CN104457962B - 一种超长距离分布式光纤震动传感监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超长距离分布式光纤震动传感监测***，包括连接激光器的1X2耦合器，1X2耦合器的输出与2X2耦合器和接入控制电路的调制器连接，调制器输出端串接放大器后与环形器连接，环形器与2X2耦合器连接，2X2耦合器输出端串接探测器和采集卡后与电脑连接，其特点是1X2耦合器与2X2耦合器的连接线路上串接另一调制器和另一2X2耦合器；所述另一2X2耦合器与光纤放大器环形串接成光纤环。本发明与现有技术相比具有耐腐蚀、抗干扰性和100公里以上超长监测距离的优点，结构简单，设备投入少，精度高，安装、使用和维护方便，有着非常广泛的应用场景。

Description

一种超长距离分布式光纤震动传感监测***

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其是一种超长距离分布式光纤震动传感监测***。

背景技术

目前，分布式光纤震动传感监测技术主要分为两大类：基于干涉技术和基于OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer，光时域反射仪）技术。分布式光纤震动传感监测技术凭借其无源、长距离监测、耐腐蚀、抗干扰等优势，有着非常广泛的应用场景，例如特定区域的周界安放、长距离的管线安全监控等，该技术近年来成为光纤传感领域的研究重点。

基于干涉技术的分布式光纤震动传感监测***是在光相移检测器技术基础之上，相干光束在通过耦合器之后被一分为二，分别在传感臂和参考臂内部进行传播，当有细微振动产生在信号臂上时，其内部的传播光波被施加了相位调制，光束之间被引入相位差。在解调干涉光强度后，能够获取原始振动引发的相位调制信号。由于信号臂的臂长不能和参考臂一模一样，而且两个臂长还会随着环境的变化而发生改变，所以出现相位漂移的难题还无法解决，干涉输出的幅值会出现衰落现象，在实际应用中存在误差。

基于OTDR技术的分布式光纤震动传感监测***主要采用B-OTDR、Φ-OTDR和P-OTDR技术支撑。其原理不同于干涉效应，OTDR技术主要是通过对入侵前后功率谱曲线进行相互比较获，从而获取入侵点具体信息。整个***设计仅仅需要一根光纤，距离大多以公里为单位，长达几十公里，在同一端口监测，能够直接对入侵位置进行定位。从技术层面来看，OTDR的脉冲宽度直接影响其空间分辨率，其中Φ-OTDR技术目前比较成熟，已被广泛应用。但是该类型的***中需要窄线宽的激光器，限宽越窄的激光器，频率漂移越小，相应的成本也越大。受激光器制造工艺的影响，一般的基于OTDR的分布式光纤震动传感监测***的监测距离在40公里左右，定位精度在50米左右。

现有技术存在着监测距离短，定位精度低，监测误差大，设备成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种超长距离分布式光纤震动传感监测***，采用耦合器与放大器环形串接的光纤环，将长脉冲信号循环运行后能够前后相接且重复不断，使循环后的长脉冲信号与短脉冲信号进入光纤的散射光能够始终保持相干性，实现100公里以上超长监测距离，使用一根光纤、同一端口监测，就能直接对入侵位置进行精确定位，结构简单，成本低，精度高，安装、使用和维护更方便，可长期可靠的用于恶劣环境中工作，具有耐腐蚀、抗干扰等优势，有着非常广泛的应用场景。

本发明的目的是这样实现的：一种超长距离分布式光纤震动传感监测***，包括接入窄线宽激光器的1X2耦合器，1X2耦合器输出端分别与2X2耦合器和与接入控制电路的光纤声光调制器连接，光纤声光调制器输出端串接掺饵光纤放大器后与光纤环形器一接口连接，光纤环形器另两接口分别与2X2耦合器和待测光纤连接，2X2耦合器输出端串接双平衡探测器后接入与电脑连接的采集卡，由设置在电脑的软件对待测光纤进行震动监测，其特点是1X2耦合器与2X2耦合器的连接线路上串接另一光纤声光调制器和另一2X2耦合器；所述另一2X2耦合器与半导体光纤放大器环形串接组成光纤环；所述另一光纤声光调制器和半导体光纤放大器与控制电路连接，另一光纤声光调制器在控制电路的控制下将输入的单频光调制成长脉冲光后从另一2X2耦合器的输入端进入光纤环，长脉冲光在光纤环中运行数圈后由另一2X2耦合器的输出端接入2X2耦合器；所述2X2耦合器将光纤环输出的长脉冲光与光纤环形器输出的短脉冲光耦合后接入双平衡探测器。

所述长脉冲光在光纤环中的运行数圈由控制电路控制半导体光纤放大器的开和关进行设定。

本发明与现有技术相比具有100公里以上超长监测距离和良好的耐腐蚀、抗干扰性能，结构简单，成本低，精度高，安装、使用和维护都十分方便，可长期可靠的用于恶劣环境中工作，有着非常广泛的应用场景。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为从待测光纤中返回的散射光波图；

