本發(fā)明涉及一種同時(shí)監(jiān)測振動、應(yīng)力、溫度的分布式光纖傳感器，屬于光學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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

布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(brillouinopticaltime-domainreflectometer，簡稱botdr)是自發(fā)布里淵散射，由光纖材料分子的布朗熱運(yùn)行產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲導(dǎo)致光纖材料折射率的變化而產(chǎn)生的。由于聲波在光纖材料中的傳播引發(fā)光纖折射率呈現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致散射光頻率相對于傳輸光產(chǎn)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(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，當(dāng)光纖沿線的溫度發(fā)生變化或者存在軸向應(yīng)變時(shí)，光纖的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)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(yīng)變的分布信息。

相位光時(shí)域反射技術(shù)(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(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，其中菲涅耳反射光的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背向散射光功率。當(dāng)脈沖光沿著光纖傳播時(shí)，材料中某些微小變化(如折射率變化等)將會引起各個(gè)方向瑞利散射變化。φ-otdr系統(tǒng)中的探測器只接受瑞利散射光的背向散射部分。從而實(shí)現(xiàn)光纖的斷點(diǎn)和振動監(jiān)測。

現(xiàn)有的基于布里淵光時(shí)域反射技術(shù)或者基于相位光時(shí)域反射技術(shù)的光纖傳感器只能測量振動、應(yīng)力或者溫度中的一種，如果想要同時(shí)測量這幾個(gè)變量，需要多個(gè)光纖傳感器同時(shí)測量，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述問題，提供一種利用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)和相位光時(shí)域反射技術(shù)相結(jié)合的分布式光纖傳感器。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明的一種同時(shí)監(jiān)測振動、應(yīng)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(diào)制器、任意函數(shù)發(fā)生器、摻餌光纖放大器、第一環(huán)形器、待測光纖、第二電光調(diào)制器、微波源或單邊帶調(diào)制器、主控板、擾偏器、第二環(huán)形器、光纖光柵濾波器或可調(diào)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(fā)出的激光進(jìn)入光纖耦合器的輸入端，經(jīng)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(jīng)過受任意函數(shù)發(fā)生器控制的第一電光調(diào)制器，摻餌光纖放大器后，進(jìn)入第一環(huán)形器的1端口，再從第一環(huán)形器的2端口射出，進(jìn)入待測光纖并返回，進(jìn)入第一環(huán)形器的2端口，再從第一環(huán)形器的3端口射出，進(jìn)入第二環(huán)形器的1端口，再經(jīng)第二環(huán)形器的2端口射出，進(jìn)入光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器，光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器的反射光從第二環(huán)形器的2端口進(jìn)入，從第二環(huán)形器的3端口射出，進(jìn)入第二光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號由采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器的透射光進(jìn)入四端口耦合器；

所述參考光首先進(jìn)入由微波源和主控板控制的第二電光調(diào)制器，再經(jīng)擾偏器，進(jìn)入四端口耦合器；

四端口耦合器的出射光，進(jìn)入第一光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，，轉(zhuǎn)換后的電信號由采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

進(jìn)一步地，所述激光器為分布反饋式半導(dǎo)體激光器dfb或可調(diào)諧光纖激光器。

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

有益效果：

本發(fā)明利用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合相位光時(shí)域反射技術(shù)，利用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)監(jiān)測溫度或者應(yīng)力有變化，利用相位光時(shí)域反射技術(shù)監(jiān)測光纜沿線的入侵振動，并給出準(zhǔn)確的定位，可以實(shí)現(xiàn)振動、應(yīng)力、溫度的同時(shí)監(jiān)測，布里淵光時(shí)域反射技術(shù)和相位光時(shí)域反射技術(shù)在系統(tǒng)基于幾個(gè)共用的器件實(shí)現(xiàn)，卻可以互不干擾的實(shí)現(xiàn)各自的功能，極大地降低成本，簡化系統(tǒng)。

附圖說明

圖1本發(fā)明的一種實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-激光器，2-光纖耦合器，3-第一電光調(diào)制器，4-任意函數(shù)發(fā)生器，5-摻餌光纖放大器，6-第一環(huán)形器，7-待測光纖，8-第二電光調(diào)制器，9-微波源或單邊帶調(diào)制器，10-主控板，11-擾偏器，12-第二環(huán)形器，13-光纖光柵濾波器或可調(diào)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(shù)據(jù)；

