CN110440838B - 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 - Google Patents
一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110440838B CN110440838B CN201910764600.8A CN201910764600A CN110440838B CN 110440838 B CN110440838 B CN 110440838B CN 201910764600 A CN201910764600 A CN 201910764600A CN 110440838 B CN110440838 B CN 110440838B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- optical fiber
- core
- grating
- raman
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 219
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 235
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 187
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 150
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 78
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 71
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 47
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 32
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000000253 optical time-domain reflectometry Methods 0.000 claims description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 claims description 5
- 239000013589 supplement Substances 0.000 claims description 2
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 166
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 35
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 241000218645 Cedrus Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000006903 response to temperature Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000011895 specific detection Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法，方法包括：在T1时刻开启偏振和拉曼光源，关闭光纤光栅光源，利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯进行传感，利用偏振光技术对第一纤芯和第二纤芯进行传感；在T2时刻开启光纤光栅光源，关闭偏振和拉曼光源，利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯进行传感；将三种技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。本发明同时利用光纤光栅、拉曼和偏振光技术，实现了应变、温度和振动的同时传感，且通过波分复用和时分复用，仅需两根纤芯即可满足三种技术的准同步采集要求。
Description
【技术领域】
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法。
【背景技术】
多芯光纤是单个包层内包含多个纤芯的光纤，利用基于多芯光纤的空分复用技术，在光通信方面能够实现更高密度的数据传输，在光传感方面也同样能拓展出新的使用方法。众所周知，光纤传感技术由于使用光纤作为传感器，通常能够实现光纤链路上每一个点的连续测量，且传感距离可达数十公里。而除了与其它光纤传感技术具有的共性优势外，光纤传感器还具有下述几个特殊的优势：空间结构优势、参量补偿优势和信道集成的优势。例如，多芯光纤的多个纤芯具有空间结构的优势，因而借助于多个纤芯在一根光纤中的相对几何位置与结构的差异，通过空间几何结构的弯曲应变和扭转应变能够反演出光纤的曲率与扭率信息，从而通过重构就能够实现空间弯曲与扭转的三维形状传感；再比如，由于多芯光纤的多个纤芯被集成在一根数百微米的包层中，各点的环境温度可视为近似相同，因此多个光纤芯子所构成的光路的变化也近似相同，就自动实现了多光路的温度补偿。
目前，力学参量方面，多芯光纤可用于弯曲、应变、加速度等的测量，其中最为广泛的是用于弯曲传感；多芯光纤在温度传感方面也有非常重要的应用，目前已有提出基于双芯、七芯、十九芯等多芯光纤的温度传感方案；除此之外，还有折射率传感方面的研究。
传统的分布式光纤传感技术主要有光纤光栅技术、光纤布里渊传感技术、拉曼光时域反射技术、偏振光技术、偏振光时域反射技术、相位敏感光时域反射技术以及光频域反射技等，通过对应的光纤传感仪器，根据测量原理的不同可以利用光纤实现对不同物理量的测量，比如温度、应变、振动等。然而，目前的光纤传感仪器普遍都是基于单一测量原理的仪器，所测量的物理量单一，无法实现多物理量的同时测量，因此应用场景有限。另外，某些测量技术，比如光纤光栅技术或者光纤布里渊传感技术，其测量结果对温度和应变都有响应，在实际应用中很难进行区分，限制了使用。
例如，对于大部分有电缆铺设的设备，一方面需要防止外力损坏电缆，另一方面需要监控电缆的工作状态，因此需要可以同时测量并区分外力扰动和温度。再例如，在桥梁监测和建筑监测领域，一方面需要能够感应振动事件(如地震)，另一方面需要对火灾等进行预警，因此需要可以同时测量振动和温度。在以上这些应用场景下，利用传统的光纤传感技术是难以满足使用需求的。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明需要解决的技术问题是：
传统的光纤传感技术普遍是基于单一测量原理实现的，所测的物理量单一，无法实现多参量的同步传感测量，应用场景有限；而对于测量结果对多个参量都有响应的传感技术，在实际应用中又很难进行不同参量的区分和定量分析。
本发明通过如下技术方案达到上述目的：
第一方面，本发明提供了一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，包括光栅解调仪、拉曼测温仪、偏振分析仪和处理器；其中，在光栅解调仪、拉曼测温仪和偏振分析仪三个设备中，所述拉曼测温仪和所述偏振分析仪之间为波分复用，所述光栅解调仪与其余两个设备之间为时分复用；
所述光栅解调仪、所述拉曼测温仪和所述偏振分析仪均通过第一光纤接口b1外接多芯光纤中第一纤芯a1的前端，所述偏振分析仪还通过第二光纤接口b2外接多芯光纤中第二纤芯a2的前端，所述第一纤芯a1的末端和所述第二纤芯a2的末端相连接；
所述处理器分别与所述光栅解调仪、拉曼测温仪和偏振分析仪三个仪器连接，用于对三个设备采集的数据进行综合分析处理，判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
第二方面，本发明还提供了一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，包括拉曼光源、偏振光源、光纤光栅光源、起偏器、耦合器、环形器、分光器、检偏器、偏振光探测器、stokes光探测器、anti-stokes光探测器、光栅解调装置、采集卡和处理器；其中，在三个光源中，所述拉曼光源和所述偏振光源发射后产生的待探测信号分布在不同频段，通过波分解复用技术解复用后分别探测，所述光纤光栅光源与其余两个光源之间为时分复用；
所述拉曼光源、所述偏振光源、所述光纤光栅光源分别与所述耦合器连接，所述耦合器、所述环形器、所述检偏器和所述偏振光探测器顺次连接；所述环形器还与所述分光器连接，所述分光器分别与所述光栅解调装置、stokes光探测器和anti-stokes光探测器连接，所述光栅解调装置、stokes光探测器、anti-stokes光探测器和偏振光探测器分别与所述采集卡连接，所述采集卡与所述处理器连接；
