CN103575379B

CN103575379B - 随机位置点光纤分布式声波传感器

Info

Publication number: CN103575379B
Application number: CN201310536683.8A
Authority: CN
Inventors: 王晨; 刘小会; 尚盈; 王昌; 彭纲定; 郭士生
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN103575379A

Abstract

一种随机位置点光纤分布式声波传感器，它包括DFB光纤激光器，声光调制器，第一光放大器，环形器，探测光纤；由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到耦合器并连接第一法拉第旋转镜，耦合器通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，耦合器输出光信号至第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调***。采用基于背相瑞利散射的声波位置测量装置与基于迈克耳逊干涉的声波相位测量装置通过同一根探测光纤互相结合的方案，无需时分复用技术。

Description

随机位置点光纤分布式声波传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种随机位置点光纤分布式声波传感器。

背景技术

声波测量技术在海洋油气资源勘探开发，井下的微地震、声速、流量等方面均有着广泛的应用。而传统的声波测量方法都存在装置体积大、测量范围受放大器件限制等问题，并且传统的声波测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的声波测量***势在必行。

现有技术中基于光纤技术的声波传感***研究已经非常广泛，对于声波相位多采用光纤光栅探头或电探头的点声波传感器，此种传感***只能测量探头附近位置的声波相位信息；对于声波位置多采用基于光时域反射技术的光纤分布式传感器，此种传感***只能确定声源在传感光纤上的位置，对声源本身的信息却难以得知。综上现有的测量手段一般都存在声波相位测量和声波位置测量难以兼顾的问题。如果要同时对随机位置声源的声波相位和位置进行监测，则必须在测量空间内布置两套***，一套用于声波相位测量，另一套用于声波位置测量，不仅需要铺设一条位置传感光纤，还需要在测量范围内搭配大量的声波相位传感器以覆盖整个测量范围，对于在背向反射光中解调声波相位，***普遍还需采用复杂的时分复用技术，造成***成本大量增加。现有技术中，在具体应用前述两种测量手段时，两种测量装置均需要分别搭设，即为配合测量声波位置，不仅需要铺设一条位置传感光纤，还需要在测量范围内搭配大量的声波相位传感器以覆盖整个测量范围，才能获得此声波的相位信息；对于在背向反射光中解调声波相位，***普遍还需采用复杂的时分复用技术；另外，相应的光源提供装置、滤波装置、混频装置等设备也均需为两种测量装置分别单独设置。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种随机位置点光纤分布式声波传感器。

一种随机位置点光纤分布式声波传感器，它包括分布反馈式（Distributed Feedback，DFB）光纤激光器（以下简称DFB光纤激光器），接收DFB光纤激光器输出正向入射光信号的声光调制器，接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光放大器，第一光放大器输出的正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器C1端，从环形器C2端送至探测光纤；

由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；

穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到2×2 耦合器的P1端，2×2 耦合器的P3端通过光纤连接第一法拉第旋转镜，2×2 耦合器的P4端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，2×2 耦合器的P2端输出光信号至第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调***。

本方案的具体特点还有，从2×2 耦合器P3端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从2×2 耦合器P4端到第二法拉第旋转镜的光纤长度的差s为***空间分辨率的整数倍。

第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器，第二光放大器是指第二脉冲掺铒光纤放大器。

前述结构的工作原理是：

1）声波位置信息测量：采用窄线宽、低噪声的DFB光纤激光器作为光源，然后经声光调制器成正向入射脉冲，再经第一光放大器和第一光滤波器后入射到环行器C1端。环行器C2端连接探测光纤，探测光纤的后向瑞利散射信号通过环行器C3端，经第二光放大器和第三光滤波器后直接进入第一光电探测器，后由光纤信号解调***进行级差叠加等相关处理后，即可得到振动位置信号。当脉冲脉宽为τ，周期为T的脉冲激光进入探测光纤，根据光纤分布式测量原理可以得出激光脉宽τ与***空间分辨率ΔL之间的：ΔL=cτ/2n，c为光在真空中的速度3×10⁸m/s，n为光纤折射率约为1.5。前述“声波位置信息测量”处理过程中所涉及到的装置，即形成本发明的第一光纤分布式传感装置；

2）声波相位信息测量：从探测光纤出射的正向入射脉冲光，经过光隔离器、第二光滤波器之后，进入由2×2耦合器、相位调制器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜组成的臂长差为s的迈克耳逊干涉仪（s为ΔL的整数倍），实现不同时间处正向入射脉冲信号的干涉，进入P3端口的光未加相位调制与时延被第一法拉第旋转镜反射（如图2所示），进入P4端口的光附加相位调制与时延被第二法拉第旋转镜反射（如图3所示），两束光在2×2耦合器处发生干涉如图4所示，从P2端出射的干涉信号记录了单位长度上的声波相位信号，输出至第二光电探测器，通过下面的解调算法就可以解调还原出被记录在干涉信号上的声波相位信号。

相位载波解调原理：

根据光的相干原理，第二光电探测器上的光强I可表示为：

I=A+BcosΦ(t) (1)

式(1)中： A 是干涉仪输出的平均光功率，B=κA，κ≤1为干涉条纹可见度。Φ(t)是干涉仪的相位差。设Φ(t) =Ccosω₀t+φ(t)，则式(1)可写为:

I=A+Bcos[Ccosω₀t+φ(t)] (2)

式(2)中Ccosω₀t是相位载波;φ(t) =Dcosω_st +Ψ(t)，Dcosω_st是传感光纤声场信号引起的相位变化,Ψ(t)是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式(2)用Bessel函数展开得：

（3）

如图5所示，相位载波调制示意图利用Bessel函数展开后的干涉仪输出探测器信号I进行基频、二倍频相乘，为了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象,对两路信号进行了微分交叉相乘(DCM)，微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算处理后转换为

