分布式光纤传感系统的制作方法

本发明属于光纤测量技术领域，更具体地说，是涉及分布式光纤传感系统。

背景技术：

分布式光纤传感系统主要用于交通、建筑、电力、煤矿和石化等行业，其作用是实时测量这些重要的场所的各种参数。它对与保证工业系统设备正常运行，保障生命和财产的安全起着重要的作用。现有的随着距离的增加，使得反馈的散射光信号的能量急剧降低，对准确性产生较大影响，无法实现长距离检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供分布式光纤传感系统，旨在解决随着距离的增加，使得反馈的散射光信号的能量急剧降低，对准确性产生较大影响，无法实现长距离检测的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供分布式光纤传感系统，包括：

光源，所述光源的输出端连接脉冲调制器，所述脉冲调制器的输出端连接环形器，所述环形器的第一端口连接有光纤，所述环形器的第二端口连接有耦合器，所述耦合器的输出端连接有信号处理器，所述信号处理器连接有计算机；在所述耦合器和所述信号处理器之间设置有滤光器；沿所述光纤的长度方向上间隔设置有多个与所述计算机连接试验盒，所述试验盒用于改变所述光纤的温度、振动和应变；所述计算机通过所述信号处理器所传输的信号信息以及多个所述试验盒的位置，模拟出在所述光纤全长上相应的温度、振动和应变中单一参量的值发生变化时的多个分布式曲线，并根据多个相关的所述分布式曲线确定出包含实际故障点的故障曲线以及相应的故障值。

作为本申请另一实施例，所述滤光器用于过滤拉曼散射光、瑞利散射光和斯托克斯散射光中的一种或者多种。

作为本申请另一实施例，所述滤光器包括的瑞利光滤光器、斯托克斯光滤光器、拉曼光滤光器和三个开关件；所述瑞利光滤光器的输入端与所述耦合器输出端连接，所述拉曼光滤光器的输出端与所述信号处理器输入端连接；三个所述开关件分别对应安装在所述瑞利光散射光滤光、所述斯托克斯光滤光器和所述拉曼光滤光器输入端和输出端；所述计算机分别与所述光源和多个所述开关件连接。

作为本申请另一实施例，所述信号处理器包括依次连接的放大器、数据采集器和数据处理器；所述放大器的输入端与所述拉曼光滤光器的输出端连接，所述数据处理器的输出端连接所述计算机。

作为本申请另一实施例，多个所述试验盒均可拆卸连接在所述光纤上。

作为本申请另一实施例，所述试验盒包括温度模拟器、振动模拟器和应变模拟器；所述温度模拟器、振动模拟器和应变模拟器分别与所述计算机连接。

作为本申请另一实施例，所述温度模拟器和所述振动模拟器均安装在所述试验盒的内壁上。

作为本申请另一实施例，所述应变模拟器包括推杆和卡套，所述卡套用于套装在所述光纤上，所述推杆一端安装在所述试验盒上，另一端连接在所述卡套上，所述卡套的内侧面设置有用于感应所述光纤应变的应变片。

作为本申请另一实施例，所述计算机内设置有峰值模块和标定模块；所述峰值模块用于读取波形图中的峰值，所述标定模块用于将多个所述试验盒所对应的位置以及所述试验盒参量发生变化所对应的峰值标定在同一坐标系内。

作为本申请另一实施例，所述计算机内还包括拟合模块，所述拟合模块用于拟合出所述分布式曲线。

本发明提供的分布式光纤传感系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明分布式光纤传感系统中光源的输出端连接脉冲调制器，脉冲调制器的输出端连接环形器，环形器的第一端口连接有光纤，环形器的第二端口连接有耦合器，耦合器的输出端连接有信号处理器，信号处理器连接有计算机；在耦合器和信号处理器之间设置有滤光器；沿光纤的长度方向上间隔设置有多个与计算机连接试验盒，试验盒用于改变光纤的温度、振动和应变；计算机通过信号处理器所传输的信号信息以及多个试验盒的位置，模拟出在光纤全长上相应的温度、振动和应变中单一参量的值发生变化时的多个分布式曲线，并根据多个相关的分布式曲线确定出包含实际故障点的故障曲线以及相应的故障值。

