基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器的製作方法

2023-05-05 15:02:26 1

專利名稱：基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及分布式光纖振動傳感器的設計方法及實現，屬於光纖傳感技術領域，特別涉及一種基於偏振態差分探測實現多點振動源定位的分布式光纖振動傳感器。
背景技術：
對於油氣管線洩漏探測、安全周界防護、結構健康檢測等應用要求，通過振動擾動探測與定位是實現預警、預報最為行之有效的方法。在這些應用中，振動擾動的探測與定位需要對連續大範圍空間進行實時監測，是傳統傳感器所無法勝任的，而分布式傳感技術的顯著特點是光纖上每一點都可以作為傳感元，因此可準確探測沿光纖軸向分布任一點的振動擾動信息，並實現對振動源擾動點的精確定位。
分布式光纖振動傳感器的應用領域非常廣泛，包括對工程結構與大型建築健康監測，輸油、氣管線的維護，輸電線路故障預警，以及地質災害監測等。目前，國內外對於分布式振動傳感器的研究通常有以下幾種馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)幹涉型、Sagnac幹涉型、布裡淵光時域反射型(BOTDR)、相位敏感光時域反射型(0-OTDR)、偏振光時域反射型(POTDR)等。幹渉型分布式光纖振動傳感器相對於基於OTDR技術的優點在於靈敏度高、響應快，但對振動源的定位精度差，尤其是無法實現多點振動擾動的同時定位。相位敏感光時域反射型(P-OTDR)具有定位精度高的能力，但需要採用窄線寬光源，並通過多次測量後的相減運算來實現，因此測量距離短、響應時間長。由於光纖纖芯折射率的起伏，光在傳輸時會發生瑞利散射，利用光時域探測(OTDR)技術就可以實現光纖鏈路中事件的精確定位，因此基於後向散射技術的分布式光纖傳感器通常採用OTDR技術實現被測物理量精確定位。但傳統的OTDR對後向散射光信號的功率進行探測，一方面光波信號的功率對振動擾動靈敏度不高，另ー方面後向散射光信號非常微弱，需要多次測量平均處理，因此僅適合於檢測緩慢變化的擾動，對瞬時擾動幾乎無法檢測。光纖中光波信號的偏振態對外部的振動擾動異常敏感，基於光時域反射(OTDR)技術的POTDR則特別適合於監測環境中瞬時微弱振動擾動的探測。POTDR與OTDR相似，所不同的是POTDR利用單模光纖中背向瑞利散射光的偏振態工作，所以在光纖鏈路前端需要起偏獲得線偏振，而接收端則需要解偏輸出光信號。但是，現有的各項應用於分布式振動傳感的技術中，普遍存在無法進行多振動點同時精確定位的問題。考慮實際應用環境中，多點振動源同時發生的情況是不可避免的，這個問題的解決能夠將分布式光纖傳感技術進一歩推向實用化。

發明內容
本發明的目的是針對於現有技術上的局限性，設計了一種能夠實現多點振動源同時定位的分布式光纖振動傳感器。本發明米用的技術方案是對後向散射光中兩個相互正交的偏振態進行差分探測實現多點振動源同時定位，其理論依據在於兩點，ー是光纖中傳輸光波信號的偏振態對光纖感知振動擾動異常敏感，能夠探測微弱的振動信號，克服傳統OTDR探測微弱擾動的局限性；ニ是同一光信號中兩個相互正交的偏振態的功率和基本不變，所以振動擾動對兩偏振態的影響就具有彼增我減的特點，差分探測的信號對振動擾動具有一定的規律。本發明的整個振動傳感系統結構如圖I所示，包括有光收發模塊，光纖鏈路模塊和信號處理模塊。所述光收發模塊的功能主要是光信號的發送和接收，發送端驅動器驅動雷射器產生探測光脈衝，可以根據系統指標要求選擇雷射波長為1310nm或1550nm的半導體雷射器，並且發出的探測光脈衝寬度在信號處理模塊中嵌入式計算機的控制下改變。