一种可实时故障监测的多路光纤液位测量系统及故障监测
方法技术领域
本发明属于液位测量领域，更具体地，涉及一种可实时故障监测的多路光纤液位
测量系统及故障监测方法。
背景技术
液位测量技术在工业上有广泛且重要的应用。例如在石油化工领域，常常需要测
定容器中的液位高度；在抗洪防汛方面，也需要对江河水位进行密切监测。传统的液位传感
器主要有浮子式、电容式、电阻式、压力式和雷达式等。随着光纤传感技术的发展，应用与液
位测量的光纤传感器越来越多，相比传统液位传感器，具有体积小、重量轻、绝缘性好、安全
性好、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。
常见的光纤液位传感器主要有光纤微结构液位传感器、光纤光栅液位传感器、光
纤法布里-珀罗液位传感器等。这些光纤液位传感器受制于光纤微结构长度、光栅栅区长
度、法布里-珀罗干涉腔长度等因素，测量范围较小。已报道的光纤液位传感器及液位传感
系统通常测量范围只能达到几十毫米，且只能对单点的液位进行测量。此外，由于光纤液位
传感器通常要浸没在待测液体中，这些液体通常成分复杂甚至具有腐蚀性，光纤的断裂易
于发生；在复杂的光纤传感系统中，光纤的故障排查十分耗时耗力；因此对光纤液位传感系
统进行故障监测和故障定位就显得尤为重要。传统的光纤液位传感系统通常缺乏故障监测
与定位功能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可进行实时故障监测的多路光
纤液位测量系统及故障监测方法，旨在解决传统光纤液位传感系统测量范围小、只能进行
单点液位测量，且难以对测量系统进行故障监测与定位的问题。
本发明提供了一种可实时故障监测的多路光纤液位测量系统，包括：环腔型探测
光源、掺铒光纤放大器、第一光纤耦合器、光环形器、1×N光分路器、液位传感器和光电探测
器；所述掺铒光纤放大器的输入端与所述环腔型探测光源的输出端连接，所述第一光纤耦
合器的输入端与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，所述环形器的第一端口与所述第一光
纤耦合器的第一输出端连接，所述环形器的第二端口与所述1×N光分路器的输入端口连
接，1×N光分路器具有多个输出端口，分别与多个不同长度的所述光纤延时线的第一端口
相连，所述光纤延时线的第二端口与液位传感器相连；所述光电探测器的第一输入端与所
述光环形器的第三端口相连，所述光电探测器的第二输入端与所述第一光纤耦合器的第二
输出端连接；所述数据采集处理设备的输入端与所述光电探测器的输出端连接。
更进一步地，所述第一光纤耦合器为90：10的光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的
第一输出端输出90％的光信号，所述第一光纤耦合器的第二输出端输出10％的光信号。
更进一步地，所述环腔型探测光源包括：半导体光放大器、光隔离器和第二光纤耦
合器；所述半导体光放大器的输出端连接所述光隔离器的输入端，所述光隔离器的输出端
连接所述第二光纤耦合器的输入端，所述第二光纤耦合器的第一输出端连接半导体光放大
器的输入端，形成环腔结构，第二光纤耦合器的第二输出端则作为环腔光源的输出。
更进一步地，第二光纤耦合器为80：20的光纤耦合器；所述第二光纤耦合器的第一
输出端输出20％的光信号；所述第二光纤耦合器的第二输出端输出80％的光信号。
更进一步地，所述液位传感器包括：第一单模光纤、无芯光纤、第二单模光纤和光
纤全反镜；所述无芯光纤的两端分别与所述第一单模光纤的一端和所述第二单模光纤的一
端连接，所述第二单模光纤的另一端连接所述光纤全反镜，所述第一单模光纤的另一端连
接光纤延时线的第二端口；所述无芯光纤部分浸没在待测液体中，当液位发生变化时，所述
无芯光纤被浸没的长度也随之改变，所述无芯光纤中包层模式的泄漏也会发生变化，影响
其传输光强。
更进一步地，所述第一单模光纤与所述无芯光纤的纤芯直径不匹配，所述第二单
模光纤与所述无芯光纤的纤芯直径不匹配。
本发明还提供了一种基于上述的多路光纤液位测量系统的故障监测方法，包括下
述步骤：
(1)探测光源输出的光经过放大后分为两路，一路作为参考光被光电探测器接收
后获得第一电信号，另一路作为探测光；
(2)所述探测光被1×N光分路器分为N路，并分别进入各个传感支路；
(3)每个传感支路的探测光经过液位传感器后，反射光再经过光环形器被光电探
测器接收后获得第二电信号；
(4)将所述第一电信号和所述第二电信号进行相关运算后，获得每条支路的传感
点的位置信息和液位信息；并通过传感点的位置信息判断该支路的光纤是否出现断裂故
障。
更进一步地，所述参考光为10％，所述探测光为90％。