B²GHJ₁(C)J₂(C)φ(t) (4)

将φ(t) =Dcosω_st +Ψ ( t)代入式(4)有

B²GHJ₁(C)J₂(C)[Dcosω_st+Ψ(t)] (5)

可见, 积分后得到的信号包含了待测信号Dcosω_st和外界的环境信息. 后者通常是个慢变信号,且幅度可以很大,可通过高通滤波器加以滤除.***的最后输出为

B²GHJ₁(C)J₂(C)Dcosω_st (6)

由公式(6)可以求解出传感光纤声场信号引起的相位变化的Dcosω_st信号。

前述“声波相位信息测量”处理过程中所涉及到的装置，即形成本发明的第二光纤分布式传感装置；

本发明的有益效果是：由于使用了基于后向瑞利散射原理的第一光纤分布式传感装置和基于迈克耳逊干涉原理的第二光纤分布式传感装置，第一光纤分布式传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的声波位置信息，第二光纤分布式传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的声波相位信息，其特征在于：所述第一光纤分布式传感装置和第二光纤分布式传感装置共用同一条探测光纤，第一光纤分布式传感装置利用探测光纤返回的背向瑞利散射光，而第二光纤分布式传感装置利用探测光纤出射的正向入射脉冲光，两装置同时工作，使用相位载波解调方案、无需时分复用。所述发明将探测光纤中的正向入射信号与背相瑞利散射信号全部利用起来，采用背相瑞利散射光进入声波位置测量装置与正向入射脉冲光进入声波相位测量装置、两装置结构上共用同一根探测光纤的方案，同时记录下传感信号的位置、频率、相位等信息，相位信息测量使用相位载波解调方案，无需时分复用技术，实现了对传感范围内点声波的位置和相位信息的同时监测，使得在不增加探测光纤长度的前提下极大的减少了原来单一声波相位传感器所需数量，同时也降低了***实现的技术难度，大大降低***成本，并且使单套***即可完成对随机点声波全部信息的监测。

附图说明

图1是本发明的***框图；图2是耦合器P3端口光波形示意图；图3是耦合器P4端口光波形示意图；图4是耦合器P2端口光波形示意图；图5是相位载波解调算法示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种随机位置点光纤分布式声波传感器，它包括分布反馈式（Distributed Feedback，DFB）光纤激光器（以下简称DFB光纤激光器），接收DFB光纤激光器输出正向入射光信号的声光调制器，接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光放大器，第一光放大器输出正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器C1端，从环形器C2端送至探测光纤；由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到2×2 耦合器的P1端，2×2 耦合器的P3端通过光纤连接第一法拉第旋转镜，2×2 耦合器的P4端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，2×2 耦合器的P2端输出光信号至第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调***。从2×2 耦合器P3端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从2×2 耦合器P4端到第二法拉第旋转镜的光纤长度的差s为***空间分辨率的整数倍。第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器，第二光放大器是指第二脉冲掺铒光纤放大器。

实施例1采用窄线宽、低噪声的DFB光纤激光器（RFLM-25-3-1550-1，NP Photonics，波长1550nm）作为光源，然后经声光调制器（ZY-AOM-SM-1550-10，北京中科紫玉光电技术有限公司）形成正向入射脉冲，再经第一光放大器（PB-pluse-EDFA-M-CB-0-0-FC/APC，北京佰特光通科技有限公司）和第一光滤波器后入射到环行器C1端。环行器C2端连接探测光纤。探测光纤为普通光纤，在此假设传感光纤的长度为2km，激光脉冲脉宽τ为50ns，则据前所述空间分辨率ΔL为5m。探测光纤的后向瑞利散射信号通过环行器C3端，经第二光放大器和第三光滤波器后直接进入第一光电探测器（OP-APD-1550-D，天津峻烽伟业光电科技有限公司），在光纤信号解调***中进行声波信号级差叠加的定位算法，确定声波的位置信息。

从探测光纤尾端出射的正向入射脉冲光，经过光隔离器、第二光滤波器之后，进入由2×2耦合器、相位调制器（KG-PM-1550-10-PS-FA，北京康冠世纪光电科技有限公司）、第一法拉第旋转镜（MFRM-A-1550，北京华拓光研科技有限公司）、第二法拉第旋转镜组成的迈克耳逊干涉仪，臂长差s设为测量精度ΔL（5m），即可以实现相邻两个正向入射脉冲光信号的干涉，从P2端出射的干涉信号进入到第二光电探测器，在光纤信号解调***中进行声波信号的相位信息的解调，利用前述相位载波解调方案求解公式I_P2=B²GHJ₁(C)J₂(C)Dcosω_st中传感光纤声场信号引起的相位变化的Dcosω_st信号，进行声波信号的相位信息的解调，确定声波的频率、相位信息。综上通过确定声波的位置、频率、相位信息，完成对此随机点声波全部信息的监测。

Claims

1. 一种随机位置点光纤分布式声波传感器，它包括DFB光纤激光器，接收DFB光纤激光器输出正向入射光信号的声光调制器，接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光放大器，第一光放大器输出正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器C1端，再从环形器C2端送至探测光纤；由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到2×2 耦合器的P1端，2×2 耦合器的P3端通过光纤连接第一法拉第旋转镜，2×2 耦合器的P4端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，2×2 耦合器的P2端输出光信号至第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调***。

2.根据权利要求1 所述的随机位置点光纤分布式声波传感器，其特征是从2×2 耦合器P3端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从2×2 耦合器P4端到第二法拉第旋转镜的光纤长度的差s为***空间分辨率的整数倍。

3.根据权利要求1 所述的随机位置点光纤分布式声波传感器，其特征是第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器。