在实际应用的过程中，滤光器用于过滤拉曼散射光、瑞利散射光和斯托克斯散射光中的一种或者多种。试验盒有计算机连接，并且试验盒就用于改变光纤的温度、振动和应变。在应用前，计算机能够通过信号处理器传输的信号信息以及多个试验盒的位置，从而拟合出沿光纤全长的情况下温度、振动和应变单一变量的值发生变化时的分布式曲线。并根据多个相关的分布式曲线从而确定出包含实际故障点在内的故障曲线以及故障曲线相对应的参量的故障值。本申请中，在实际应用之前通过多个试验盒，从而模拟出在某一参量的值发生变化时的分布式曲线，并根据多个分布式曲线确定出故障曲线，进而推算出故障曲线中参量相应的故障值，从而能够避免由于光纤长度较长，导致反馈得到的散射光信号信息不准确的问题，进而保证了数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分布式光纤传感系统的连接框图；

图2为本发明实施例提供的仅瑞利光滤光器工作时的连接框图；

图3为本发明实施例提供的故障曲线与分布式曲线的分析图。

图中：1、激光驱动器；2、激光器；3、脉冲调制器；4、环形器；5、光纤；6、瑞利光滤光器；7、斯托克斯光滤光器；8、拉曼光滤光器；9、探测器；10、放大器；11、数据采集器；12、数据处理器；13、计算机；14、振动模拟器；15、温度模拟器；16、应变模拟器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，现对本发明提供的分布式光纤传感系统进行说明。分布式光纤传感系统，包括光源、滤光器和多个试验盒。光源的输出端连接有脉冲调制器3，脉冲调制器3的输出端连接有环形器4，环形器4的第一端口连接有光纤5，环形器4的第二端口连接有耦合器，耦合器的输出端连接有信号处理器，信号处理器连接有计算机13。在耦合器和信号处理器之间设置有滤光器。沿光纤5的长度方向上间隔设置有多个与计算机13连接的试验盒；试验盒用于改变光纤5的温度、振动和应变。计算机13通过信号处理器所传输的信号信息以及多个试验盒的位置，模拟出在光纤5全长上相应的温度、振动和应变中单一参量的值发生变化时的多个分布式曲线，并根据多个相关的分布式曲线确定出包含实际故障点的故障曲线以及相应的故障值。

本发明提供的分布式光纤传感系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明分布式光纤传感系统中光源的输出端连接有脉冲调制器3，脉冲调制器3的输出端连接有环形器4，环形器4的第一端口连接有光纤5，环形器4的第二端口连接有耦合器，耦合器的输出端连接有信号处理器，信号处理器连接有计算机13。在耦合器和信号处理器之间设置有滤光器。沿光纤5的长度方向上间隔设置有多个与计算机13连接的试验盒；试验盒用于改变光纤5的温度、振动和应变。计算机13通过信号处理器所传输的信号信息以及多个试验盒的位置，模拟出在光纤5全长上相应的温度、振动和应变中单一参量的值发生变化时的多个分布式曲线，并根据多个相关的分布式曲线确定出包含实际故障点的故障曲线以及相应的故障值。

在实际应用的过程中，滤光器用于过滤拉曼散射光、瑞利散射光和斯托克斯散射光中的一种或者多种。试验盒有计算机13连接，并且试验盒就用于改变光纤5的温度、振动和应变。在应用前，计算机13能够通过信号处理器传输的信号信息以及多个试验盒的位置，从而拟合出沿光纤5全长的情况下温度、振动和应变单一变量的值发生变化时的分布式曲线。并根据多个相关的分布式曲线从而确定出包含实际故障点在内的故障曲线以及故障曲线相对应的参量的故障值。本申请中，在实际应用之前通过多个试验盒，从而模拟出在某一参量的值发生变化时的分布式曲线，并根据多个分布式曲线确定出故障曲线，进而推算出故障曲线中参量相应的故障值，从而能够避免由于光纤5长度较长，导致反馈得到的散射光信号信息不准确的问题，进而保证了数据的准确性。

本申请中，光源用于发出连续光信号。脉冲调制器3用于根据设计脉冲参数将光源发出的激光调制成所需要的脉冲光波，调制器是电光调制器、声光调制器、磁光调制器、电吸收调制器和高速光开关中的一种。环形器4用于将散射回来的激光分出来，输出给耦合器。耦合器用于将散射回来的激光传给滤光器。光源包括激光器2以及与激光器2连接的激光驱动器1。激光器2为窄线宽光纤5激光器2或者窄线宽半导体激光器2，激光驱动器1用于驱动激光器2发出激光。激光驱动器1是采用高速电路制作的电流驱动器。激光器2是半导体激光器2，可根据激光驱动的驱动电流来发射激光，耦合器采用y型光纤5耦合器。