所述环形器通过第一光纤接口b1外接多芯光纤中第一纤芯a1的前端，所述检偏器通过第二光纤接口b2外接多芯光纤中第二纤芯a2的前端，所述第一纤芯a1的末端和所述第二纤芯a2的末端相连接；
其中，所述处理器用于对所述采集卡采集的数据进行综合分析处理，判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
优选的，多参量光纤传感仪器还包括同步触发电路，所述同步触发电路分别与所述拉曼光源、偏振光源和所述采集卡连接，用于触发所述拉曼光源和所述偏振光源进行光脉冲发射，以及触发所述采集卡进行数据采集，保持光脉冲发射和数据采集的同步。
第三方面，本发明提供了一种基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，可通过第一方面或第二方面所述的传感仪器完成，包括：
在T1时刻开启偏振光源和拉曼光源，关闭光纤光栅光源，以便利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量，利用偏振光技术对多芯光纤中的第一纤芯a1和第二纤芯a2进行传感测量；
在T2时刻开启光纤光栅光源，关闭偏振光源和拉曼光源，以便利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量；
将拉曼光时域反射技术、偏振光技术和光纤光栅技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
优选的，利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量后，得到多芯光纤中光纤布拉格光栅的波长变化量ΔλB。
利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量后，得到多芯光纤中斯托克斯散射光的光通量ψs(T)和反斯托克斯散射光光通量ψas(T)；
利用偏振光技术对多芯光纤中的第一纤芯a1和第二纤芯a2进行传感测量后，得到多芯光纤中光强的变化情况，并进行振动频率的提取。
优选的，所述将拉曼光时域反射技术、偏振光技术和光纤光栅技术采集的数据进行综合处理确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值，具体包括：
将光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术采集的数据进行综合处理，得到多芯光纤当前环境参数中的温度值和应变值；
将光纤光栅技术和偏振光技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的振动频率值。
优选的，所述将光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术采集的数据进行综合处理，得到多芯光纤当前环境参数中的温度值和应变值，具体为：
根据拉曼光时域反射技术检测到的ψs(T)和ψas(T)，利用拉曼公式解调出所述多芯光纤当前环境参数中的温度值T；
基于拉曼公式解调出的温度值T和光纤光栅技术检测到的ΔλB，利用光栅公式解调出所述多芯光纤当前环境参数中的应变值ε。
本发明的有益效果是：
本发明提供的多参量光纤传感仪器和传感方法中，利用光纤光栅技术、拉曼光时域反射仪技术和偏振光技术，配合多芯光纤的多路并行光链路，对多芯光纤中的不同纤芯进行同步测量，实现对光纤的应变、温度和振动的同时传感，应用场景更为广泛；而通过采用波分复用和时分复用，可缩减多芯光纤中检测所需的纤芯数量，仅需要多芯光纤中的任两根纤芯即可满足三个检测设备的准同步采集要求，连接设置更方便。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤光栅技术的解调原理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于光谱仪解调法的光栅解调仪的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于边沿滤波解调法的光栅解调仪的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于可调谐F-P滤波器解调法的光栅解调仪的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于可调谐窄带光源解调法的光栅解调仪的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种拉曼测温仪的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种偏振分析仪的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的还一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种基于多芯光纤的多参量光纤传感方法的流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如背景技术中所述，传统的分布式光纤传感技术主要有光纤光栅技术、光纤布里渊传感技术、拉曼光时域反射技术、偏振光技术、偏振光时域反射技术等。在本发明中，主要利用的光纤传感技术为光纤光栅技术、拉曼光时域反射技术和偏振光技术，各光纤传感技术的介绍如下：
拉曼光时域反射技术的传感原理在于：激光脉冲在光纤中传播时产生斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光，两种散射光强度均会受到温度的影响(且对其他参量不敏感)，但调制系数不同；通过两种不同频率散射光的调制系数以及所测量到的光通量的分析，能够判断温度的变化。该技术能够对温度传感，并进行定量分析，但缺点在于仅能测量温度参数。
光纤光栅技术的传感原理在于：在光纤中呈点式或准分布式刻写多个光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，简写为FBG)，当可响应的外界因素发生变化时，光纤的有效折射率和光栅周期等参数会发生改变，进而使FBG的谐振波长发生改变；通过测量谐振波长的变化，即可实现对周围环境参量的传感。但是，针对多参量传感任务，由于温度和应变均能使传感光纤的谐振波长发生变化，因此，在仅利用光纤光栅技术(即仅使用光栅解调仪)时，只能判断有温度或应变事件发生，无法对温度和应变区分，更难对温度和应变分别进行定量分析。同时，光纤光栅技术只能实现点、准分布式传感，也就只能检测FBG所在的位置处有无振动、应变或温度变化，而当其他位置发生振动、应变或温度变化时是检测不到的，因此仅利用光纤光栅技术无法获取整条光纤的状态，只能获取特定位置的状态。
根据光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术的上述特点(即光纤光栅技术可同时传感温度和应变，但难以区分并分别定量分析，而拉曼光时域反射技术仅能对温度定量分析)，本发明考虑将两种技术相结合，期望实现温度和应变的同时传感，能够区分并分别进行温度和应变的定量分析。
偏振光技术的传感原理在于：光在光纤中传播时，偏振态会不断发生变化；当光纤的状态稳定时，偏振态的变化是相对稳定且缓慢变化的；而当振动或应力出现时，偏振态会发生突变，该变化经过检偏器后，直观表现为光强的变化。该技术能够对扰动实现有无的定性分析，如有振动发生，可根据所检测到脉冲强度变化的频率解调出振动的频率；缺点在于，当光纤中任一点有振动或应力发生时，接收端光脉冲强度均会发生变化，因此无法断定事件发生的地点。
针对偏振光技术的上述缺点，可直接改用偏振光时域反射技术，此技术自探测脉冲发出后，所接收到的信号到达的时间与对应的光纤位置成比例关系，能够断定事件发生的地点；然而偏振光时域反射技术利用的是光纤中的散射光，信号较弱，为提高信噪比可能需要多次平均，动态响应能力相对较低。因此，本发明考虑将偏振光技术与光纤光栅技术进行结合：如前文所述，偏振光技术能够感应到光纤所有点的应力和振动事件，但无法判别位置；而光纤光栅技术能够对光栅位置的状态进行监测。将两种技术结合能够形成一定程度上的互补。
下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
实施例1：
