一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的製作方法

2023-05-25 14:50:36

專利名稱：一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的製作方法
技術領域：
本發明是一種對應變和振動進行全分布式監測的光纖傳感方法及設備，尤其是一種結合布裡淵光時域反射(BOTDR)技術及偏振光時域反射(POTDR)技術，並採用相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感技術。
背景技術：
由於當光纖受到外界環境(如溫度，壓力，振動等)影響時，光纖中傳輸光的強度， 相位，頻率，偏振態等參量將會相應的發生變化，通過測量傳輸光的這些參量便可以獲得相應物理量，這種技術稱為光纖傳感技術。相對於傳統的電量型傳感器，光纖傳感器具有靈敏度高，抗電磁幹擾，體積小，價格便宜，可進行遠距離分布式測量的優點，因此自2 O世紀7 O年代末以來，光纖傳感技術得到了廣泛的發展，出現了基於瑞利散射，布裡淵散射，拉曼散射等的全分布式光纖傳感技術，其中布裡淵光時域反射(BOTDR)技術及偏振光時域反射(POTDR)技術是兩種較為常見的全分布式光纖傳感技術
1)光纖受應變影響時，光波在其中產生的布裡淵散射光的頻率會發生偏移，稱為布裡淵頻移。頻移量的大小與光纖所受應變的大小成正比。布裡淵光時域反射(BOTDR)技術是通過向光纖中注入脈衝光，並測量脈衝光在光纖中傳播過程中連續產生的布裡淵散射光的布裡淵頻移，進而可確定出光纖沿線各個位置的應變信息。BOTDR技術是目前為止最主要的一種可準確測量光纖中應變大小的全分布式光纖傳感技術。但BOTDR技術對振動事件的測量能力較弱。因為儘管理論上光纖在受到外界影響產生振動時會同時產生應變。但是，一方面由於微小振動引起的微弱應變對布裡淵頻移產生的影響較小，另一方面BOTDR技術對應變的測量速度較慢，通常需要十幾秒以上。因此，BOTDR技術難以用於測量振動。2)偏振光時域反射(POTDR)技術同樣是向光纖中注入脈衝光。但它通過測量脈衝光在光纖沿線返回的散射光的偏振態的變化來確定光纖沿線各個位置的外部事件，從而進行全分布式測量。由於光纖中光波偏振態的變化對外部事件的響應非常靈敏，因此可以用來測量微弱的外部事件。同時由於POTDR技術通過光強信號來判斷散射光偏振態的變化， 響應時間短，故可以用來測量較大頻率範圍的振動。通常可測量IOKHz以內的振動。但由於光纖受到的應變與偏振態的變化並非一一對應的關係，而且POTDR技術多採用與前次測量比較的方法判斷光纖的狀態，因此POTDR技術難以對準靜態的應變及較大的應變進行檢測。對散射光偏振態變化的探測可利用檢偏器加光電探測器直接探測的方法，也可利用偏振態固定的參考光與散射光相干的方法進行檢測。前者系統結構較簡單，後者對信號探測的靈敏度和信噪比更高。若將BOTDR系統和POTDR系統結合在一起，則可實現在同一根傳感光纖上對應變和振動的監測，整體成本比兩個系統的單獨疊加小很多。另外，相比於單一的BOTDR系統和 POTDR系統，在判斷外部事件時，系統錯報、漏報的機會會更小。

發明內容
本發明的目的是提出一種既可以測量應變又可以測量快速振動變化的全分布式光纖傳感方法及傳感器。本發明的技術方案是提供一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感方法及傳感器。傳感器在構成上包括雷射器(1)，保偏耦合器(2)，脈衝調製模塊(3)， 擾偏器(4)，光放大器(5)，環形器(6)，傳感光纖(7)，保偏光纖(8)，耦合器(9)，平衡光電探測器(10)，倒換開關(11)，混頻器(12)，微波源(13)，帶通濾波器(14)，信號處理單元 (15)。雷射器(1)的輸出的連續光經保偏耦合器(2)後分為兩路其中的第一路作為參考光，經保偏光纖(8)或直接輸入到耦合器(9)的第一輸入端；