本申请中，最终确定的目标故障能够有效避免由于距离较长导致测量精度降低的问题，提高了测量的效率和最终数据的可靠性。输入的脉冲光信号经过处理输入到光纤5中，得到光纤5的散射光信号，散射光信号包括：瑞利散射光信号、布里渊散射光信号和拉曼散射光信号。本申请中的参量可为温度、振动和应变中的一种。不同的参量可由不同的散射光信号反映出来，首先，瑞利散射光信号可用于检测传感光纤5内的振动。布里渊散射光信号主要用于检测传感光纤5受到的温度和应变的变化。拉满散射光信号主要用于检测传感光纤5受到的温度变化。

本申请光纤传感测量方法主要目的在于，在实际的对工况进行检测前，建立预测模型，由于随着光纤5长度的增加，散射光信号中的可用成分降低。分布式光纤传感系统计算得到的温度、振动和应变波动幅度与系统信噪比直接相关，信噪比越高，计算得到的温度、振动和应变波动幅度越小。为了实现测量的可靠性，系统的信噪比要大于一固定值。为保证系统的信噪比在要求的范围内，系统的总测量长度就受到一定的限制。由于得到的温度、振动和应变波动幅度越小则反应的结果越不能接近接近正常的水平。需要指出的是，虽然显示的波动幅度较小，但是散射光信号能够准确的反应出具体的发生变化的故障点的位置，也即一旦光纤5某一位置的温度、振动和应变发生变化时，通过现有的技术虽然无法准确的知晓故障点具体的状态变化的幅度，但能够从反馈的信号中了解发生变化的位置，本申请中即以该特点为基本，通过基于实验得到的分布式曲线，拟合出发生故障点实际的故障的大小，在一定程度上避免了由于距离较长而导致产生的散射光信号无法有效反应实际情况的问题。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图2，滤光器包括的瑞利光滤光器6、斯托克斯光滤光器7、拉曼光滤光器8和三个开关件；瑞利光滤光器6的输入端与耦合器输出端连接，拉曼光滤光器8的输出端与信号处理器输入端连接；三个开关件分别对应安装在瑞利光散射光滤光、斯托克斯光滤光器7和拉曼光滤光器8输入端和输出端；计算机13分别与光源和多个开关件连接。

本申请中，拉曼光滤光器8用于滤掉除拉曼光以外的其他光，只有拉曼光能透过。瑞利光滤光器6用于滤掉除瑞利光以外的其他光，只有瑞利光能透过。斯托克斯光滤光器7用于滤掉除斯托克斯光以外的其他光，只有斯托克斯光能透过。并且将三个开关件的两端分别连接在瑞利光滤光器6、斯托克斯光滤光器7、拉曼光滤光器8中输入端和输出端的两端。同时多个开关件均与计算机13连接，通过计算机13控制相对应的开关件开启和关闭。当其中一个开关件开启时，则相应的滤光器处于短路的状态，从而使得信号只能从其他滤光器通过。当两个开关件均接通时，则仅有一个滤光器能够起作用。实施例是，当将斯托克斯光滤光器7和拉曼光滤光器8相对应的开关件接通之后，斯托克斯光滤光器7和拉曼光滤光器8均处于短路的状态，而仅有瑞利光滤光器6能够过滤光信号，经过瑞利光滤光器6过滤之后，则能够对振动的程度以及情况做出判断，从而提高了数据分析时的针对性，同时能够避免其他因素对测量的干扰。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，信号处理器包括依次连接的放大器10、数据采集器11和数据处理器12；放大器10的输入端与拉曼光滤光器8的输出端连接，数据处理器12的输出端连接计算机13。本申请中瑞利光滤光器6的输入端与耦合器的输出端连接，瑞利光滤光器6的输出端与斯托克斯光滤光器7的输入端连接，斯托克斯光滤光器7的输出端与拉曼光滤光器8的输入端连接，拉曼光滤光器8的输出端与信号处理器连接。由于为线性的连接，虽然能够过滤不同的散射光，但是仅需要设置一个放大器10即可实现对信号的放大，节省了成本。数据采集器11用于采集经放大器10放大的电信号。数据处理器12用于处理数据采集器11采集的数据，从而得出温度、振动和应力数据。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，多个试验盒均可拆卸连接在光纤5上。现有的光纤5的长度均较长，并且试验盒的数量同样有效，虽然试验盒数量越多则最终拟合出的分布式曲线越精确，但是由于试验盒本身具有一定的体积，同时在绘制出多个分布式曲线之后，试验盒即可进行拆除，因此多个试验盒均可拆卸连接在光纤5上，从而保证日后不会因为试验盒自身的因素对光纤5的检测精度产生影响。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，试验盒包括温度模拟器15、振动模拟器14和应变模拟器16；温度模拟器15、振动模拟器14和应变模拟器16分别与计算机13连接。

