增強型相干光時域反射的傳感檢測方法及裝置製造方法

2023-12-02 08:01:51 1

增強型相干光時域反射的傳感檢測方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種增強型相干光時域反射的傳感檢測方法及裝置，方法包括以下步驟：將雷射轉換為探測光脈衝信號；將探測光脈衝信號進行放大，放大後的光脈衝信號通過環形器傳導給具有局部瑞利反射增強結構的傳感光纖；將傳感光纖中返回的光信號分離為兩個正交偏振態的光，並將其分別與參考光信號中對應的偏振態信號進行相干疊加；通過兩個光電探測器分別採集相干疊加後的兩個偏振態的光，生成兩路探測信號送入信號採集處理器；信號採集處理器對送入的探測信號進行處理，並進行強度及相位信息的提取，得到待測信息量。本發明增強了光纖中局部瑞利反射信號的強度，並有效抑制相干光路中受傳感光纖中返回的探測光信號的偏振態變化導致的偏振衰落現象。
【專利說明】增強型相干光時域反射的傳感檢測方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發明涉及分布式光纖傳感監測【技術領域】，尤其涉及一種增強型相干光時域反射 的傳感檢測方法及裝置。

【背景技術】
[0002] 由於光纖傳感器具有監測距離長、組網方便、抗電磁幹擾、現場無源等優點，比電 類傳感器具有更廣闊的應用前景。其中分布式光纖傳感技術利用傳感光纖的易於遠傳組網 特性，可以實現大規模的無源傳感網絡，非常適合對長距離分布式監測對象的環境狀態信 息的安全監測及管理，目前已經應用於油氣管線的安全預警及城市電纜隧道的環境擾動信 息監測等工業領域。相干光時域反射技術作為分布式光纖傳感系統中的一種，目前可以應 用於通信光纜鏈路可靠性監測及分布式環境振動信息提取等應用領域，由於該種技術利用 的是光纖中的背向瑞利散射信號作為信號光，導致系統的信噪比較差，對信號的探測與解 調造成極大的難度。
[0003] 現有相干光時域反射技術中存在的信噪比低、信號重複性及一致性差、後續模式 識別算法開發困難等方面的問題，限制了光纖傳感器網絡技術的發展速度。


【發明內容】

[0004] 為解決現有相干光時域反射技術中存在的信噪比低、信號重複性及一致性差、後 續模式識別算法開發困難等方面的問題，本發明提供一種增強型相干光時域反射傳感方法 及裝置，實現了具有較高信噪比的監測系統，且監測信號具有較好的復現性和可靠性，並進 一步降低了後續相關數據處理機模式識別算法的開發難度。
[0005] 為了達到上述發明目的，本發明採取以下技術方案： 提供一種增強型相干光時域反射的傳感檢測方法，包括以下步驟： 將雷射轉換為探測光脈衝信號； 將探測光脈衝信號進行放大，放大後的光脈衝信號通過環形器傳導給傳感光纖； 將傳感光纖中返回的光信號分離為兩個正交偏振態的光，並將其分別與參考光信號中 對應的偏振態信號進行相干疊加； 通過兩個光電探測器分別採集相干疊加後的兩個偏振態的光，生成兩路探測信號送入 信號採集處理器； 信號採集處理器對送入的探測信號進行模數轉換，並將兩路信號合成一路不受信號光 偏振態變化影響的探測信號，並對該探測信號進行強度及相位信息的提取，得到待測信息 量。
[0006] 本發明所述的方法中，放大後的光脈衝信號在傳感光纖中傳輸時，通過傳感光纖 內的周期性局部反射增強結構增強光的反射率。
[0007] 本發明還提供一種增強型相干光時域反射裝置，包括： 光源模塊，用於提供相干性較好的雷射； 聲光開關，用於將雷射轉換為探測光脈衝信號； 光放大器，用於將探測光脈衝信號進行放大； 環行器，用於將放大後的光脈衝信號傳導給傳感光纖，並使得反射信號光進入探測光 路中的偏振分束合束器； 傳感光纖，用來感知外部環境信息，其內部具有周期性局部瑞利反射增強結構； 偏振分束合束器，用於將傳感光纖中返回的光信號分離為兩個正交偏振態的光，並將 其分別與參考光信號中對應的偏振態信號進行相干疊加； 兩個光電探測器，用於分別採集相干疊加後的兩個偏振態的光，生成兩路探測信號送 入信號採集處理器； 信號採集處理器，用於對送入的探測信號進行模數轉換，並將兩路信號合成一路不受 信號光偏振態變化影響的探測信號，並對該探測信號進行強度及相位信息的提取，得到待 測信息量。
[0008] 本發明所述的裝置中，所述傳感光纖為纖芯內設有周期性局部瑞利反射增強結構 的單模光纖。
[0009] 本發明所述的裝置中，傳感光纖中設置的周期性局部反射增強結構的數量根據系 統性能指標進行設定。
[0010] 本發明所述的裝置中，周期性局部反射增強結構通過紫外光刻或飛秒雷射加工而 成。
[0011] 本發明所述的裝置中，所述光電探測器為PIN型光電探測器。
[0012] 本發明產生的有益效果是：本發明通過聯合使用偏振分束合束器和兩個光電探測 器，將光分為兩個不同的偏振態光，然後再將兩路偏振態光合併為一路不受光偏振態變化 影響的探測信號，可有效抑制相干光路中受傳感光纖中返回的探測光信號的偏振態變化導 致的偏振衰落現象。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中： 圖1是本發明實施例增強型相干光時域反射裝置結構示意圖； 圖2是本發明實施例增強型相干光時域反射的傳感檢測方法流程圖； 圖3是本發明實施例纖芯內設有周期性局部反射增強結構的單模光纖示意圖。

