CN106153089A - 一种分布式光纤传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤传感***，包括窄线宽激光器、调制器、光隔离器、掺铒光纤放大器、环行器、光纤光栅、传感光纤、光探测器、微波放大器、高通滤波器、功率分配器、第一滤波模块、第一微波探测模块、第一低频放大器、第二滤波模块、第二微波探测模块、第二低频放大器、数据采集卡和计算机，本发明实现分布式光纤振动或声信号的测量，有效实现大相位信号的动态测量，且能够消除相位相消衰落问题，无需GS/s采样率的高速数据采集设备，降低了成本而且不会影响响应时间，在能消除激光光源不稳和线路损耗的前提下，分别测出布里渊散射光的强度和频移变化，进而得到温度变化和应变。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种分布式光纤传感***。
背景技术
分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。
根据传感原理，分布式光纤传感技术主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用M-Z型、Sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)、布里渊光时域反射型(B-OTDR)、拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。为了能有效检测外差信号，需要高速的数据采集设备(GS/s量级的采样率)，成本较高。
光在光纤中传输，主要有三种后向散射光：瑞利、布里渊和拉曼，其中瑞利散射无能量转换，属于弹性散射，无频移；布里渊和拉曼散射都具有能量转换，属于非弹性散射，而且一般均具有斯托克斯和反斯托克斯两种成分光。据定义，频率下移的成分是斯托克斯光，频率上移的成分是反斯托克斯光。布里渊散射和拉曼散射的区别在于前者是基于光学声子的一种散射光，既受温度变化的影响又受应变的影响，而后者是基于光学光子的一种散射光，只受温度变化的影响。目前广大研究者已经对这些散射现象进行了深入研究并且根据其各自特点进行了应用，比如光时域/频域反射计(OT/FDR)，光时域/频域分析仪(OT/FDA)，以及分布式光纤传感器等等。分布式光纤传感器特别是基于布里渊散射的光纤传感器，与其他传感器相比，具有其独特优势，但同时由于布里渊后向散射光与瑞利后向散射光的频率差异非常小，约为11GHz(在1.55um波段，对应于波长差异为88pm)，其检测手段存在很大的挑战性，所以目前仍然是研究热点。在传统***中，通常使用光方法或使用软件方法来解耦温度和应变，成本较高，影响响应时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低的分布式光纤传感***。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分布式光纤传感***，包括窄线宽激光器、调制器、光隔离器、掺铒光纤放大器、环行器、光纤光栅、传感光纤、光探测器、微波放大器、高通滤波器、功率分配器、第一滤波模块、第一微波探测模块、第一低频放大器、第二滤波模块、第二微波探测模块、第二低频放大器、数据采集卡和计算机，所述窄线宽激光器的输出端与调制器的输入端连接，调制器的输出端与光隔离器的输入端相连，光隔离器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连，掺铒光纤放大器的输出端与环行器的a端口相连，环行器的b端口与光纤光栅相连，环行器的c端口与传感光纤相连，环行器的d端口与光探测器的输入端口相连，所述光探测器的输出端依次连接微波放大器、高通滤波器和功率分配器；所述功率分配器的两个输出端，其中一个输出端依次连接第一滤波模块和第一微波探测模块，第一微波探测模块用以将高频信号转换为低频信号，第一微波探测模块经第一低频放大器进入数据采集卡；功率分配器的另一个输出端经过一个第二滤波模块，第二滤波模块将频率的不同转换为强度的不同，进而进入第二微波探测模块，第二微波探测模块将高频信号转换为低频信号，然后经过第二低频放大器后进入数据采集卡；所述数据采集卡和计算机连接。