在试验盒内设置有温度模拟器15、振动模拟器14和应变模拟器16等装置。温度模拟器15用模拟不同的温度下对光纤5的影响情况，振动模拟器14为可以播放高频的音响，光纤5粘接在音响上的振动膜上。应变模拟器16用于模拟光纤5应变的变化。以温度模拟器15为例，通过计算机13能够控制温度模拟器15的加热温度，通过放置在试验盒内的温度传感器，能够检测出此时光纤5的温度，并且通过计算机13能够使光纤5达到预设的温度，从而能够为后续的检测和测量提供可靠的数据支持。

本申请中，首先在测试区域内铺设光纤5，为了更准确的模拟出分布式曲线，也即通过多个试验盒，来模拟当试验盒内温度、振动和应变中单一参量发生变化时，通过滤光片最终得到相应信号强度信息。虽然试验盒的数量有限，但由于处于同一变量的情况下，距离越远能够检测的散射光的强度信号则呈现指数式衰减。为此首先保证多个试验盒均处于初始的状态，在初始状态下对用于检测光纤5的测量主机进行校核。测量主机主要用于显示散射光信号的强度信息。还包括探测器9，探测器9采用高灵敏度雪崩二极管(apd)来探测激光并将光信号转换电信号。

在实际应用前，在光纤5上间隔设置多个试验盒，测量主机与光纤5连接，可以以测量主机为起点，每间隔相同的一定的距离设置一个试验盒。通过计算机13调节试验盒内的温度、振动和应变。当使其中一个试验盒的参量的值发生变化时，其余试验盒的状态并未发生改变，从而能够最大限度的保证对于提取信号的可靠性。

本申请中，以温度为例，为了测量相同的温度由于距离测量主机长度的不同使得散射光信号幅值等信息产生变化的情况，首先接通测量主机，此时由于任何试验盒均没有参量的变化，测量主机仅能够检测出系统中固有或者附加的噪音。设定一个温度值，将该温度值设定为第一温度值，该第一温度值能够使光纤5升温或者降温，以距离测量主机最近的试验盒开始，将第一试验盒的温度设定为第一温度值后，记录测量主机此时的拉曼散射光中的强度信息，然后使第一试验盒温度恢复正常，并使第二试验盒温度变化为第一温度值，并记录此时的拉曼散射光中的强度信息。依次类推，当所有的试验盒均检测完毕之后，将得到的不同试验盒以及相对应的拉曼散射光的强度信息进行汇总。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，温度模拟器15和振动模拟器14均安装在试验盒的内壁上。为了避免对光纤5的影响，试验盒的体积较小，试验盒包括下盖和上盖。下盖和上盖扣合，从而实现对电缆的包裹。同时为了能够准确了解试验盒内温度和振动的情况，可在试验盒内放置温度传感器和振动传感器，并且温度和振动传感器均与计算机13连接。同时为了在有效的试验盒内模拟出应变，应变模拟器16一端固定在试验盒的内壁上，另一端套装在光纤5的外周上，应变模拟器16通过改变两端的距离，从而模拟出应力的变化。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，应变模拟器16包括推杆和卡套，卡套用于套装在光纤5上，推杆一端安装在试验盒上，另一端连接在卡套上，卡套的内侧面设置有用于感应光纤5应变的应变片。推杆用于推动卡套运动，卡套的运动会作用在光纤5上，通过应变片检测光纤5此时的应变值。推杆上可设置齿条，齿条传动连接有电机，电机与计算机13连接，通过计算机13控制电机运转的时间，从而使得光纤5应变至指定的值，应变片作为反馈的装置，保证能够达到合理的应变值。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，计算机13内设置有峰值模块和标定模块；峰值模块用于读取波形图中的峰值，标定模块用于将多个试验盒所对应的位置以及试验盒参量发生变化所对应的峰值标定在同一坐标系内。