本发明实施例提供了一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，如图1所示，包括光栅解调仪1、拉曼测温仪2、偏振分析仪3、同步触发电路4和处理器5，所述光栅解调仪1、所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3三个检测设备之间呈并联状态；其中，在光栅解调仪1、拉曼测温仪2和偏振分析仪3三个设备中，所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3之间为波分复用，所述光栅解调仪1与其余两个设备之间为时分复用。
参考图1，所述光栅解调仪1、所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3均通过第一光纤接口b1外接多芯光纤7中第一纤芯a1的前端，同时所述偏振分析仪还通过第二光纤接口b2外接多芯光纤中第二纤芯a2的前端，所述第一纤芯a1的末端和所述第二纤芯a2的末端相连接，进而可通过光纤光栅技术、拉曼光时域反射技术和偏振光技术对所述多芯光纤7中的两根纤芯进行同步测量，实现对温度、应变和振动的同时传感。
所述同步触发电路4分别通过电信号线与所述光栅解调仪1、所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3连接，用于触发特定时刻的设备同步进行光脉冲发射和数据采集，具体如下：一方面在T1时刻触发所述拉曼测温仪2和偏振分析仪3同步进行光脉冲发射，并触发两个设备同步进行数据采集；另一方面在T2时刻触发所述光栅解调仪1进行数据采集。对于所述拉曼测温仪2和偏振分析仪3，内部的脉冲光源和数据采集都是需要进行脉冲同步的；当三个检测设备结合使用时，除所述光栅解调仪1所使用的连续光源无需进行同步外，其余光源与光探部分不仅需要在每个设备内进行脉冲同步，在三个设备之间同样需要进行光脉冲和数据采集的同步触发，因此引入公用的同步触发电路4，在信号处理时能够获得时间上完全对准的传感信号，从而便于实现对交叉敏感信号的精确补偿，实现三个设备的同步采集。但由于使用到了时分复用技术，同一时刻的拉曼和偏振是同步的；而光栅本身不是和前两者同一时刻采集的，所以并非同步采集；但由于T1、T2时刻都很短，切换过程中通常外部条件可视为恒定，因此可视为准同步。其中，所述同步触发电路4最常用的是使用555定时器，但在实际使用中，任何能够稳定输出周期脉冲电信号的电路均可采用，此处并不唯一限定。
所述处理器5分别通过电信号线与所述光栅解调仪1、所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3三个设备连接，用于对三个设备采集的数据进行综合分析处理，判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。其中，通过对所述光栅解调仪1和所述拉曼测温仪2采集的数据互补分析(即结合光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术)，可得到所述多芯光纤7当前的温度值和应变值；通过对所述光栅解调仪1和所述偏振分析仪3采集的数据互补分析(即结合光纤光栅技术和偏振光技术)，可判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到所述多芯光纤7当前的振动频率值。所述处理器5具体可以是电脑等具有分析处理功能的设备，不做具体限定，三个检测设备可共用一个处理器进行数据分析。
在实际传感测量时，各检测设备与光纤之间的连接都是外接，即通过对外的光纤接口与光纤连接。其中，所述光栅解调仪1和所述拉曼测温仪2都是反射式的，连接多芯光纤7中的任一纤芯进行传感测量即可；而所述偏振分析仪3不是反射式的，通常需要连接多芯光纤7中的任两个纤芯进行传感测量，才能在单端得到输出。因此，在三个检测设备共同使用的情况下，通常需要多芯光纤7中的至少4根纤芯。而本发明实施例中，所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3之间为波分复用，所述光栅解调仪1与其余两个设备之间为时分复用，因此可将纤芯的检测数量缩减为两根，使得光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术均利用第一纤芯a1实现，而偏振光技术利用第一纤芯a1和第二纤芯a2两个纤芯实现。
本发明提供的多参量光纤传感仪器，将光栅解调仪、拉曼测温仪和偏振分析仪集成，可利用光纤光栅技术、拉曼光时域反射技术和偏振光技术，实现对光纤的应变、温度和振动的同时传感，而通过采用波分复用和时分复用，可缩减多芯光纤中检测所需的纤芯数量，仅需要多芯光纤中的任两根纤芯即可满足三个检测设备的同步采集要求，且连接设置更方便。
其中，所述多芯光纤7包含n个纤芯，n≥2，例如可以是七芯光纤。所述第一纤芯a1和所述第二纤芯a2为n个纤芯中任意选取的两个，在此不做具体限定，其余的纤芯则将作为正常光信号传输使用；如此，便能够实现信号传输光纤(如七芯光纤)的实时环境参数的检测。参考图1，纤芯的前端即图中左端，纤芯的末端即图中右端。
对于三个检测设备，所述光栅解调仪1主要是通过测量FBG波长的变化来实现对温度和应变的传感，所述拉曼测温仪2主要是通过测量光强的变化来实现对温度的传感，所述偏振分析仪3主要是通过测量偏振态的变化来实现对应变和振动的定性分析。结合上述结构，时分复用与波分复用的控制过程具体如下：
时分复用具体可通过对应光源的开关时间来控制：在T1时刻开启所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3的光源，关闭所述光栅解调仪1的光源；在T2时刻开启所述光栅解调仪1的光源，关闭所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3的光源，从而实现光纤光栅技术和其余两技术的时分复用。
当开启所述拉曼测温仪2和所述偏振分析仪3的光源时，一方面，所述拉曼测温仪2可实现温度的传感，另一方面，所述偏振分析仪3可实现应变和振动的定性传感分析。在这个过程中，拉曼检测和偏振检测之间波分复用，具体为：偏振光技术所探测的是前向光，其波长与光源波长一致，为1550nm波段；拉曼测温技术所探测的是斯托克斯光和反斯托克斯光，波长分别为1660nm波段和1450nm波段，从而可进行不同的波长范围检测。
当开启所述光栅解调仪1的光源，所述光栅解调仪1可实现温度和应变的传感；其中，就光纤光栅技术而言，本身即为波分复用，光纤中刻写的多个FBG光栅所对应的原始谐振频率均不相同，但都分布在1525nm～1565nm之间。
下面对三个检测设备的检测原理及结构设计进行具体介绍。
第一，关于光纤光栅技术和光栅解调仪1：
光纤Bragg光栅的应变传感网络一般采用波分复用技术，其原理如图2所示：光源(通常为连续的宽带光源)的光经过耦合器后传输到光纤，在光纤上布有多个FBG传感器，每个传感器具有不同的Bragg波长。宽带光经过多个FBG后，透射光在光谱上有多个波谷，分别对应各FBG的Bragg波长；反射光在光谱上包含多个尖峰，也分别对应各FBG的Bragg波长。通过波长信号解调装置来检测经过耦合器后的反射光的光谱，可得到FBG的Bragg波长，进而得到其传感信号。其中，FBG刻写在多芯光纤中；这里需要注意的是，仅有与所述光栅解调仪1设备相连的纤芯(即所述第一纤芯a1)刻写了光栅FBG；光栅解调仪1外接多芯光纤后，即可利用FBG的反射光进行传感。与时分复用技术相比，波分复用技术优点在于可以一次测量多个波长的多个FBG传感器。
基于上述解调原理，所述光栅解调仪1可有多种实现结构，具体如下：
(1)采用光谱仪解调法，如图3所示，所述光栅解调仪1包括顺次连接设置的第一宽带光源101、光环形器102和光谱仪103，所述光环形器102通过对应的光纤接口外接所述多芯光纤7，所述光谱仪103与公用的处理器5相连。解调原理具体为：所述第一宽带光源101发射的连续宽带光经过所述光环形器102传输到光纤布拉格光栅FBG后，反射光穿过所述光环形器102进入所述光谱仪103，利用所述光谱仪103测量波长的偏移量，从而由所述处理器5根据波长变化计算得到待测量的物理量(温度或应变)的值。
为保证数据采集的同步触发，所述光谱仪103与所述同步触发电路4连接，所述同步触发电路4产生一定重复频率的脉冲，向所述光谱仪103发送同步脉冲，使其开始数据采集。
光谱仪解调是最简单、最直接的解调方法，优点是检测准确、灵敏度高、操作方便，缺点是成本高、设备体积大。因此，光谱仪解调法通常不在工程环境中使用，一般在实验室里用作研究。
(2)采用边沿滤波解调法，如图4所示，所述光栅解调仪1包括顺次连接设置的第二宽带光源104、第一耦合器105、第一分光器106，以及第一光电探测器107、边沿滤波器108、第二光电探测器109和第一数据采集卡110。所述第一耦合器105通过对应的光纤接口外接所述多芯光纤7，所述第一光电探测器107分别与所述第一分光器106和所述第一数据采集卡110连接，所述第二光电探测器109分别与所述边沿滤波器108和所述第一数据采集卡110连接，所述边沿滤波器108与所述第一分光器106连接。所述第一数据采集卡110具体为双通道数据采集卡，并与公用的处理器5相连。