圖4采集到的布里淵散射數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式1：結(jié)合圖1、圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種同時(shí)監(jiān)測振動、應(yīng)力、溫度的分布式光纖傳感器，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：激光器1、光纖耦合器2、第一電光調(diào)制器3、任意函數(shù)發(fā)生器4、摻餌光纖放大器5、第一環(huán)形器6、待測光纖7、第二電光調(diào)制器8、微波源或單邊帶調(diào)制器9、主控板10、擾偏器11、第二環(huán)形器12、光纖光柵濾波器或可調(diào)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(fā)出的激光進(jìn)入光纖耦合器2的輸入端，經(jīng)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(jīng)過受任意函數(shù)發(fā)生器4控制的第一電光調(diào)制器3，摻餌光纖放大器5后，進(jìn)入第一環(huán)形器6的1端口，再從第一環(huán)形器6的2端口射出，進(jìn)入待測光纖7并返回，進(jìn)入第一環(huán)形器6的2端口，再從第一環(huán)形器6的3端口射出，進(jìn)入第二環(huán)形器12的1端口，再經(jīng)第二環(huán)形器12的2端口射出，進(jìn)入光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器13，光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器13的反射光從第二環(huán)形器12的2端口進(jìn)入，從第二環(huán)形器12的3端口射出，進(jìn)入第二光電探測器16進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號由采集卡17進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器13的透射光進(jìn)入四端口耦合器14；

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

四端口耦合器14的出射光，進(jìn)入第一光電探測器15進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，，轉(zhuǎn)換后的電信號由采集卡17進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

進(jìn)一步地，所述激光器1為分布反饋式半導(dǎo)體激光器dfb或可調(diào)諧光纖激光器。

工作原理：

激光器1發(fā)出的激光進(jìn)入光纖耦合器2的輸入端，經(jīng)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(jīng)過受任意函數(shù)發(fā)生器4的控制的第一電光調(diào)制器3，被調(diào)制成脈沖光，脈沖光經(jīng)摻餌光纖放大器5放大后進(jìn)入第一環(huán)形器6的1端口，再由第一環(huán)形器6的2端口射出，進(jìn)入待測光纖7，經(jīng)過瑞利散射和布里淵散射，產(chǎn)生后向散射光，后向散射光返回，進(jìn)入第一環(huán)形器6的2端口，再經(jīng)第一環(huán)形器6的3端口射出，進(jìn)入第二環(huán)形器12的1端口，再經(jīng)第二環(huán)形器12的2端口射出，進(jìn)入光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器13，經(jīng)光纖光柵濾波器或可調(diào)諧濾波器13反射回的光進(jìn)入第二環(huán)形器12的2端口后，經(jīng)第二環(huán)形器12的3端口射出，進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)入四端口耦合器14；

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

探測光和參考光進(jìn)入四端口耦合器14后，進(jìn)行拍頻，拍頻光信號通過第一光電探測器15轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本實(shí)施方式的分布式光纖傳感器可以同時(shí)采集瑞利散射數(shù)據(jù)和布里淵散射數(shù)據(jù)。采集的瑞利散射數(shù)據(jù)如圖3所示，瑞利散射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可監(jiān)測光纜沿線的入侵振動，并給出準(zhǔn)確的定位，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警區(qū)域視頻的聯(lián)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(shù)據(jù)如圖4所示，通過控制微波源對參考光一階邊帶進(jìn)行掃頻，分析不同頻率下的被采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合，就能得到光纖沿線的布里淵頻移。當(dāng)光纖某處的溫度或者應(yīng)力有變化時(shí)，其后向布里淵散射光將發(fā)生頻移，頻移量與光纖應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)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(yīng)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(yīng)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(shí)本方案的效果，圖中細(xì)節(jié)處的數(shù)據(jù)與本技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)內(nèi)容無關(guān)。

具體實(shí)施方式2：本實(shí)施方式在具體實(shí)施方式1的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shí)施方式3：結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，與具體實(shí)施方式1的區(qū)別之處在于，還包括位于第一環(huán)形器6與第二環(huán)形器12之間的放大器18，所述放大器18用于放大第一環(huán)形器6的3端口射出的光信號。