而接收端由兩個光電探測器接收到兩正交偏振的後向散射光，並在電路上實現差分運算與放大。所述光纖鏈路模塊包括偏振控制器，起偏器，光環行器，傳感光纖，偏振分束器。所述偏振控制器用於控制雷射光源輸出光脈衝的偏振態，降低起偏帶來的功率損失和光源隨機偏振態變化帶來功率波動。所述光環行器是3端ロ環行器，作用是引導探測光脈衝從確定端ロ耦合進傳感光纖，而後向散射光從另一端ロ輸出。所述傳感光纖是通用的標準單 模光纖，沿傳感光纖軸向空間上任意點即為傳感兀，同時整段傳感光纖也作為探測光和後向散射光的傳輸通道。所述偏振分束器是ー個特殊的1X2耦合器，能夠將ー個輸入光信號分解為兩束正交偏振光，送入光電探測器進行後續處理。信號處理模塊包括A/D轉換器和嵌入式計算機。所述A/D轉換器實現對信號的高速採樣後送入嵌入式計算機處理。所述嵌入式計算機實現對傳感數據的處理、分析，實現振動擾動源的精確定位，並提供VGA、USB、RS232C、井口等接ロ。本發明採用了一種基於偏振態差分探測的方法實現多點振動源同時定位的分布式光纖振動傳感器，不僅具有分布式光纖傳感的所有優點，還具有以下特點I、對微弱的振動擾動探測，探測靈敏度聞，定位精度聞;2、對多點振動源能同時定位；3、系統結構簡單，有源器件較少，系統穩定性較高；4、採用硬體進行差分運算和信號處理，響應速度快。


圖I是基於偏振態差分探測的分布式光纖振動傳感器系統結構圖。圖2是系統中光纖鏈路模塊及與其他模塊的連接示意圖。
具體實施例方式本發明提出了一種基於偏振態差分探測實現多點振動源同時定位的分布式光纖振動傳感器，按照圖I搭建整個傳感系統，其中的光纖鏈路模塊及與其他模塊的連接示意圖如圖2所不。脈衝雷射器發出具有一定脈寬和周期的雷射脈衝,光脈衝的波長為1310nm或1550nm，發出的探測光脈衝寬度在嵌入式計算機的控制下可以改變。經過偏振控制器，控制雷射光源輸出光脈衝的偏振態，降低了起偏帶來的功率損失和光源隨機偏振態變化帶來功率波動。通過起偏器將輸入信號變換成具有確定偏振態的線偏振光，然後注入一個環行器，環行器輸出的是傳感光纖的後向散射信號，姆ー個不同的時刻包含有傳感光纖上對應點的偏振信息，最後通過偏振分束器來分解後向散射信號的偏振態，得到兩路振動方向相互垂直的偏振光，並將這兩路信號送入光電探測器轉換為含有振動擾動信息的電信號，先後進行電路上的差分運算、放大處理，最後由嵌入式計算機進行數據分析，顯示處理結果。本發明提出的振動擾動定位原理如下所述在振動點以前光纖中傳輸的基本是線偏振光，差分以後光功率在ー個固定的幅度範圍內波動；在振動點由於光彈效應產生感應雙折射，改變了原有光信號的偏振態，首個振動點以後偏振態差分的光功率將在另ー個固定的幅度範圍內波動；若之後還存在振動點，偏振態差分的光功率將又在ー個不同的但固定的幅度範圍內波動，以此類推，實現多點的同時定位。本發明提出的分布式振動傳感器的最大可測距離主要由雷射源的光功率和光接收模塊的接收靈敏度確定，解析度主要由脈寬決定，定位精度主要由採樣頻率確定。綜上所述，本發明是在現有的光時域反射技術的基礎上，利用偏振分束器進行偏振態的差分探測和嵌入式計算機進行信號處理、數據分析以後實現多點振動源的同時定 位，此方案簡單，靈敏度高，易於實施且定位準確。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器，其特徵在於，包括 光收發模塊包括雷射光源與光電探測器，其主要功能分別是產生探測光脈衝和接收兩正交的偏振光。