第二路經脈衝調製模塊(3)、擾偏器(4)與光放大器(5)後作為探測脈衝光經環形器 (6 )注入傳感光纖(7 )。傳感光纖中的瑞利散射光和布裡淵散射光經環形器(6 )返回後進入耦合器(9)的第二輸入端。散射光與參考光在耦合器(9)中形成的混合信號經耦合器(9) 的兩個輸出端輸入到平衡光電探測器(10)中被轉換為電信號。平衡光電探測器(10)的輸出端與倒換開關(11)相連，倒換開關(11)可分別切換到其後的通道1和通道2。通道1與混頻器(12)的第一輸入端相連，微波源(13)與混頻器 (12)的第二輸入端相連，混頻器(12)的輸出端連接到帶通濾波器(14)的輸入端，帶通濾波器(14)的輸出端連接到信號處理單元(15)；通道2直接與信號處理單元(15)相連。當擾偏器(4)打開，倒換開關(11)接通道1時，系統利用布裡淵光時域反射 (BOTDR)技術進行測量；當擾偏器(4)關閉，倒換開關(11)接通道2時，系統利用偏振光時域反射(POTDR)技術進行測量。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的特徵在於將雷射器(1)的輸出光分成兩路的器件為保偏耦合器(2)。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的特徵在於選用的雷射器(1)的線寬不超過IOMHz，其優選工作波段為SOOnm到1700nm範圍內的光纖通信波段。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的特徵在於經保偏耦合器(2)後輸出的第一路直接與耦合器(9)連接或利用保偏光纖(8)與耦合器(9)連接。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的特徵在於雷射器(1)的光源經保偏耦合器(2)後輸出的第二路中連接有擾偏器(4)。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的特徵在於平衡光電探測器(10)與信號處理單元(15)之間使用倒換開關(11)分為兩個通道。 倒換開關(11)後的兩個通道中，一個通道與混頻器(12)、帶通濾波器(14)相連後與信號處理單元(15)相連；另一個通道直接與信號處理單元(15)相連。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的檢測方法的特徵在於當擾偏器(4)打開，倒換開關(11)接通道1時，從傳感光纖(7)中經環形器(6)返回的散射光的偏振態是隨機的，系統將返回的布裡淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取布裡淵散射光的頻移量信息，以此確定外部事件，此時整個系統構成為布裡淵光時域反射(BOTDR)系統；
按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的檢測方法的特徵在於當擾偏器(4)關閉，倒換開關(11)接通道2時，系統將返回的瑞利散射光和布裡淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取散射光偏振態的變化信息，以此確定外部事件信息，此時整個系統構成為偏振光時域反射(POTDR)系統。使參考光與光纖中的散射光通過耦合器(9)進行相干，利用平衡光電探測器(10)進行相干外差檢測。當擾偏器(4)打開，倒換開關(11)接通道1時，系統利用布裡淵光時域反射 (BOTDR)技術進行測量；當擾偏器(4)關閉，倒換開關(11)接通道2時，系統利用偏振光時域反射(POTDR)技術進行測量。按照本發明所提供的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的檢測方法的特徵在於使參考光與光纖中的散射光通過耦合器(9)進行相干，利用平衡光電探測器(10)進行相干外差檢測。有益效果由於本發明結合了 BOTDR技術和POTDR技術，故本發明傳感方法與傳感器既可以測量應變事件，又可以測量振動事件，大大提高了全分布式光纖傳感器的測量功能和應用範圍，同時可大幅降低系統的漏報率。由於利用了 BOTDR技術中的參考光路對散射光信號的偏振態變化進行光相干外差檢測，對振動事件測量的信噪比要比直接用檢偏器加光電探測器的方法要大幅提高。同時整體成本比兩個系統的單獨疊加小很多。


圖1為本發明提供的一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器結構圖。
