[发明专利]基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是针对弱布拉格反射周期结构光纤在分布式传感中的应用。其基于分布式光纤的连续后向散射效应和波长调制传感特点，结合“光波长时域反射（OWTDR）”创新技术进行参量检测和定位，获得沿光纤沿线待测参量的空间场分布，构成基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感报警系统。

背景技术

材料与结构的智能化是21世纪具有挑战性的课题。利用智能结构分析监测工程结构损伤，评估高危设备工作状况，对于防止灾难性事故的突发、保护人民生命财产的安全具有十分重要的意义。因而，光纤传感技术近年来得到了迅速发展，也受到人们越来越多的关注。其中，分布式光纤传感（DOFS）更是成为了目前国际上研究的热点。目前已经报道的分布式光纤传感技术主要有三类：①基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术；②长距离干涉技术（Interferometer）；③基于光纤布拉格光栅（FBG）复用的准分布传感技术等。

基于光后向散射技术的分布式传感利用光时域反射探测技术实现：根据后向散射光的特性（光强、偏振态、频率等）改变确定待测参量大小，根据回波时间确定位置，由此获得待测参量的空间分布，空间分辨率由脉冲宽度决定。这类传感器光收、发在光纤的同一端，单光源工作，系统简单，但是后向散射光非常弱，单次探测灵敏度较低，多次平均测量则实时性较差，对数据处理能力要求非常高。同时，光强度传感表现为输出信号光功率的变化，在长距离探测中容易受到诸多因素的影响，测量准确性和可靠性很难保证；光偏振态传感要求采用保偏光纤，成本高，且提取偏振态演化信息在技术实现上难度较高。

将长程马赫－泽德、萨格纳克以及迈克尔逊等干涉仪混合使用，可对随时间变化的扰动进行分布式测量。例如，萨格纳克/马赫－泽德、萨格纳克/迈克耳逊、萨格纳克/萨格纳克、马赫－泽德/马赫－泽德以及差分环/环等双干涉仪结构，其中包括单光源单探测器和单光源双探测器等类型。这类传感器依靠正向传输的光信号干涉传感和特定结构定位，具有灵敏度高、动态信号检测、传感距离长、实时性好等优点。但是干涉表现为输出信号光功率的变化，在长距离探测中容易受到诸多因素的影响，测量准确性和可靠性很难保证；作为传感光纤的通信光缆中的偏振衰落现象难以解决；相位调制型的干涉原理导致难以实现多点同时检测；结构复杂。因此，干涉技术难以在长距离分布式传感中实用化。

FBG传感表现为中心波长调制(或波长编码)，通过对FBG反射波长移动的监测即可测量外界参量的变化，探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老化等因素的影响，适合长期安全监测。但基于FBG的分布式传感面临的一大难题是系统复用容量受到光源和滤波器带宽的限制，一个阵列一般只能复用15个左右的光栅，这对于长距离高密度的分布式检测是远远不够的。因此光纤光栅复用技术的研究受到广泛关注，该方法解决了波分复用技术中复用数目受光源和波长解调器带宽限制的问题，但是仍然需要解调反射光波长才能确定温度最大值，而且最大的缺点是无法分辨发生超温的具体位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，提供一种基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统，使其在温度、应力和振动等参量的长距离传感报警中获得广泛应用，本发明具有很高的检测灵敏度和振动定位精度，该系统容易实现、成本较低，而且运行可靠。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统，包括SG-DBR可调谐激光器、电光调制器、光隔离器、光环形器、弱布拉格反射周期结构光纤，它们依次相连；SG-DBR可调谐激光器由波长调谐控制电路控制，电光调制器由脉冲函数发生器控制，光环行器上还接有光探测器，波长调谐控制电路和电光调制器输出的控制信号与光探测器输出的电信号共同进入数据采集卡，处理后送入数据分析设备。

所述弱布拉格反射周期结构光纤包括依次相连的加有保护装置的参考光栅和全同弱布拉格反射周期结构，光环行器接至加有保护装置的参考光栅。

所述弱布拉格反射结构光纤包括外层的紫外透明涂覆层和内层的光纤纤芯，光纤纤芯上序列分布弱布拉格反射结构。

本发明与现有技术相比，主要具有以下优点：

其一，本发明采用弱布拉格反射结构（WBRS）作为传感单元，反射率比后向散射技术要高出数个数量级,探测更为容易且测量精度更高，反射率可根据应用要求灵活设计。

其二，本发明探测的是波长变化，而不是强度变化，不受光源功率波动影响，性能上更为可靠。