图3为光纤环中出来的长脉冲光波图；

图4为没有震动的波形图；

图5为出现震动的波形图。

具体实施方式

参阅附图1，本发明由窄线宽激光器1、1X2耦合器2、两光纤声光调制器3、掺饵光纤放大器4、光纤环形器5、两2X2耦合器6、控制电路7、半导体光纤放大器8、双平衡探测器9、采集卡10和电脑11组成。所述窄线宽激光器1输出端与1X2耦合器2输入端连接；所述1X2耦合器2输出端分别与两光纤声光调制器3输入端连接；所述一光纤声光调制器3输出端与掺饵光纤放大器4输入端连接；所述另一光纤声光调制器3输出端与另一2X2耦合器6输入端连接，其输出端与一2X2耦合器6输出端连接；所述控制电路7与两光纤声光调制器3和半导体光纤放大器8连接；所述掺饵光纤放大器4输出端与光纤环形器5一接入端连接，其另一接入端与待测光纤12连接，光纤环形器5的输出端与一2X2耦合器6输入端连接；所述一2X2耦合器6输出端与双平衡探测器9输入端连接；所述双平衡探测器9输出端与采集卡10连接，采集卡10连接电脑11，由设置在电脑11内的软件对待测光纤12进行震动监测。

本发明是这样工作的：1x2耦合器2将窄线宽激光器1发出单频光耦合后分上、下两路分别输入两光纤声光调制器3，上一路一光纤声光调制器3在控制电路7的控制下将输入的单频光调制成短脉冲光后接入光经掺饵光纤放大器4，短脉冲光经掺饵光纤放大器4放大后由光纤环形器5进入待测光纤12，从待测光纤12返回的散射光由光纤环形器5接入一2x2耦合器6。下一路另一光纤声光调制器3在控制电路7的控制下将输入的单频光调制成长脉冲光后进入由另一2x2耦合器6与半导体光纤放大器8组成的光纤环中，由于该光纤环的作用，从光纤声光调制器3出来长脉冲能够前后相接，且重复不断，这样就和上一路的短脉冲进入光纤的散射光能够始终保持相干性，从光纤环中输出的连续长脉冲光接入一2X2耦合器6，一2X2耦合器6将光纤环输出的长脉冲光与光纤环形器5输出的短脉冲光耦合后接入双平衡探测器9，双平衡探测器9将光信号转换为电信号后，由采集卡10将信号传送给电脑11，由设置在电脑11内的软件对光纤的震动进行超长距离的监测。所述短脉冲光的脉冲宽度由***的定位精度决定，该***的定位精度为10米，根据OTDR的定位公式，因此该短脉冲的宽度为100ns。所述长脉冲光的脉冲宽度为20ms，之所以选择20ms是因为现有激光器相干长度一般为20km。

参阅附图2，从待测光纤12返回的散射光波形。

参阅附图3，长脉冲光在另一2x2耦合器6与半导体光纤放大器8组成的光纤环循环，使调制的长脉冲能够前后相接且重复不断，这样就和上一路短脉冲进入光纤的散射光能够始终保持相干性，使***的监测距离达到nx20km。n是进入该光纤环的长脉冲在该光纤环中运行的圈数，该圈数n由控制电路7通过半导体光纤放大器8的开和关来进行设定，在实际的应用中，n受采样率和半导体光纤放大器8的信噪比影响，不可能无限大，一般范围为2～6较合适，该半导体光纤放大器8的另一个作用是对光的放大并保持光不衰减。

参阅附图4，当待测光纤12上没有震动时，从待测光纤12返回的散射光波形与下一路进入一2x2耦合器6的波形拍频叠加后，双平衡探测器9采集的波形是比较工整的正弦波。

参阅附图5，当待测光纤12上有震动时，从待测光纤12返回的散射光波形与下一路进入2x2耦合器6的波形拍频叠加后，双平衡探测器9采集的波形和没有震动的波形的区别是震动位置波形的相位发生反转，从此判断该位置出现震动，因为该位置波形的相位发生反转，所以接下来所有波形的相位都发生反转，如果再发现某个位置的波形和原有波形一样，那么就说明在这个地方也有震动源，因此该***可以同时判断多个震动源。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种超长距离分布式光纤震动传感监测***，包括接入窄线宽激光器的1X2耦合器，1X2耦合器的第一输出端和接入控制电路的光纤声光调制器连接，光纤声光调制器输出端串接掺饵光纤放大器后与光纤环形器一接口连接，所述光纤环形器的另两接口分别与2X2耦合器和待测光纤连接，2X2耦合器输出端串接双平衡探测器后接入与电脑连接的采集卡，由设置在电脑的软件对待测光纤进行震动监测，其特征在于1X2耦合器的第二输出端依次串接另一光纤声光调制器和另一2X2耦合器；所述另一2X2耦合器与半导体光纤放大器环形串接组成光纤环；所述另一光纤声光调制器和半导体光纤放大器分别与所述控制电路连接，所述另一光纤声光调制器在所述控制电路的控制下将输入的单频光调制成长脉冲光后从所述另一2X2耦合器的输入端进入所述光纤环，长脉冲光在所述光纤环中运行数圈后由所述另一2X2耦合器的输出端接入所述2X2耦合器；所述2X2耦合器将所述光纤环输出的长脉冲光与所述光纤环形器输出的短脉冲光耦合后接入所述双平衡探测器。

2.根据权利要求1所述超长距离分布式光纤震动传感监测***，其特征在于所述长脉冲光在光纤环中的运行数圈由控制电路控制半导体光纤放大器的开和关进行设定。