更进一步地，在步骤(4)中，根据公式![]()
进行所述相关运
算；其中，x(t)为参考光信号(强度随时间变化的序列)，x(t-τ)为探测光信号(强度随时间
变化的序列)，Rx(τ)为计算后得出的相关曲线。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明采用基于混沌光源的相关算法进行解调，通过互相关运算得出的相关
曲线中，同时包含了传感点的位置信息和探测光强度信息，能够实现传感参量与传感点位
置的同时解调，因此可进行多点的同时传感。
(2)当光纤链路中有断点出现时，相关曲线中会出现一个与断点位置对应的相关
峰，因此能对光纤中出现的断点进行实时监测与定位，由于采用的混沌光源具有光强随机
起伏的特性，定位精度可高达厘米级。
附图说明
图1为本发明实施例1的带环腔反馈的探测光源示意图。
图2为本发明实施例1的单模-无芯-单模光纤结构的液位传感器示意图。
图3为本发明实施例1的探测系统示意图。
图中，1为半导体光放大器，2为光隔离器，3为80：20光纤耦合器，4为第一单模光
纤，5为无芯光纤，6为第二单模光纤，7为光纤全反镜，8为探测光源，9为掺铒光纤放大器，10
为90：10光纤耦合器，11为光环形器，12为1×N光分路器，13为液位传感器，14为光纤延时
线，15为光电探测器，16为数据采集处理设备。
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。
本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤液位测量系统，克服传统光纤液位传
感系统测量范围小、只能进行单点液位测量，并且难以对测量系统进行故障监测与定位的
缺点。
本发明提供了一种光纤液位测量系统，该光纤液位测量系统采用相关算法作为解
调方法，可同时对液位信息和位置信息进行解调，此外当光纤传感系统中发生故障时，也可
以通过相关算法解调出来。
光纤液位测量系统包括：探测光源8、掺铒光纤放大器9、90：10光纤耦合器10、光环
形器11、1×N光分路器12、液位传感器13、光纤延时线14、光电探测器15和数据采集处理设
备16。其中，探测光源8的输出端与掺铒光纤放大器9输入端连接，掺铒光纤放大器9的输出
端与90:10光纤耦合器10的输入端连接，90：10光纤耦合器10的90％输出端与环形器11的第
一端口连接，环形器11的第二端口与1×N光分路器12的输入端口连接，1×N光分路器12的
各个输出端口与不同长度的光纤延时线14的第一端口相连，光纤延时线14的第二端口与液
位传感器13相连，光环形器11的第三端口与光电探测器15的输入端相连，90：10光纤耦合器
10的10％输出端直接与光电探测器15的输入端相连，光电探测器15的输出端与数据采集处
理设备16相连。
探测光源8包括：半导体光放大器1、光隔离器2和80：20光纤耦合器3；半导体光放
大器1的输出端连接光隔离器2的输入端，光隔离器2的输出端连接80：20光纤耦合器3的输
入端，80：20光纤耦合器3的20％输出端连接半导体光放大器1的输入端，形成环腔结构，80：
20光纤耦合器3的80％的输出端则作为环腔光源的输出。
液位传感器13包括：第一单模光纤、无芯光纤、第二单模光纤及光纤全反镜；无芯
光纤的两端分别与第一单模光纤和第二单模光纤连接，第二单模光纤的另一端连接光纤全
反镜。
数据采集处理设备可以采用数据采集卡进行实时的采集、处理和显示，也可以用
示波器将数据存储下来，然后再用电脑进行离线处理。
以下结合实施例1提供的可实时故障监测的多路光纤液位测量系统，进一步阐述
本发明：本发明实施例1的多路光纤液位测量系统结构如图3，包括探测光源8、掺铒光纤放
大器9、90：10光纤耦合器10、光环形器11、1×N光分路器12、液位传感器13、光纤延时线14、
光电探测器15和数据采集处理设备16。探测光源8的输出端与掺铒光纤放大器9的输入端连
接，掺铒光纤放大器9的输出端与90：10光纤耦合器10的输入端连接，90：10光纤耦合器10的
90％输出端与光环形器11第一端口连接，光环形器11第二端口与1×N光分路器12输入端口
连接，1×N光分路器12各输出端口与不同长度的光纤延时线14的第一端口相连，光纤延时
线14的第二端口与液位传感器13相连，环形器11第三端口与光电探测器15输入端相连，90：
10光纤耦合器10的10％输出端直接与光电探测器15输入端相连，光电探测器15的输出端与
数据采集处理设备16相连。本发明实施例1的探测光源8结构如图1，包括半导体光放大器1、
光隔离器2、和80：20光纤耦合器3；半导体光放大器1的输出端连接光隔离器2的输入端，光
隔离器2的输出端连接80：20光纤耦合器3的输入端，80：20光纤耦合器3的20％输出端连接