在对获得的数据进行分析时，可以以试验盒距离测量主机距离为横坐标，以计算机13获得的散射光信号中幅值和间距的大小为纵坐标。以温度为例，将多个试验盒以及相对应的拉曼散射光中的信息标定在坐标上，然后拟合出相适配的分布式曲线，该分布式曲线能够模拟出沿光纤5长度方向上所有的试验盒在将参量设定为一预设值后会产生的拉曼散射光信息的强度情况。

将所有的试验盒以及相应的信号强度均作为特征点标定在一个坐标系上。本申请中，由于随着距离的变化，测量主机所能够检测的散射光信号的强度随着发生变化，而不同的参量的值所拟合出的分布式曲线可近似等同于线性变换。为此需要改变参量的值，进行多次的测量，最终确定多个代表不同值的分布式曲线，将所有的分布式曲线均显示在坐标系上，从而能更容易确定出值的不同对散射光信号强度的影响。

为了提高数据的准确和可靠性，可根据光纤5的实际长度，选择测量的次数。以温度进行举例，在获得温度值为第一值时的分布式曲线之后，改变温度值为第二值，然后上述的过程，从而得到与第二值相对应的分布式曲线。以此类推从而得到多个不同温度值下的曲线，这些分布式曲线表明在同样的距离间隔的情况下，不同的温度下各个试验盒对脉冲光的影响程度。

由于在实际的应用过程中，温度不太可能与之前设定的温度相同，通常在进行测试时，会模拟极限高温和低温的环境。因此在实际的应用过程中，光纤5实际的检测的温度处于极限高温和低温之间。

将拟合出的多个分布式曲线均放置在同一坐标系内，该坐标系内的横坐标能够表示在光纤5全长不变的情况下，不同位置在特定的几种参量所对应的值的情况下测量主机内表示的散射光信号的大小。

作为本发明提供的分布式光纤传感系统的一种具体实施方式，请参阅图1、图2和图3，计算机13内还包括拟合模块，拟合模块用于拟合出分布式曲线。在实际检测时，光纤5的某一处的温度发生变化，从而能够在测量主机上检测到，但存在的问题是，虽然此时能够准确的获悉发生故障的位置，但由于距离测量主机的位置较长，不可避免的产生损耗，导致无法对故障的强度进行有效的判断。为此，需要在原有的坐标系内，首先确定出发生故障处的故障点距离测量主机的距离，根据该距离以及此时测量主机内散射光信号的强度在坐标系内确定出故障点。本申请中为了提高检测的简便性，在温度不同的情况下，两条不同温度所对应的分布式曲线，随着距离的不同，曲线之间的间距保持相对稳定。

举例，当测量主机内检测到故障信号后，根据故障信号所反馈的位置信息，并结合此时测量主机内幅值和间距的大小，作为故障点在坐标系内进行标定，然后根据相邻的两个分布式曲线等比例的进行拟合，直至拟合的故障曲线包括故障点，此时将拟合出的故障曲线确定为该故障点的温度也即目标故障值。

本申请中，由于随着距离的增加，相应的反馈的信号的强度随着发生变化，为了确定出最能够反映出散射光反馈的强度信息，将故障曲线的左端按照现有的故障曲线的曲率进行延长，延长线与纵坐标的交点即为目标信号强度，目标信号强度可视为最接近的检测强度，该强度解决了由于长度受限而结果不准确的问题。

在坐标系内标定有第一分布式曲线b和第二分布式曲线c，故障曲线a位于第一分布式曲线b和第二分布式曲线c之间。第一分布式曲线b和第二分布式曲线c的曲率可近似相同设置，根据故障点d分别距离第一分布式曲线b和第二分布式曲线c的距离，拟合出包括故障点d的故障曲线a，故障曲线a与纵坐标交点即为目标故障值e。目标故障值e即为故障点实际发生的散射光的强度，根据该强度以及第一分布式曲线b和第二分布式曲线c与纵坐标的交点即可推算出故障点d时参量的值，也可理解为根据第一分布式曲线b和第二分布式曲线c相对应的温度值，根据故障点d分别距离第一分布式曲线b和第二分布式曲线c的距离，等比例确定出故障曲线a的值，根据距离即可推算出故障曲线a相对应的温度值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。