解调原理具体为：所述第二宽带光源104发射的连续宽带光经过所述第一耦合器105传输到FBG后，反射光穿过所述第一耦合器105进入所述第一分光器106，一部分光未经衰减，直接经所述第一光电探测器107探测后由所述第一数据采集卡110进行数据采集；另一部分光经所述边沿滤波器108滤波后发生衰减，再经所述第二光电探测器109探测后由所述第一数据采集卡110进行数据采集。由此，可检测到反射光衰减前和衰减后的光强，确定光强的衰减量，进而获取波长的偏移量，由所述处理器5根据波长变化计算得到待测量的物理量的值。
为保证数据采集的同步触发，所述第一数据采集卡110与所述同步触发电路4连接，所述同步触发电路4产生一定重复频率的脉冲，向所述第一数据采集卡110发送同步脉冲，使其开始数据采集。
边沿滤波器解调法的优点在于对信号的处理很方便，并且价格便宜，但缺点是需要控制工作区域，这是因为边沿滤波器的线性工作区域是有一定范围的，所以在设计解调系统的时候需要特意设置布拉格条件，让反射光的中心波长在边沿滤波器的线性工作区域里。
(3)采用可调谐F-P滤波器解调法，如图5所示，所述光栅解调仪1包括顺次连接设置的第三宽带光源111、第二耦合器112、F-P可调谐滤波器113、第三光电探测器114和第二数据采集卡115，还包括放大器116、控制系统117和信号发生器118。所述第二耦合器112通过对应的光纤接口外接所述多芯光纤7，所述放大器116分别与所述第三光电探测器114和所述控制系统117连接，所述控制系统117与所述信号发生器118连接，所述信号发生器118与所述F-P可调谐滤波器113连接，以便为所述F-P可调谐滤波器113加载扫描电压。所述第二数据采集卡115与公用的处理器5相连。
解调原理具体为：所述第三宽带光源111发射的宽带光经过所述第二耦合器112传输到FBG后，反射光穿过所述第二耦合器112进入所述F-P可调谐滤波器113，所述F-P可调谐滤波器113加载锯齿扫描电压，并且在反射波长附近来回扫描所述F-P可调谐滤波器113的透射光的中心波长。如果这个时候所述F-P可调谐滤波器113刚好扫描到FBG的反射波长，由于所述F-P可调谐滤波器113和FBG的反射波长重合，则所述第三光电探测器114可以检测到光强的最大强度，进而获得波长的偏移量，由所述处理器5根据波长变化计算得到待测量的物理量的值。
为保证数据采集的同步触发，所述第二数据采集卡115与所述同步触发电路4连接，所述同步触发电路4产生一定重复频率的脉冲，向所述第二数据采集卡115发送同步脉冲，使其开始数据采集。
可调谐F-P滤波器解调方法的优点在于解调的波长范围广，特别适用于多个FBG检测系统(即分布式光纤光栅传感系统)，解调的效率高，仪器小巧，方便集成在监测系统中。缺点是可调谐F-P滤波器内部采用的是压电陶瓷作为控制F-P腔的腔长进而控制透射波长，所以检测灵敏度会受到压电陶瓷的特性的影响，比如温漂和零漂等，具体可以通过一定的外部补偿措施来减小它的影响，提高检测系统的灵敏度。
(4)采用可调谐窄带光源解调法，如图6所示，所述光栅解调仪1包括顺次连接设置的可调谐窄带光源119、第三耦合器120、数字示波器121，所述可调谐窄带光源119用于发射连续窄带光。所述可调谐窄带光源119固定在锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramictransducer，简写为PZT)122上，且所述PZT 122由锯齿波或正弦电压驱动；所述数字示波器121与所述可调谐窄带光源119连接，还与公用的处理器5相连；所述第三耦合器120通过对应的光纤接口外接所述多芯光纤7。其中，在所述可调谐窄带光源119和所述第三耦合器120之间还可设置隔离器123。
解调原理具体为：利用波长的窄带光谱，通过所述数字示波器121周期性地对传感光栅FBG的反射光谱进行扫描。当所述PZT 122由锯齿波或正弦电压驱动时，所述可调谐窄带光源119的光谱在一定范围内变化，当可调谐窄带光源119的输出波长与传感光栅FBG的反射波长相同时，所述数字示波器121接收的信号强度最大；再通过所述PZT 122的电压和波长调谐关系，即可获得FBG波长的偏移量，由所述处理器5根据波长变化计算得到待测量的物理量的值。
为保证数据采集的同步触发，所述数字示波器121与所述同步触发电路4连接，所述同步触发电路4产生一定重复频率的脉冲，向所述数字示波器121发送同步脉冲，使其同步开始数据采集。
(5)采用匹配光栅滤波解调法。匹配光栅滤波解调法是使用一个已知的接收光栅的波长经过一定的方法去测量传感光栅的波长，匹配光栅滤波解调一般有两种方法：一是反射模式，即传感信号通过传感光栅进入匹配光栅检测反射光强度，当探测器接收到最大的光强时，传感光栅与匹配光栅的中心波长完全匹配；二是透射模式，类似于反射法检测透射光强度，当检测器接收到最小光强时，可以获得传感光栅的中心发射波长。
第二，关于拉曼光时域反射技术和拉曼测温仪2：
参考图7，所述拉曼测温仪2通常可包括顺次连接设置的脉冲光源201、WDM耦合器202、第二分光器203、光电探测模块和第三数据采集卡204，所述光电探测模块包括第四光电探测器205和第五光电探测器206，分别用于探测光纤中反射回的斯托克斯拉曼散射光(Stokes光)和反斯托克斯拉曼散射光(Anti-Stokes光)；所述WDM耦合器202通过对应的光纤接口外接所述多芯光纤7。所述第三数据采集卡204采用双通道数据采集卡，并与公用的处理器5相连。
解调原理具体为：所述脉冲光源201发射的光脉冲通过所述WDM耦合器202(双向耦合器)耦合进传感光纤(即本发明实施例中的多芯光纤)，并在传播过程中与光纤介质中的分子相互作用而不断地产生背向拉曼散射光(散射光的强度受光纤沿线的温度场调制)，反射回的背向拉曼散射光被送入所述WDM耦合器202进行滤波，然后通过所述第二分光器203，将分离出的Stokes散射光和Anti-Stokes散射光分别输入所述第四光电探测器205和所述第五光电探测器206，进行光电转换，并将电平信号放大至所述第三数据采集卡204的有效采集范围内。所述第三数据采集卡204以一定的采样频率对传感光纤沿线的散射信号进行采集，采集到的数据被依次储存于指定的存储器或所述处理器5中，由所述处理器5根据光强计算得到待测量的温度值。
为保证光脉冲和数据采集的同步触发，所述脉冲光源201和所述第三数据采集卡204分别与所述同步触发电路4连接，所述同步触发电路4产生一定重复频率的脉冲，一方面调制所述脉冲光源201产生很窄的探测光脉冲，一方面向所述第三数据采集卡204发送同步脉冲，使其同步开始数据采集。一次温度信息采集过程完成后，所述同步触发电路4控制所述脉冲光源201发出下一个探测脉冲光。系统重复上述过程，依据系统设定，存储器或所述处理器5中的数据会经过累加平均等处理，最终通过温度解调和图形显示，得到传感光纤沿线的温度测量曲线。
第三，关于偏振光技术和偏振分析仪3：
参考图8，所述偏振分析仪3包括顺次连接设置的光源301、起偏器302、检偏器303、光探测器304和第四数据采集卡305。所述起偏器302和所述检偏器303分别通过对应的光纤接口外接所述多芯光纤7，其中，所述起偏器302通过第一光纤接口b1外接多芯光纤7中第一纤芯a1的前端，所述检偏器303可通过第二光纤接口b2外接多芯光纤7中第二纤芯a2的前端。
解调原理具体为：所述光源301发射周期性的光脉冲信号，光脉冲信号由所述起偏器302起偏后变为线偏振光，该线偏振光进入传感光纤(即图中的多芯光纤7)再进入所述检偏器303，将偏振信息转化为光强信息，该信号经过所述光探测器304被转化为电信号，并被所述第四数据采集卡305采集存储，由所述处理器5进行进一步的数据处理。
为保证光脉冲和数据采集的同步触发，所述光源301和所述第四数据采集卡305分别与所述同步触发电路4连接，所述同步触发电路4产生一定重复频率的脉冲，一方面调制所述光源301产生探测光脉冲，一方面向所述第四数据采集卡305发送同步脉冲，使其同步开始数据采集。
以上所述为光栅解调仪1、拉曼测温仪2和偏振分析仪3比较常用的几种结构设计，在实际使用时还可根据需要设置其他的结构组成，在此不一一赘述。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明实施例进一步将光栅解调仪1、拉曼测温仪2、偏振分析仪3这三个检测设备中的部分功能作用相同的结构进行集成简化，提供了另一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，与实施例1中的多参量光纤传感仪器相比，结构更简单，成本更低，而且能够与实施例1中的结构实现同样的功能。