半导体光放大器1的输入端，形成环腔结构，80％的输出端则作为光源的输出。本发明实施
例1的液位传感器13结构如图2，包括第一单模光纤4、无芯光纤5、第二单模光纤6及光纤全
反镜7。无芯光纤5的两端分别与第一单模光纤4和第二单模光纤6连接，第二单模光纤6的另
一端连接光纤全反镜7。
下面结合实施例1对可实时故障监测的多路光纤液位测量系统的工作原理进行阐
述。
在探测光源8中，半导体光放大器1的输出光经过光隔离器2，保证了光在环腔中传
输的单向性。此输出光被80：20光纤耦合器3分为强度比为80：20的两部分，其中20％的光在
环腔中循环后，作为反馈重新输入半导体光放大器1中，80％的光则作为环腔光源的输出
光。由于部分光反馈带来的扰动，输出光呈现出动态不稳定特性，即光强随机起伏，为连续
非周期信号。
在液位传感器13中，由于第一单模光纤4及第二单模光纤6与无芯光纤5的纤芯直
径不匹配，会在无芯光纤5中激发包层模式，无芯光纤5部分浸没在待测液体中，当液位发生
变化时，无芯光纤5被浸没的长度改变，无芯光纤5中包层模式的泄漏也会发生变化，影响其
传输光强；无芯光纤5的长度即为液位传感范围，可达十几厘米。光纤全反镜7则将通过光纤
微结构的探测光反射回去，便于进一步的接收和处理。因此当传感点的液位发生变化时，该
支路的探测光反射强度发生变化。
探测光源8的输出光经过掺铒光纤放大器9放大后，被90：10光纤耦合器10分为强
度比为90：10的两部分，其中10％的光作为参考光直接被光电探测器15接收。90％的光则作
为探测光，通过光环形器11后，被1×N光分路器12分为N路，进入各传感支路。每个传感支路
的末端接有液位传感器13，液位高度的变化会影响探测光强度，探测光经过液位传感器13
后，其反射光再经过光环形器11被光电探测器15接收。参考光和探测光分别被光电探测器
15转化为电信号，输入数据采集处理设备16，经过相关运算后，得到的相关曲线可同时反映
传感点的位置信息和液位信息。每条支路接有不同长度的光纤延时线14，因此传感点的位
置各不相同，可通过传感点的位置信息区分不同的支路；当某一支路的光纤出现断裂时，在
相关曲线上也会反映出断点的位置信息，因此可便捷地进行传感网络的健康监测。
相关运算的基本原理为：探测光的输出光为连续非周期信号，具有宽频谱特性，其
自相关函数具有单一、尖锐的峰，类似冲激函数(δ函数)。信号x(t)与其时移副本x(t-τ)的
相关函数的一般形式：![]()
相关函数可体现两信号之间的时延差τ
及信号的强度。
本发明中，探测光源8的输出光被分为参考信号和探测信号两路，参考信号直接被
光电探测器15接收，相当于无时移的信号x(t)。探测信号则进入多支路液位传感网络中，经
液位传感器13末端的光纤全反镜7或光纤断点反射后传回。由于各支路接有不同长度的光
纤延时线14，探测光在每条支路传输的时间不一样，因此探测信号相比参考信号，为一系列
与参考信号具有相同时域波形和不同时延的信号x(t-τ1)，x(t-τ2)，x(t-τ3)，……的叠加，
因此进行相关运算后，由于探测光与参考光之间的时延决定了相关峰的位置，各传感点对
应的相关峰的位置也各不相同，不会重叠，相关曲线中出现多个相关峰，与各支路一一对
应，相关峰的位置定量地反映了各支路探测信号相对参考信号的时延。将每个支路信号的
时延按照光纤中的光速换算为距离，就可以确定各支路传感点的位置。当传感点的液位发
生变化时，该支路的探测光强度发生变化，对应相关峰的强度也发生相应变化，通过观测特
定相关峰就可以解调出特定传感点的液位高度。故障监测的原理：故障监测实际上与传感
过程是同时进行。具体监测方法是：对探测光与参考光做了相关运算之后，正常情况下(即
没有光纤断点出现)，相关曲线上会有N个互不重叠的相关峰，与N个传感点一一对应；如果
某一条支路出现了光纤断点，那么该支路原有的相关峰就会消失，而在断点对应的位置处
就会出现一个新的相关峰，这样就可以同时知道是哪一条支路出现了断点，以及断点的具
体位置。由于混沌光源的相关峰很窄，因此分辨率较高，可以达到厘米级。该故障监测的优
点在于：(1)可以实时故障监测，不需要额外的操作；(2)定位精度高。本发明具有以下优点：
液位测量范围较大，实现了多路液位传感并具有液位传感系统的实时故障监测与定位功
能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，
尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对
本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均
应涵盖在本发明的权利要求范围当中。