【具體實施方式】
[0014] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不 用於限定本發明。
[0015] 本發明通過聯合使用偏振分束合束器和兩個光電探測器，將光分為兩個不同的偏 振態光，然後再將兩路偏振態光合併為一路不受光偏振態變化影響的探測信號，可實現對 相干光路中受傳感光纖中返回的探測光信號的偏振態變化導致的偏振衰落現象的抑制。
[0016] 本發明實施例增強型相干光時域反射裝置，如圖1所示，包括： 光源模塊10,用於提供相干性較好的雷射； 聲光開關20,用於將雷射轉換為探測光脈衝信號，同時也可以對雷射信號進行移頻，借 助參考光路可以形成外差型探測光路系統，進一步提升系統對弱信號的檢測能力。
[0017] 光放大器30,用於將探測光脈衝信號進行放大，可以拓展系統探測距離；光放大 器30可使用摻鉺光纖放大器（EDFA )。
[0018] 環行器40,用於將放大後的光脈衝信號傳導給傳感光纖50 ;本發明實施例中，環 行器40可米用三埠器件，分別連接光放大器30、傳感光纖50和偏振分束合束器60,可使 反射信號光進入探測光路中的偏振分束合束器60。
[0019] 傳感光纖50,用來感知外部環境信息.本發明的較佳實施例中，傳感光纖50為纖 芯內存在周期性局部反射增強結構的特製傳感用單模光纖，如圖3所示，在探測光脈衝寬 度內，可以通過紫外光刻或飛秒雷射加工技術，在加工通信用單模光纖時直接對纖芯的內 部折射率變化進行調製，在纖芯內部形成呈周期性分布的局部反射增強結構。通過該種加 工方法形成的折射率突變點，可以將背向瑞利散射光信號增強至0.19Γ1%範圍，大大提高 了傳感信號的強度，從而使得本發明可以使用PIN型光電探測器，避免了其他相干光時域 反射儀中普遍採用的適合於極弱光信號監測的Aro型光電探測器，使得系統無需Aro高壓 驅動電路及溫度補償反饋電路，切實的提升了光電轉換信號的穩定性及可靠性。在光纖中 傳播的探測光脈衝的寬度內存在以N為中心，左右各K個突變節點，整個脈衝寬度內共計存 在2k+l個折射率突變點，這些局部反射點形成的探測光信號可以表示為 ： 式中，

【權利要求】
1. 一種增強型相干光時域反射的傳感檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟： 將雷射轉換為探測光脈衝信號； 將探測光脈衝信號進行放大，放大後的光脈衝信號通過環形器傳導給傳感光纖； 將傳感光纖中返回的光信號分離為兩個正交偏振態的光，並將其分別與參考光信號中 對應的偏振態信號進行相干疊加； 通過兩個光電探測器分別採集相干疊加後的兩個偏振態的光，生成兩路探測信號送入 信號採集處理器； 信號採集處理器對送入的探測信號進行模數轉換，並將兩路信號合成一路不受信號光 偏振態變化影響的探測信號，並對該探測信號進行強度及相位信息的提取，得到待測信息 量。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，放大後的光脈衝信號在傳感光纖中傳輸 時，通過傳感光纖內的周期性局部反射增強結構增強光的反射率。
3. -種增強型相干光時域反射裝置，其特徵在於，包括： 光源模塊，用於提供相干性較好的雷射； 聲光開關，用於將雷射轉換為探測光脈衝信號； 光放大器，用於將探測光脈衝信號進行放大； 環行器，用於將放大後的光脈衝信號傳導給傳感光纖，並使得反射信號光進入探測光 路中的偏振分束合束器； 傳感光纖，用來感知外部環境信息，其內部具有周期性局部瑞利反射增強結構； 偏振分束合束器，用於將傳感光纖中返回的光信號分離為兩個正交偏振態的光，並將 其分別與參考光信號中對應的偏振態信號進行相干疊加； 兩個光電探測器，用於分別採集相干疊加後的兩個偏振態的光，生成兩路探測信號送 入信號採集處理器； 信號採集處理器，用於對送入的探測信號進行模數轉換，並將兩路信號合成一路不受 信號光偏振態變化影響的探測信號，並對該探測信號進行強度及相位信息的提取，得到待 測信息量。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述傳感光纖為纖芯內設有周期性局部 瑞利反射增強結構的單模光纖。
5. 根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，傳感光纖中設置的周期性局部反射增強 結構的數量根據系統性能指標進行設定。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，周期性局部反射增強結構通過紫外光刻 或飛秒雷射加工而成。
7. 根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述光電探測器為PIN型光電探測器。
【文檔編號】G01H9/00GK104296783SQ201410572521
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】閆奇眾, 印新達, 王丹 申請人:武漢理工光科股份有限公司