如图9所示，本发明实施例提供的多参量光纤传感仪器包括拉曼光源601、偏振光源602、光纤光栅光源603、起偏器604、耦合器605、环形器606、分光器607、检偏器608、偏振光探测器609、stokes光探测器610、anti-stokes光探测器611、光栅解调装置612、采集卡613、同步触发电路4和处理器5；其中，在三个光源中，所述拉曼光源601和所述偏振光源602发射后产生的待探测信号分布在不同波段，可通过波分解复用技术解复用后分别探测，所述光纤光栅光源603与其余两个光源之间为时分复用。
所述拉曼光源601、所述偏振光源602、所述光纤光栅光源603分别与所述耦合器605连接，且所述偏振光源602通过所述起偏器604与所述耦合器605连接。所述耦合器605、所述环形器606、所述检偏器608和所述偏振光探测器609顺次连接；所述环形器606还与所述分光器607连接，所述分光器607分别与所述光栅解调装置612、stokes光探测器610和anti-stokes光探测器611连接，所述光栅解调装置612、stokes光探测器610、anti-stokes光探测器611和偏振光探测器609分别与所述采集卡613连接，所述采集卡613与所述处理器5连接。其中，所述环形器通过第一光纤接口b1外接多芯光纤中第一纤芯a1的前端，所述检偏器通过第二光纤接口b2外接多芯光纤中第二纤芯a2的前端，所述第一纤芯a1的末端和所述第二纤芯a2的末端相连接。
所述同步触发电路4分别通过电信号线与所述拉曼光源601、偏振光源602和所述采集卡613连接，用于触发所述拉曼光源601和所述偏振光源602进行光脉冲发射的同时，同步触发所述采集卡613进行数据采集，进而保持光脉冲发射和数据采集的同步。其中，所述同步触发电路4最常用的是使用555定时器，但在实际使用中，任何能够稳定输出周期脉冲电信号的电路均可采用，此处并不唯一限定。
所述处理器5通过电信号线与所述采集卡613连接，用于对所述采集卡613采集的多项数据进行综合分析处理，判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。其中，通过采集所述光栅解调装置612、stokes光探测器610和anti-stokes光探测器611探测到的数据并分析处理，可得到所述多芯光纤7当前的温度值和应变值；通过采集所述光栅解调装置612和所述偏振光探测器609探测到的数据并分析处理，可判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到所述多芯光纤7当前的振动频率值。
本发明提供的多参量光纤传感仪器，将光栅解调仪、拉曼测温仪和偏振分析仪进一步集成简化，可利用光纤光栅技术、拉曼光时域反射技术和偏振光技术，实现对光纤的应变、温度和振动的同时传感，而通过合理采用波分复用和时分复用，可缩减多芯光纤中检测所需的纤芯数量，仅需要多芯光纤中的任两根纤芯即可满足三个检测设备的准同步采集要求，连接设置更方便。
结合上述结构，时分复用与波分复用的控制过程具体如下：
时分复用具体可通过对应不同技术的光源的开关时间来控制，例如，在T1时刻开启偏振光源602和拉曼光源601，关闭光纤光栅光源603，在T2时刻开启光纤光栅光源603，关闭偏振光源602和拉曼光源601，从而实现光纤光栅技术和其余两技术的时分复用。
当开启偏振光源602和拉曼光源601时，一方面，所述拉曼光源601产生的光脉冲依次经过所述耦合器605和所述环形器606后耦合进传感光纤(即本发明实施例中的多芯光纤)，并在传播过程中不断地产生背向拉曼散射光，反射回的背向拉曼散射光经所述环形器606后到达所述分光器607，将分离出的Stokes散射光和Anti-Stokes散射光分别输入所述stokes光探测器610和anti-stokes光探测器611，进行光电转换，最终由所述采集卡613进行数据采集。另一方面，所述偏振光源602产生的光脉冲经过所述起偏器604起偏后变为线偏振光，该线偏振光经所述环形器606后进入传感光纤，再进入所述检偏器608，将偏振信息转化为光强信息，该信号经过所述偏振光探测器609被转化为电信号，最终由所述采集卡613进行数据采集。
其中，在上述过程中，拉曼检测和偏振检测之间波分复用，具体为：偏振光技术所探测的是前向光，其波长与光源波长一致，为1550nm波段；拉曼测温技术所探测的是斯托克斯光和反斯托克斯光，分别由所述stokes光探测器610和所述anti-stokes光探测器611探测，探测的波长分别为1660nm波段和1450nm波段，从而可进行不同的波长范围检测。
当开启光纤光栅光源603时，所述光纤光栅光源603发射的连续光依次经过所述耦合器605和所述环形器606后进入传感光纤，反射光经所述环形器606达到所述分光器607，分离出的光经所述光栅解调装置612进行波长的信号解调，并最终由所述采集卡613进行数据采集。其中，就光纤光栅技术而言，本身即为波分复用的，光纤中刻写的多个FBG光栅所对应的原始谐振频率均不相同，但都分布在1525nm～1565nm之间。
其中，所述光栅解调装置612的具体结构组成可参考实施例1，当采用光谱仪解调法时，所述光栅解调装置612具体为光谱仪103；当采用边沿滤波解调法时，所述光栅解调装置612具体包括第一光电探测器107、边沿滤波器108和第二光电探测器109；当采用可调谐F-P滤波器解调法时，所述光栅解调装置612具体包括F-P可调谐滤波器113、第三光电探测器114、放大器116、控制系统117和信号发生器118；当采用可调谐窄带光源解调法时，所述光栅解调装置612具体为数字示波器121。对于每种结构组成，具体的光路结构和检测原理均可参考实施例1，在此不做赘述。
进一步参考图10，由于所述拉曼光源601和所述偏振光源602的开关时间相同，而且发射波长也一致，因此可将两个光源进行合并，记为拉曼/偏振光源。在该结构中，所述拉曼/偏振光源通过所述起偏器604与所述耦合器605连接，所述同步触发电路4分别通过电信号线与所述拉曼/偏振光源和所述采集卡613连接，进而保持光脉冲发射和数据采集的同步。其余结构仍与图9所示的结构相同，在此不做赘述。
实施例3：
本发明实施例提供了一种基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，可采用实施例1或实施例2中所述的多参量光纤传感仪器来完成。在介绍本发明实施例的多参量光纤传感方法之前，首先对各传感技术的计算公式及其推导进行介绍：
一.拉曼光时域反射技术(拉曼测温技术)
对于拉曼光时域反射技术，主要是响应温度参量。反斯托克斯散射光对温度敏感，其强度受温度调制；而斯托克斯散射光强度也与温度有一定的关系，但受温度影响很小。因此，在测量时，需要采集斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的强度，并将反斯托克斯光作为信号光，将斯托克斯光作为参考光进行解调。在任一温度T下，信号光和参考光的关系为：
以T0作为参考温度，则在参考温度T0下信号光和参考光有以下关系：
将式(1)和式(2)相除，得到光纤任意点处的温度T满足以下关系：
其中，ψs为对应温度下光纤中斯托克斯散射光(即参考光)的光通量，ψas为对应温度下光纤中反斯托克斯散射光(即信号光)的光通量，可通过拉曼光时域反射技术实际测量得到。k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量，Δv为光纤中声子频率。vas和vs分别为反斯托克斯拉曼散射光子频率和斯托克斯拉曼散射光子频率；αas和αs分别为反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光的光纤传输损耗；βas和βs分别为与反斯托克斯拉曼散射和斯托克斯拉曼散射截面有关的系数，L为待测点在光纤中所处的位置，具体为待测点到光纤前端的距离。由式(3)得到拉曼公式如下：
其中，μT为拉曼温度系数，且
在使用拉曼公式进行温度解调时，μT具体可通过预先拟合确定。
二.光纤光栅技术
对于光纤光栅技术，主要是响应温度参量和应变参量。光纤Bragg光栅的波长匹配条件为λB＝2neffΛ，这是该光纤光栅的基本公式，是进行传感特性研究的基础；其中，λB为Bragg光栅中心波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。由该式，能够使得光栅有效折射率或周期改变的物理量都能影响其中心波长，应力和温度是最显著改变光纤Bragg光栅波长的物理量。在计算公式给出之前，需要说明的是，研究表明，温度产生的热效应和应变产生的力效应可认为是相对独立的。根据上述基本公式可知，所引起的波长变化如下：
ΔλB＝2Λ·Δneff+2neff·ΔΛ (5)
假设温度不变，则光栅仅受应变作用，考虑均匀轴向应力作用，应变所引起的光纤Bragg光栅中心波长变化ΔλB与应变ε之间满足以下关系：
由上述公式(6)变形得到：
ΔλB＝λB(1-Pe)ε＝αεε (7)
其中，Pe为有效弹光系数，且
v为纤芯材料的柏松比；P11和P12为弹光系数中的任意两个值，与纤芯材料有关，弹光系数是指一个包含很多值的矩阵，而P11和P12是弹光系数的一部分。αε为光栅应变系数，且αε＝λB(1-Pe)。