具體實施例方式一種基於相干檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的結構如圖1，其對應變及振動傳感的具體實施步驟如下
1)雷射器(1)的輸出的連續光經保偏耦合器(2)後分為兩路
2)其中的第一路作為參考光，經保偏光纖(8)輸入到耦合器(9)的第一輸入端
3 )第二路經脈衝調製模塊(3 )調製成脈衝光並通過光放大器(5 )放大後作為探測脈衝光經環形器(6 )注入傳感光纖(7 )。傳感光纖中的瑞利散射光和布裡淵散射光經環形器(6 ) 返回後進入耦合器(9)的第二輸入端。4)散射光與參考光在耦合器(9)中形成的混合信號經耦合器(9)的兩個輸出端輸入到平衡光電探測器(10)中被轉換為電信號。5)測量振動時，關閉擾偏器(4)，將倒換開關(11)倒換到通道2。此時由平衡光電探測器(10)輸出的電信號與傳感光纖沿線的偏振態情況相關。通過信號處理單元(15)對電信號的處理，便可得到光纖沿線的偏振態變化情況，實現對光纖沿線微弱擾動及振動的全分布式傳感。6)測量應變時，打開擾偏器(4)，將倒換開關(11)倒換到通道1。此時返回的瑞利散射光和布裡淵散射光的偏振態隨機變化。但布裡淵散射光的頻移與光纖沿線的應變情況相關。由平衡光電探測器(10)輸出的電信號經混頻器(12)的混頻後，再由帶通濾波器(13)濾波，選擇出與光纖沿線應變情況有關的布裡淵電信號。再經過信號處理單元(15)對電信號的處理，便可得到光纖沿線的應變情況，實現對光纖沿線應變情況的全分布式傳感。
作為一個具體實施的例子，設雷射器的工作波長;I為1550nm，線寬為2MHz。它發出的雷射通過保偏耦合器(2)分成了兩路，其中一路經過聲光調製器、擾偏器和摻鉺光纖放大器後，作為探測脈衝光進入到了傳感光纖。傳感光纖使用的是普通的通信光纖，其折射率 = 1.46，光纖中的聲速4 = 5945m/s。脈衝光在傳感光纖光纖中會產生瑞利散射光和布裡淵散射光，其中瑞利散射光的頻率與雷射器的頻率一致，布裡淵散射光的頻率會產生偏移，其布裡淵頻移為vB=2 va/^l = n.2GIIz。傳感光纖受到應變影響時，會使布裡淵散射光的
布裡淵頻移發生改變，受到振動影響時，會使瑞利散射光和布裡淵散射光的偏振態發生變化。 布裡淵散射光和瑞利散射光沿光纖返回後，與保偏耦合器(2)中的另一路光信號一起進入耦合器(9)。它們的混合信號經響應頻率能夠覆蓋到11. 2GHz左右的平衡光電探測器(10)檢測後轉換為電信號。當打開擾偏器(4)，並將倒換開關(11)切換到通道1時，高頻布裡淵頻移信號會通過混頻器(12)轉換到200MHz以下，再通過帶通濾波器(14)濾波後進入到信號處理單元(15)，最後可得到布裡淵頻移的大小，進而實現對應變的全分布式傳感，此時利用的是 BOTDR的方法。當關閉擾偏器(4)，將倒換開關(11)切換到通道2時，信號處理單元得到的是隨光纖中偏振態變化而變化的信號，由於光纖的偏振態對振動非常敏感，因此可實現對光纖中振動的全分布式測量，此時利用的是POTDR的方法。
權利要求
1.一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器，其特徵是包括雷射器(1)，耦合器(2)，脈衝調製模塊(3)，擾偏器(4)，光放大器(5)，環形器(6)，傳感光纖 (7)，保偏光纖(8)，耦合器(9)，平衡光電探測器(10)，倒換開關(11)，混頻器(12)，微波源(13)，帶通濾波器(14)，信號處理單元(15)；雷射器(1)的輸出的連續光經耦合器(2)後分為兩路其中的第一路作為參考光，經保偏光纖(8)或直接輸入到耦合器(9)的第一輸入端；第二路經脈衝調製模塊(3)、擾偏器(4)與光放大器(5)後作為探測脈衝光經環形器 (6)注入傳感光纖(7)；傳感光纖中的瑞利散射光和布裡淵散射光經環形器(6)返回後進入耦合器(9)的第二輸入端；散射光與參考光在耦合器(9)中形成的混合信號經耦合器(9)的兩個輸出端輸入到平衡光電探測器(10)中被轉換為電信號；平衡光電探測器(10)的輸出端與倒換開關(11)相連，倒換開關(11)可分別切換到其後的通道1和通道2 通道1與混頻器(12)的第一輸入端相連，微波源(13)與混頻器(12) 的第二輸入端相連，混頻器(12)的輸出端連接到帶通濾波器(14)的輸入端，帶通濾波器(14)的輸出端連接到信號處理單元(15);通道2直接與信號處理單元(15)相連；當擾偏器 (4)打開，倒換開關(11)接通道1時，系統利用布裡淵光時域反射(BOTDR)技術進行測量； 當擾偏器(4)關閉，倒換開關(11)接通道2時，系統利用偏振光時域反射(POTDR)技術進行測量。
