[发明专利]基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统及方法。

背景技术

分布式光纤传感是伴随着社会的需求而逐渐发展壮大的一种新型实时在线监测技术，基本原理是利用一根光纤同时传输和感知信号，结合先进的信号处理技术，可以探测长达几十公里光纤不同位置的温度和应变等物理量，实现真正的分布式测量。光纤所特有的质轻、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，也使分布式光纤传感器得到了众多研究人员和应用单位的青睐，近几十年来取得了巨大的进步。到目前为止，关于光纤传感器在各种领域的研究正进行的如火如荼。光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤位移传感器与光纤电流传感器等各种特殊用途的光纤传感器层出不穷，几乎可以应用在传统电学传感器工作的各种领域，并且具有比传统的电学传感器更高的灵敏度及使用寿命。

在目前有关光纤传感器研究的各种领域中，分布式光纤传感器是目前最有吸引力和发展前途的一类传感器。分布式光纤传感是利用光纤纵向特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的实时测量，能够为人们提供被测物理参量的空间分布及其随时间变化的特征，可以广泛的应用在国土安防，围界入侵监测，建筑物健康监测，输油管道监测等领域。这类传感器根据传感原理可以分为以下几种：基于干涉原理的分布式光纤传感器；基于光时域反射原理的分布式光纤传感器；基于布拉格光纤光栅原理的分布式光纤传感器。

基于布拉格光纤光栅原理的分布式光纤传感器是利用布拉格光纤光栅中心波长对温度与应力等物理量敏感进行传感的技术。通过在一根普通的光纤上串联多个光纤光栅，即可进行温度、应变或其它物理量的分布式监测与测量。国内外已有多家研究机构与公司对其进行了大量的研究与开发，目前主要难点是如何精确、快速的解调出各个光纤光栅的中心波长，实时监测各个光纤光栅中心波长的偏移，以准确反应外界的被测量变化；其次，由于每个光纤光栅都需要一定的独立工作带宽，因此受光源带宽限制，传感链路上串接的光纤光栅数量不能无限制的增加。传统采用宽带光源与法布里-帕罗滤波器进行探测与波长解调的方法均面临以上几个问题，且不能区分传感链路上工作波段重合的多个光纤光栅中心波长的变化。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种基于光时域反射与光纤光栅技术的分布式实时监测系统及方法，该方法可以实时并快速地解调出光纤光栅的中心波长，并可以区分传感链路上工作波段重合的多个光纤光栅中心波长的变化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光时域反射与光纤光栅分布式实时监测系统，包括激光器、激光器波长监测单元、两个光纤耦合器、光环形器、至少两组光纤光栅传感器、延迟光纤、光电探测器、激光器控制单元、信号采集与处理单元、计算机，其特征在于：激光器控制单元分别与激光器、计算机电连接；激光器与第一光纤耦合器的合路端光连接；第一光纤耦合器的两个分光端分别与光环形器Ⅰ端口、激光器波长监测单元连接，其中激光器波长监测单元用于激光器出射波长标定，保证波长测量精度；光环形器Ⅱ端口与第二光纤耦合器的合路端光连接；第二光纤耦合器的一个分路端与一组光纤光栅光连接，剩余分路端分别经一延迟光纤与对应的剩余组光纤光栅光连接；光环形器Ⅲ端口与光电探测器光连接，信号采集与处理单元分别与激光器波长监测单元、光电探测器、计算机电连接。

所述的的激光器为波长可调谐激光器。

本发明使用具有较高扫描频率的波长可调谐激光器作为探测光源，通过激光器控制单元对激光器输出的起始波长和波长扫描间隔进行设定，激光器发射脉冲光，每次发射脉冲的波长可控已知。

所述的两组光纤光栅传感器为两个工作波段重合的光纤光栅组，且每组内都是由工作波段不重合的光纤光栅传感器串接组成。

光纤耦合器的分光比根据实际情况合理选择；光环形器是三端口光环形器。

光电探测器是PIN或APD型光电探测器，并包含有前置放大电路与整形电路。

激光器控制单元可以设置波长可调谐激光器扫描的起始波长与波长扫描间距。

激光器波长监测单元包含有光电探测器、波长校准器件，用于反馈控制激光器使之输出稳定的波长。

信号采集与处理单元包括数据采集与信号处理两部分，数据采集是由高速数字采集卡实现；结合延迟光纤产生的时延，该采集卡能够在时间上将两组不同光纤光栅的反射信号分开，从而实现时域上的复用。