从上述公式可以看出，当光栅材料确定后，应变ε与中心波长变化ΔλB呈线性关系，在实际使用该技术进行应变测量时，只需通过预先拟合确定ΔλB与ε的关系即可，也就是确定光栅应变系数αε。需要注意的是，由于在公式推导过程中进行了泰勒展开并略去了高阶项，上述线性关系应当在应变较小时适用。在本发明实施例中，优选的是根据测量结果计算得到相应的线性关系区间，而所述线性关系区间可以通过拟合直线来确认区间范围，在此不再赘述。因此，在具体应用场景中，本发明提出的线性拟合区间，以及拟合关系式，可以在具体检测值落入相应线性关系区间时，直接根据线性关系式反馈应力值，从而提高整个系统的计算和响应效率。而超出所述线性关系的，则根据普通的公式进行计算，这也是本发明实施例提出线性关系区间的意义所在。其中，“普通的公式”具体是指非泰勒展开前的公式，而本发明实施例中的计算公式是进行泰勒展开后优化的公式。
假设应变不变，则光栅仅受温度影响，温度通过热光效应和热膨胀效应分别影响有效折射率和光栅周期，温度所引起的光纤Bragg光栅中心波长变化ΔλB与温度变化量ΔT之间满足以下关系：
由上述公式(8)变形得到：
ΔλB＝λB(α+ξ)ΔT＝αTΔT (9)
其中，α为光纤光栅的热膨胀系数，且
ξ为光纤光栅的热光系数，且
αT为光栅温度系数，且αT＝λB(α+ξ)。
从上述公式可以看出，温度变化量ΔT与中心波长变化ΔλB呈线性关系，且与应变类似，在实际使用该技术进行温度测量时，只需通过预先拟合确定ΔλB与ΔT的关系即可，也就是确定光栅温度系数αT。
上面分别假设温度不变仅分析应变和假设应变不变仅分析温度做了说明，而温度和应变可以看作是相互独立、线性叠加的。因此，结合公式(7)和公式(9)，在同时分析温度和应变时，中心波长变化ΔλB与应变ε、温度变化量ΔT之间的满足以下关系：
ΔλB＝αεε+αTΔT (10)
上述公式(10)即为后续使用的光栅公式。
如图11所示，本发明实施例提供的多参量光纤传感方法主要包括：
步骤10，在T1时刻开启偏振光源和拉曼光源，关闭光纤光栅光源，以便利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量，利用偏振光技术对多芯光纤中的第一纤芯a1和第二纤芯a2进行传感测量。
结合实施例1和实施例2，光纤光栅技术主要实现温度和应变的传感，拉曼光时域反射技术主要实现温度的定量传感分析，偏振光技术主要实现应变和振动的定性传感分析。其中，对不同参量的同步传感通过所述同步触发电路4来触发实现，进而保持光脉冲发射和数据采集的同步。
光纤光栅技术与其余两检测技术之间为时分复用，因此可先开启偏振光源和拉曼光源，而关闭光纤光栅光源，如此一来可先利用拉曼光时域反射技术和偏振光技术进行传感测量。其中，利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量后，可得到多芯光纤中斯托克斯散射光的光通量ψs(T)和反斯托克斯散射光光通量ψas(T)；利用偏振光技术对多芯光纤中的第一纤芯a1和第二纤芯a2进行传感测量后，可得到多芯光纤中光强的变化情况，并进行振动频率的提取。在此过程中，拉曼光时域反射技术和偏振光技术之间为波分复用，其中偏振光技术所探测的是前向光，其波长与光源波长一致，为1550nm波段；拉曼测温技术所探测的是斯托克斯光和反斯托克斯光，波长分别为1660nm波段和1450nm波段。
步骤20，在T2时刻开启光纤光栅光源，关闭偏振光源和拉曼光源，以便利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量。
光纤光栅技术与其余两检测技术之间为时分复用，先利用拉曼光时域反射技术和偏振光技术进行传感测量后，关闭偏振光源和拉曼光源，开启光纤光栅光源，进而可继续利用光纤光栅技术实现温度和应变的传感。其中，利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯a1进行传感测量后，可得到多芯光纤中光纤布拉格光栅的波长变化量ΔλB。此后以T1+T2为一个周期，重复循环执行上述步骤10和步骤20。
步骤30，将拉曼光时域反射技术、偏振光技术和光纤光栅技术采集的数据进行综合处理确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
其中，将光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术采集的数据进行综合处理，可得到多芯光纤当前环境参数中的温度值和应变值；将光纤光栅技术和偏振光技术采集的数据进行综合处理，可确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前环境参数中的振动频率值。
第一方面，所述将光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术采集的数据进行综合处理，可得到多芯光纤当前环境参数中的温度值和应变值，具体实现过程如下：
首先，通过拉曼时域反射技术实现温度的定量分析，即根据拉曼光时域反射技术检测到的ψs(T)和ψas(T)，利用拉曼公式解调出所述多芯光纤当前的温度值T。具体为：结合拉曼公式
预先设定一参考温度T0，对应的ψas(T0)和ψs(T0)均已知，拉曼温度系数μT也预先标定；温度T下的ψas(T)和ψs(T)已经采集到，因此利用拉曼公式即可求解出唯一的未知数T。
然后，通过拉曼时域反射技术对光纤光栅技术进行温度补偿，实现应变的定量分析，即基于拉曼公式解调出的温度值T和光纤光栅技术检测到的ΔλB，利用光栅公式解调出所述多芯光纤当前的应变值ε。具体为：基于上面得到的所述温度值T可确定温度变化量ΔT，然后结合光栅公式ΔλB＝αεε+αTΔT，光栅应变系数αε和光栅温度系数αT均已预先标定，ΔλB已经采集到，因此通过光栅公式即可求解出唯一的未知数ε。
其中，对拉曼公式和光栅公式中的系数进行预先标定的过程具体为：
对多芯光纤多次加温至不同的温度，并分别测量出对应的ψs和ψas，根据拉曼公式(4)多次拟合后确定其中的拉曼温度系数μT；
对多芯光纤多次加温至不同的温度(需保持应变不变)，并分别测量出对应的波长变化量ΔλB，根据公式(9)多次拟合后确定光栅公式中的光栅温度系数αT以及该光栅公式适用的温度范围；
对多芯光纤多次施加不同的应变(需保持温度不变)，并分别测量出对应的波长变化量ΔλB，根据公式(7)多次拟合后确定光栅公式中的光栅应变系数αε以及该光栅公式适用的应变范围。
第二方面，所述将光纤光栅技术和偏振光技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的振动频率值，具体如下：
对于应变或振动强度的大小，偏振光技术仅能实现定性分析，因此这里将偏振光技术定性分析振动的结果作为光纤光栅技术点式振动测量的补充，进而可确定整条光纤链路上是否有振动或应变等事件。
除此之外，偏振光技术还能够实现振动频率的提取，简单来说，可以测量整条光纤的振动频率。当连续发生振动时，若振动不存在周期关系，则不考虑频率提取，当连续发生振动且振动存在周期关系时，则可利用偏振光技术检测的一定时间间隔内的脉冲变化次数，计算得到多芯光纤当前的振动频率值。其中，当振动为单一频率时，在时间间隔t内，测得脉冲变化n次，则振动频率f＝n/t。多频情况实质上为多个单频信号的叠加，仅需通过傅里叶变换即可获取信号频率。
本发明提供的上述多参量光纤传感方法中，利用光纤光栅技术、拉曼光时域反射仪技术和偏振光技术，配合多芯光纤的多路并行光链路，对多芯光纤中的两根纤芯进行同步测量，实现对光纤的应变、温度和振动的同时传感；其中，通过光纤光栅技术和拉曼光时域反射仪技术的结合，可同步测量并有效区分温度和应变，进行定量分析，而通过光纤光栅技术和偏振光技术的结合可有效获取整条光纤的状态，并进行振动频率的提取。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
Claims (10)
1.一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，其特征在于，包括光栅解调仪、拉曼测温仪、偏振分析仪和处理器；其中，在光栅解调仪、拉曼测温仪和偏振分析仪三个设备中，所述拉曼测温仪和所述偏振分析仪之间为波分复用，所述光栅解调仪与其余两个设备之间为时分复用；
所述光栅解调仪、所述拉曼测温仪和所述偏振分析仪均通过第一光纤接口(b1)外接多芯光纤中第一纤芯(a1)的前端，所述偏振分析仪还通过第二光纤接口(b2)外接多芯光纤中第二纤芯(a2)的前端，所述第一纤芯(a1)的末端和所述第二纤芯(a2)的末端相连接；