2.根據權利要求1所述的一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器， 其特徵在於將雷射器(1)的輸出光分成兩路的耦合器為保偏耦合器(2)。
3.根據權利要求1所述的一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器， 其特徵在於經保偏耦合器(2)後輸出的第一路直接與耦合器(9)連接或利用保偏光纖(8) 與耦合器(9)連接。
4.根據權利要求1所述的一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器， 其特徵在於選用的雷射器(1)的線寬不超過IOMHz，其優選工作波段為SOOnm到1700nm範圍內的光纖通信波段。
5.根據權利要求2所述的一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器， 其特徵在於經保偏耦合器(2)後輸出的第二路中連接有擾偏器(4)。
6.根據權利要求1或2所述的一種基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器，其特徵在於平衡光電探測器(10)與信號處理單元(15)的A/D採樣模塊之間使用倒換開關(11)分為兩個通道；倒換開關(11)後的兩個通道中，一個通道與混頻器(12)、帶通濾波器(14)相連後與信號處理單元(15)相連；另一個通道直接與信號處理單元(15)相連。
7.—種如權利要求1或2所述的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的檢測方法，其特徵在於當擾偏器(4)打開，倒換開關(11)接通道1時，從傳感光纖(7) 中經環形器(6)返回的散射光的偏振態是隨機的，系統將返回的布裡淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取布裡淵散射光的頻移量信息，以此確定外部事件，此時整個系統構成為布裡淵光時域反射(BOTDR)系統。
8.如權利要求7所述的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的檢測方法，其特徵在於當擾偏器(4)關閉，倒換開關(11)接通道2時，系統將返回的瑞利散射光和布裡淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取散射光偏振態的變化信息，以此確定外部事件信息，此時整個系統構成為偏振光時域反射(POTDR)系統。
9.如權利要求7所述的基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器的檢測方法，其特徵在於使參考光與光纖中的散射光通過耦合器(9)進行相干，利用平衡光電探測器(10)進行相干外差檢測。
全文摘要
基於相干外差檢測的全分布式光纖應變及振動傳感器，包括雷射器(1)，耦合器，脈衝調製模塊，擾偏器(4)，光放大器，環形器(6)，傳感光纖(7)，保偏光纖(8)，耦合器，平衡光電探測器(10)，倒換開關，混頻器，微波源，帶通濾波器，信號處理單元；雷射器(1)的輸出的連續光經耦合器(2)後分為兩路平衡光電探測器的輸出端與倒換開關相連，倒換開關切換到通道1和通道2接通道1時，系統利用布裡淵光時域反射進行測量；當擾偏器(4)關閉，接通道2時，系統利用偏振光時域反射進行測量。本發明在單根光纖上既可以進行應變的全分布式測量，又可以進行微弱擾動及振動的全分布式測量。
文檔編號G02B6/27GK102168953SQ20111000566
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月12日 優先權日2011年1月12日
發明者張旭蘋, 王峰, 王祥傳 申請人:南京大學