中背向散射光信號(hào)通過(guò)光纖環(huán)行器傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)；

(4)信號(hào)采集處理模塊在每個(gè)同步信號(hào)發(fā)出的同時(shí)，開(kāi)始按照一定的采樣率采集一定數(shù)量的光電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的電信號(hào)；

(5)信號(hào)采集處理模塊在傳感光纖未受到環(huán)境變化影響時(shí)，采集對(duì)應(yīng)的背向散射光信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)作為參考(標(biāo)定)信號(hào)；然后將步驟(4)傳感光纖置于待檢測(cè)環(huán)境中時(shí)獲得的電信號(hào)與上述參考信號(hào)作差，得到兩者的差分信號(hào)，再?gòu)牟罘中盘?hào)的變化趨勢(shì)推斷傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)；最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號(hào)采樣率得出待測(cè)環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，實(shí)現(xiàn)光纖分布式檢測(cè)。

優(yōu)選的，步驟(4)中，信號(hào)采集處理模塊在采集電信號(hào)時(shí)，采用多次采集求平均值的處理方式。從而可以有效降低信號(hào)的噪聲，提高信號(hào)的信噪比，從而提高測(cè)量的精確度。

優(yōu)選的，步驟(5)中，根據(jù)光在傳感光纖中的傳輸速度和信號(hào)采樣率得出待測(cè)環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，具體步驟是：

結(jié)合光時(shí)域反射測(cè)量的原理，由于光在傳感光纖中的傳播速度其中c是光速，n是傳感光纖的折射率，可以得出測(cè)量的距離其中t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)(雙程)的總時(shí)間，再結(jié)合信號(hào)采集處理模塊的采樣率，得到一個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光在傳感光纖中傳播了多長(zhǎng)時(shí)間以及多長(zhǎng)的距離，從而定位傳感光纖鏈路上發(fā)生異常的地方。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明通過(guò)采用信號(hào)采集處理模塊控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖信號(hào)，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)激光光源產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖信號(hào)，當(dāng)激光脈沖信號(hào)在塑料包層光纖中傳輸時(shí)，由于外界環(huán)境(例如溫度、壓力、油性液體或者揮發(fā)性有機(jī)氣體)的變化，都將改變塑料光纖包層和芯層之間的有效折射率差，從而導(dǎo)致該點(diǎn)處光纖的損耗發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線的待測(cè)參量的分布式檢測(cè)，相比于現(xiàn)有傳感器，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明中提出采用一種塑料包層光纖，塑料包層光纖芯層材料是二氧化硅，包層材料是有機(jī)硅，利用塑料包層光纖的背向瑞利散射效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感。由于塑料包層光纖的材料特性，其對(duì)溫度和應(yīng)力的敏感性比現(xiàn)有技術(shù)中所用的普通光纖的敏感性高，并且還可用于油性液體或揮發(fā)性有機(jī)氣體的測(cè)量，提高了光纖對(duì)周?chē)h(huán)境的感知能力，提高了系統(tǒng)測(cè)量靈敏度。

3、與基于拉曼效應(yīng)的分布式拉曼光纖傳感技術(shù)以及基于布里淵效應(yīng)的分布式布里淵光纖傳感技術(shù)相比，分布式拉曼光纖傳感技術(shù)對(duì)激光光源的光功率要求較高，而激光光功率較高時(shí)，若使用不當(dāng)會(huì)損害一些光學(xué)元器件，從而影響信號(hào)測(cè)量；而分布式布里淵光纖傳感技術(shù)則需要很多昂貴精密的元器件，導(dǎo)致成本高，比如激光器是窄線寬的10khz，以及偏振需要特別控制、需要擾偏器等。本發(fā)明采用以FPGA為主控芯片的信號(hào)采集處理模塊替代專(zhuān)門(mén)的OTDR儀器，從而可以大大降低傳感器的成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)施例傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)施例傳感器的塑料包層光纖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)-(c)是本實(shí)施例裝置的信號(hào)檢測(cè)分析示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例一種分布式傳感器，包括脈沖發(fā)生器1-1、激光光源1-2、光纖環(huán)行器1-3、光電轉(zhuǎn)換模塊1-4、信號(hào)采集處理模塊1-5和傳感光纖1-6。其中脈沖發(fā)生器1-1的輸入端口與信號(hào)采集處理模塊1-5的脈沖輸出端口(圖中虛線)相連接；脈沖發(fā)生器1-1的輸出端口與激光光源1-2的輸入端口1-2-1連接；激光光源的輸出端口1-2-2、傳感光纖1-6、光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口1-4-1分別與光纖環(huán)行器的1-3-1、1-3-2、1-3-3端口連接，光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口1-4-2與信號(hào)采集處理模塊1-5相連接，從而構(gòu)成一個(gè)完整的基于塑料包層光纖的分布式傳感器。

本實(shí)施例中，傳感光纖1-6的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其芯層2-1材料是石英，包層2-2材料是有機(jī)硅，具有表面張力低、粘溫系數(shù)小、壓縮性高、防水和高油性物質(zhì)滲透性等基本性質(zhì)，因而對(duì)傳感光纖所處的環(huán)境比較敏感，能有效的對(duì)傳感光纖所處的環(huán)境實(shí)施檢測(cè)。