所述处理器分别与所述光栅解调仪、拉曼测温仪和偏振分析仪三个仪器连接，用于对三个设备采集的数据进行综合分析处理，判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，其特征在于，多参量光纤传感仪器还包括同步触发电路，所述同步触发电路分别与所述光栅解调仪、所述拉曼测温仪和所述偏振分析仪三个设备连接，用于触发特定时刻的设备同步进行光脉冲发射和数据采集。
3.一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，其特征在于，包括拉曼光源、偏振光源、光纤光栅光源、起偏器、耦合器、环形器、分光器、检偏器、偏振光探测器、stokes光探测器、anti-stokes光探测器、光栅解调装置、采集卡和处理器；其中，在三个光源中，所述拉曼光源和所述偏振光源发射后产生的待探测信号分布在不同波段，通过波分解复用技术解复用后分别探测，所述光纤光栅光源与其余两个光源之间为时分复用；
所述拉曼光源、所述偏振光源、所述光纤光栅光源分别与所述耦合器连接，所述耦合器、所述环形器、所述检偏器和所述偏振光探测器顺次连接；所述环形器还与所述分光器连接，所述分光器分别与所述光栅解调装置、stokes光探测器和anti-stokes光探测器连接，所述光栅解调装置、stokes光探测器、anti-stokes光探测器和偏振光探测器分别与所述采集卡连接，所述采集卡与所述处理器连接；
所述环形器通过第一光纤接口(b1)外接多芯光纤中第一纤芯(a1)的前端，所述检偏器通过第二光纤接口(b2)外接多芯光纤中第二纤芯(a2)的前端，所述第一纤芯(a1)的末端和所述第二纤芯(a2)的末端相连接；
其中，所述处理器用于对所述采集卡采集的数据进行综合分析处理，判断整条光纤链路上是否有扰动，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
4.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器，其特征在于，多参量光纤传感仪器还包括同步触发电路，所述同步触发电路分别与所述拉曼光源、偏振光源和所述采集卡连接，用于触发所述拉曼光源和所述偏振光源进行光脉冲发射，以及触发所述采集卡进行数据采集，保持光脉冲发射和数据采集的同步。
5.一种基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，其特征在于，包括：
在T1时刻开启偏振光源和拉曼光源，关闭光纤光栅光源，以便利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯(a1)进行传感测量，利用偏振光技术对多芯光纤中的第一纤芯(a1)和第二纤芯(a2)进行传感测量；
在T2时刻开启光纤光栅光源，关闭偏振光源和拉曼光源，以便利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯(a1)进行传感测量；
将拉曼光时域反射技术、偏振光技术和光纤光栅技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值。
6.根据权利要求5所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，其特征在于，利用光栅技术对多芯光纤中的第一纤芯(a1)进行传感测量后，得到多芯光纤中光纤布拉格光栅的波长变化量ΔλB；
利用拉曼光时域反射技术对多芯光纤中的第一纤芯(a1)进行传感测量后，得到多芯光纤中斯托克斯散射光的光通量ψs(T)和反斯托克斯散射光光通量ψas(T)；
利用偏振光技术对多芯光纤中的第一纤芯(a1)和第二纤芯(a2)进行传感测量后，得到多芯光纤中光强的变化情况，并进行振动频率的提取。
7.根据权利要求6所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，其特征在于，所述将拉曼光时域反射技术、偏振光技术和光纤光栅技术采集的数据进行综合处理确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前的温度值、应变值和振动频率值，具体包括：
将光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术采集的数据进行综合处理，得到多芯光纤当前环境参数中的温度值和应变值；
将光纤光栅技术和偏振光技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前环境参数中的振动频率值。
8.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，其特征在于，所述将光纤光栅技术和拉曼光时域反射技术采集的数据进行综合处理，得到多芯光纤当前环境参数中的温度值和应变值，具体为：
根据拉曼光时域反射技术检测到的ψs(T)和ψas(T)，利用拉曼公式解调出所述多芯光纤当前环境参数中的温度值T；
基于拉曼公式解调出的温度值T和光纤光栅技术检测到的ΔλB，利用光栅公式解调出所述多芯光纤当前环境参数中的应变值ε。
9.根据权利要求8所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，其特征在于，所述拉曼公式具体为：
其中，T0为参考温度，ψs为对应温度下光纤中斯托克斯散射光的光通量，ψas为对应温度下光纤中反斯托克斯散射光的光通量；μT为拉曼温度系数，通过预先拟合确定；
所述光栅公式具体为：
ΔλB＝αεε+αTΔT
其中，αε为光栅应变系数，αT为光栅温度系数，均通过预先拟合确定。
10.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的多参量光纤传感方法，其特征在于，所述将光纤光栅技术和偏振光技术采集的数据进行综合处理，确定整条光纤链路上是否有振动或应变，并得到多芯光纤当前环境参数中的振动频率值，具体为：
将偏振光技术定性分析振动的结果作为光纤光栅技术点式振动测量的补充，确定整条光纤链路上是否有振动或应变；
当连续发生振动且振动存在周期关系时，利用偏振光技术检测的一定时间间隔内的脉冲变化次数，计算得到多芯光纤当前的振动频率值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910764600.8A CN110440838B (zh) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910764600.8A CN110440838B (zh) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110440838A CN110440838A (zh) | 2019-11-12 |
| CN110440838B true CN110440838B (zh) | 2021-09-21 |
Family
ID=68436400
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910764600.8A Active CN110440838B (zh) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110440838B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113804351B (zh) * | 2020-06-16 | 2024-03-22 | 潍坊嘉腾液压技术有限公司 | 螺旋管路内压力响应及压力分布的检测系统 |
| CN111664881A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-09-15 | 南京信息工程大学 | 基于多芯少模光纤的双向分布式传感系统及方法 |
| CN113532539B (zh) * | 2021-07-27 | 2024-01-26 | 安徽理工大学 | 同时测量温度、应变和压力的光纤传感系统、方法及装置 |
| CN114184276A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-03-15 | 深圳华迈兴微医疗科技有限公司 | 一种基于光纤的多通道采光方法及装置 |
| CN114485748B (zh) * | 2022-01-17 | 2023-06-23 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种多参量分布式光纤传感的方法和系统 |
| CN116989832B (zh) * | 2023-09-26 | 2023-12-26 | 北京大学 | 一种可变多空间传感尺度地震勘探方法及系统 |