光纖鏈路模塊包括偏振控制器、起偏器、光環行器、傳感光纖、偏振分束器，其功能是將探測光脈衝耦合進傳感光纖中，並對傳感光纖中產生的後向散射光進行偏振態分解，輸出兩正交的偏振光。
信號處理模塊包括差分探測與放大、A/D轉換器和嵌入式計算機，其主要功能是進行兩正交偏振光信號的差分探測，通過數據分析實現沿傳感光纖軸向分布的振動擾動源的定位。
2.根據權利要求I所述的一種基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器，其特徵在於，雷射光源在嵌入式計算機和驅動源控制下產生探測雷射脈衝，而接收端由兩個光電探測器接收兩正交偏振的後向散射光，在電路上實現差分運算與放大，通過數據分析和處理實現振動擾動源的定位，可實現多點振動擾動源的同時定位。
3.根據權利要求2所述的一種基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器，其特徵在於，雷射光源採用半導體雷射器，雷射波長為1310nm或1550nm，產生的探測光脈衝寬度由嵌入式計算機控制可變。
4.根據權利要求I所述的一種基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器，其特徵在於，所述偏振控制器控制雷射光源輸出光脈衝的偏振態，降低起偏帶來的功率損失和光源隨機偏振態變化引起的功率波動。所述光環行器是3埠環行器，作用是引導探測光脈衝從確定埠I禹合進傳感光纖，而後向散射光從另一埠輸出。所述傳感光纖是通用的標準單模光纖，沿傳感光纖軸向空間上任意點均可作為傳感元，同時整段傳感光纖也是探測光和後向散射光的傳輸通道。所述偏振分束器是一個特殊的1X2耦合器，能夠將一輸入光信號分解為兩束正交偏振態光信號輸出。
5.根據權利要求4所述的一種基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器，各光路器件連接的特徵在於，雷射光源輸出的光脈衝經過偏振控制器後連接到起偏器，將探測光脈衝變換成有確定偏振態的線偏振光，然後注入進光環行器的I埠，探測光脈衝經光環行器的2埠耦合進傳感光纖，傳感光纖中的後向散射信號則從光環行器的3埠輸出，最後通過偏振分束器分解為兩正交偏振的光信號，並送入光電探測器轉換為含有振動擾動信息的電信號。
6.根據權利要求I所述的一種基於偏振態差分探測可多點定位的分布式光纖振動傳感器，其特徵在於，所述差分探測與放大由差分放大器和主放大器組成，實現兩正交偏振態信號的差分探測和放大。所述A/D轉換器實現對信號的高速採樣後送入嵌入式計算機處理。所述嵌入式計算機實現傳感數據的處理、分析，實現振動擾動源的精確定位，並提供VGA、USB、RS232C、並口 等接口。
全文摘要
本發明公開了一種基於偏振態差分探測實現多點振動源定位的分布式光纖振動傳感器，該傳感器在現有光時域反射計技術基礎上，利用偏振分束器對傳感光纖中後向散射光的偏振態進行檢測，偏振分束器輸出的兩正交偏振光分別用兩隻光電探測器進行光電轉換，然後對兩探測信號進行差分運算與放大處理，並由A/D轉換器對信號進行採樣，送入到嵌入式計算機中進行數據分析、計算，實現沿光纖軸向分布振動源的精確定位。本發明能夠實現沿光纖軸向分布多點微弱振動源的同時定位。本發明採用的方案簡單、可靠，易於實施和維護，適合於長距離敷設傳感光纖所感知的微弱振動信號探測與精確定位。
文檔編號G01D5/34GK102809421SQ201110145638
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月1日 優先權日2011年6月1日
發明者代志勇, 朱燕, 彭增壽, 劉永智 申請人:電子科技大學