本實(shí)施例中，信號(hào)采集處理模塊包括FPGA主控芯片、脈沖輸出端口、信號(hào)采集模塊，所述信號(hào)采集模塊的輸入端與光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口相連，輸出端與FPGA主控芯片相連，F(xiàn)PGA主控芯片通過(guò)脈沖輸出端口與脈沖發(fā)生器相連。實(shí)際應(yīng)用中可利用現(xiàn)有FPGA主控芯片內(nèi)部資源設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊。上述模塊一方面可以極大的提高對(duì)信號(hào)處理的速度，提高實(shí)時(shí)性，另一方面利用FPGA并行計(jì)算特點(diǎn)，將算法用FPGA實(shí)現(xiàn)，可以降低成本。

本實(shí)施例中，光纖對(duì)包層和芯層的尺寸沒(méi)有嚴(yán)格限制，只要能束縛光在里面?zhèn)鞑ゼ纯?。脈沖發(fā)生器可采用現(xiàn)有的脈沖發(fā)生器，但其產(chǎn)生的短脈沖電信號(hào)要幅度波形比較好，防止驅(qū)動(dòng)激光光源的脈沖過(guò)沖過(guò)大損壞激光器。光纖環(huán)行器可采用現(xiàn)有的普通環(huán)形器。通過(guò)采用上述器件構(gòu)建本實(shí)施例所述系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)上和成本上較現(xiàn)有的產(chǎn)品更加簡(jiǎn)潔、方便、便宜，因此大大降低了系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)的技術(shù)難度，并節(jié)省解調(diào)時(shí)間，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)施例所述傳感器采用如下的傳感方法：通過(guò)信號(hào)采集模塊發(fā)出完全同步的電脈沖信號(hào)，使之驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖信號(hào)，最終觸發(fā)激光光源產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖信號(hào)；將激光脈沖信號(hào)注入光纖環(huán)行器，再耦合到傳感光纖中，當(dāng)激光脈沖信號(hào)沿著傳感光纖向前傳播時(shí)，將在傳感光纖內(nèi)部發(fā)生瑞利散射，通過(guò)采集背向瑞利散射光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，并分析其與參考信號(hào)的關(guān)系推斷出傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號(hào)采樣率可以得出待測(cè)環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，從而實(shí)現(xiàn)光纖的分布式傳感。

具體的，包括以下步驟：

(1)將傳感光纖1-6置于待檢測(cè)環(huán)境中，開(kāi)啟脈沖發(fā)生器1-1、激光光源1-2、光電轉(zhuǎn)換模塊1-4、信號(hào)采集處理模塊1-5；

(2)信號(hào)采集處理模塊1-5發(fā)出的普通脈沖電信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖發(fā)生器1-1產(chǎn)生比較規(guī)則的脈沖電信號(hào)，最終觸發(fā)激光光源1-2產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖信號(hào)；激光脈沖信號(hào)通過(guò)光纖環(huán)行器1-3耦合到傳感光纖1-6后，其背向瑞利散射光信號(hào)最終耦合出光纖環(huán)行器的1-3-3端口，然后經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)模塊1-4轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并用信號(hào)采集處理模塊1-5對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和降噪處理。

(3)在傳感光纖1-6未受到環(huán)境變化影響時(shí)，采集背向瑞利散射信號(hào)作為標(biāo)定(參考)信號(hào)；然后將傳感光纖置于所要監(jiān)測(cè)的環(huán)境中獲得傳感信號(hào)，然后將兩者作差，得到兩者的差分信號(hào)，再?gòu)牟罘中盘?hào)的變化趨勢(shì)推斷傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，最后根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和信號(hào)采樣率得出待測(cè)環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，實(shí)現(xiàn)光纖分布式檢測(cè)。

步驟(5)中，根據(jù)差分信號(hào)的變化趨勢(shì)推斷傳感光纖所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，具體步驟是：首先，將傳感光纖放在普通環(huán)境中，在不加外界干擾因素時(shí)，開(kāi)啟傳感器，進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)后會(huì)得到標(biāo)定信號(hào)圖3(a),然后，將傳感光纖放置在待測(cè)環(huán)境中，當(dāng)有外界因素干擾時(shí)，就會(huì)得到圖3(b)，最后將圖3(a)中的信號(hào)減去圖3(b)中的信號(hào)，就可以得到圖3(c)中的信號(hào)。

步驟(5)中，根據(jù)光在傳感光纖中的傳輸速度和信號(hào)采樣率得出待測(cè)環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，具體步驟是：

結(jié)合光時(shí)域反射測(cè)量的原理，由于光在傳感光纖中的傳播速度其中c是光速，n是傳感光纖的折射率，可以得出測(cè)量的距離其中t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)(雙程)的總時(shí)間，再結(jié)合信號(hào)采集處理模塊的采樣率，得到一個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光在傳感光纖中傳播了多長(zhǎng)時(shí)間以及多長(zhǎng)的距離，從而定位傳感光纖鏈路上發(fā)生異常的地方。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。