| CN117606528B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-05-17 | 山东中芯光电科技有限公司 | 一种基于dbr激光器的f-p传感器解调方法及系统 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK0713077T3 (da) * | 1994-11-17 | 2000-06-13 | Cit Alcatel | Fremgangsmåde til detektering og/eller måling af fysiske størrelser under anvendelse af en distribueret føler |
| CN102901525B (zh) * | 2012-10-15 | 2015-07-22 | 武汉理工大学 | 超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法 |
| US9810557B2 (en) * | 2014-02-10 | 2017-11-07 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Multicore optical fiber apparatus, methods, and applications |
| US9778077B2 (en) * | 2014-02-28 | 2017-10-03 | Hitachi, Ltd. | Optical fiber sensor device |
| CN104454007B (zh) * | 2014-10-15 | 2016-08-24 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统 |
| IL254803B2 (en) * | 2017-09-29 | 2023-09-01 | Prisma Photonics Ltd | Distributed amplification optimized for fiber sensing |
| CN109269624B (zh) * | 2018-10-09 | 2020-09-01 | 武汉理工大学 | 基于波分与时分联合复用的分布式管道监测装置与方法 |
| CN109901272B (zh) * | 2019-04-15 | 2024-07-02 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种多芯光纤智能复合筋、制备方法以及安全监测方法 |
| CN110007392A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-07-12 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种复合多芯光纤的智能纤维板及其制备方法 |
-
2019
- 2019-08-19 CN CN201910764600.8A patent/CN110440838B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110440838A (zh) | 2019-11-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110440838B (zh) | 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 | |
| CN210089716U (zh) | 一种基于多芯光纤传感的多参量同步传感采集仪 | |
| Kersey et al. | Fiber grating sensors | |
| Chehura et al. | Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating | |
| US5945666A (en) | Hybrid fiber bragg grating/long period fiber grating sensor for strain/temperature discrimination | |
| US6888125B2 (en) | Fiber optic sensing systems and method of use thereof | |
| US7157693B2 (en) | Optical wavelength interrogator | |
| US8909040B1 (en) | Method and apparatus of multiplexing and acquiring data from multiple optical fibers using a single data channel of an optical frequency-domain reflectometry (OFDR) system | |
| CN104864911B (zh) | 基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置及方法 | |
| US7129470B2 (en) | Optical sensor using a long period grating suitable for dynamic interrogation | |
| US10731969B2 (en) | In-line fiber sensing, noise cancellation and strain detection | |
| CN110440837B (zh) | 一种多参量光纤同步传感采集仪和传感采集方法 | |
| Zou et al. | Dynamic strain measurement using two wavelength-matched fiber Bragg grating sensors interrogated by a cascaded long-period fiber grating | |
| EP0272466B1 (en) | Distributed temperature sensor using an optical fibre as sensing element | |
| Zhou et al. | Simultaneous strain and temperature measurement with fiber Bragg grating and multimode fibers using an intensity-based interrogation method | |
| Song et al. | The interrogation of quasi-distributed optical FBG sensing system through adopting a wavelength-tunable fiber chaotic laser | |
| US11391645B2 (en) | Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system | |
| CN103389172B (zh) | 基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法 | |
| CN104729750A (zh) | 一种基于布里渊散射分布式光纤温度传感器 | |
| US20040057645A1 (en) | Fiber optic cylinder pressure measurement system for a combustion engine | |
| Nunes et al. | FBG sensor multiplexing system based on the TDM and fixed filters approach | |
| Posey et al. | An eight-channel fiber-optic Bragg grating and stimulated Brillouin sensor system for simultaneous temperature and strain measurements | |
| Kaplan et al. | Simultanous measurement of temperature and strain based on HiBi FBG using OFDR | |
| CN219914342U (zh) | 一种长距离单多模混合光纤工程应变监测系统 | |
| Kersey | Monitoring structural performance with optical TDR techniques |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |