[发明专利]一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法

说明书

本发明提供一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法，包括激光器，激光器通过边带调制器与具有a输出端和b输出端的第一耦合器连接，a、b输出端分别与背向瑞利散射光形成光路连接和第二偏振控制器连接，背向瑞利散射光形成光路与具有c输出端和d输出端的第二耦合器连接，c输出端与相位敏感时域反射光路连接，d输出端和第二偏振控制器通过第三耦合器、平衡光电检测器、信号处理单元和微波合成器与边带调制器连接，相位敏感时域反射光路通过光电检测器与信号处理单元连接。本发明结合COTDR技术与φ‑OTDR技术，从而实现对应变及振动事件的综合测量，大大提高了分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度。

技术领域

本发明涉及分布式监测技术领域，尤其涉及一种分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法。

背景技术

当光纤受到外界环境(如温度、压力、振动等)影响时,光纤中传输光的强度、相位、频率等参量将会相应的变化，通过检测传输光的这些参量便可以获得相应物理量，这种技术称为光纤传感技术。

相对于传统的电量型传感器，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、价格便宜、可进行远距离分布式测量的优点，因此自20世纪70年代末以来，光纤传感技术得到广泛的发展，出现了基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等分布式光纤传感技术，其中瑞利散射属于弹性散射，相对于拉曼和布里渊散射有着更高的能量，因此更容易被检测到，目前有很多基于瑞利散射的分布式光纤传感技术方面的研究，基于瑞利散射的相干光时域反射(COTDR)技术和相位敏感光时域反射(φ-OTDR)技术是两种比较常见的分布式光纤传感技术。

光纤某区域内的温度或应力发生变化时，由于热膨胀或弹光效应，该区域内光纤的折射率、密度及散射点之间的距离将发生变化，从而致使该区域内的后向瑞利散射光的相位发生改变。由于光纤变化区域内的散射光返回到检测端时，光相位差发生改变，因此，后向瑞利散射光的强度和功率将会随之发生变化。

COTDR技术则是通过检测后向瑞利散射光强度的变化和入射光脉冲与检测到的后向瑞利散射信号之间的时延差，就可以确定光纤温度和应变变化发生的具体位置以及变化量的分布情况。COTDR技术是目前主要的一种可准确测量光纤应变大小的分布式光纤传感技术，尽管理论上光纤在受到外界振动影响时会同时产生应变变化，但是由于该技术对应变测量速度较慢，通常需要3分钟以上，因此，COTDR技术难以用于测量振动。

φ-OTDR技术则是利用传感系统的输出脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉结果，因而能够探测到更微弱的扰动信息，提高系统的响应能力。当外界的扰动导致光纤路径上某处的折射率发生变化，从而改变散射光的相位信息，最终使得干涉的光强发生变化，而扰动点的位置也能通过该光强变化信号与脉冲注入传感光纤的间隔时间来确定，实现对扰动事件的定位。φ-OTDR技术因其优良的综合性能成为目前最主要的入侵和振动分布式传感监测方法之一，但是干涉因素使得光纤容易受环境噪声的影响，对于应变、特别是恒定的应变及温度变化，信号特别容易被淹没，从而使得检测不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种既能够探测振动事件,又能够检测应变事件的分布式光纤应力及振动的传感系统及其传感方法。