作为本发明进一步的方案：所述窄线宽激光器的输出波长与光纤光栅的中心波长一致。
作为本发明再进一步的方案：所述窄线宽激光器采用连续输出的低噪声单频激光器，线宽小于5kHz，工作波长在1550nm波段。
作为本发明再进一步的方案：所述调制器采用声光调制器，通过脉冲发生器加载脉冲电压信号，脉冲宽度受限于声光调制器的上升下降时间。
作为本发明再进一步的方案：所述调制器采用10ns～100ns的脉冲宽度。
作为本发明再进一步的方案：所述光纤光栅的3dB带宽小于0.2nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现分布式光纤振动或声信号的测量，有效实现大相位信号的动态测量，且能够消除相位相消衰落问题，无需GS/s采样率的高速数据采集设备，降低了成本而且不会影响响应时间，在能消除激光光源不稳和线路损耗的前提下，分别测出布里渊散射光的强度和频移变化，进而得到温度变化和应变。
附图说明
图1为分布式光纤传感***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种分布式光纤传感***，包括窄线宽激光器1、调制器2、光隔离器3、掺铒光纤放大器4、环行器5、光纤光栅6、传感光纤7、光探测器8、微波放大器9、高通滤波器10、功率分配器11、第一滤波模块12、第一微波探测模块13、第一低频放大器14、第二滤波模块15、第二微波探测模块16、第二低频放大器17、数据采集卡18和计算机19，所述窄线宽激光器1的输出端与调制器2的输入端连接，调制器2的输出端与光隔离器3的输入端相连，光隔离器3的输出端与掺铒光纤放大器4的输入端相连，掺铒光纤放大器4的输出端与环行器5的a端口相连，环行器5的b端口与光纤光栅6相连，环行器5的c端口与传感光纤7相连，环行器5的d端口与光探测器8的输入端口相连，所述光探测器8的输出端依次连接微波放大器9、高通滤波器10和功率分配器11；所述功率分配器11的两个输出端，其中一个输出端依次连接第一滤波模块12和第一微波探测模块13，第一微波探测模块13用以将高频信号转换为低频信号，第一微波探测模块13经第一低频放大器14进入数据采集卡18；功率分配器11的另一个输出端经过一个第二滤波模块15，第二滤波模块15将频率的不同转换为强度的不同，进而进入第二微波探测模块16，第二微波探测模块16将高频信号转换为低频信号，然后经过第二低频放大器17后进入数据采集卡18；所述数据采集卡18和计算机19连接。
所述窄线宽激光器1的输出波长与光纤光栅6的中心波长一致，光纤光栅6的3dB带宽小于0.2nm。所述调制器2用于产生正弦相位调制，调制幅度为2rad-4rad。
本发明的窄线宽激光器1采用连续输出的低噪声单频激光器，线宽小于5kHz，工作波长1550nm波段。连续输出的窄线宽激光经调制器产生周期性重复脉冲光，调制器2采用声光调制器，通过脉冲发生器加载脉冲电压信号，脉冲宽度受限于声光调制器的上升下降时间，通常采用10ns～100ns的脉冲宽度，脉冲重复频率与传输光纤长度有关，当光纤长度为10km时，脉冲重复频率最大为10kHz。脉冲光经光隔离器3后进入掺铒光纤放大器4进行光功率放大，通过环行器5和光纤光栅6对放大后的光信号进行滤波，光纤光栅6的中心波长与窄线宽激光器1的工作波长一致，光纤光栅6的3dB带宽小于0.2nm，以保证进入传感光纤7的脉冲光不包含过多的自发辐射光，保证脉冲光的相干性。脉冲光沿传感光纤7传播过程中产生背向瑞利散射，不同位置产生不同的瑞利散射光，当窄线宽激光器1的相干长度大于传输光纤长度时，瑞利散射光是相干的。传感光纤7的背向布里渊散射光通过环行器的d端口进入光探测器8中进行本源外差干涉，可以得到约为11GHz的外差干涉信号。该电信号经过微波放大器9和高通滤波器10后，在功率分配器11中进行功率分配，第一路经第一滤波模块12进入第一微波探测模块13中，将高频信号转化成低频信号，然后经过第一低频放大器14后进入数据采集卡18中进行数据采集处理；第二路先经过一个第二滤波模块15频率-强度转换器，将频率的变化转化为强度的变化，进而进入第二微波探测模块16中，将高频信号转化为低频信号，然后经过第二低频放大器17后进入数据采集卡18中进行数据采集处理。两路信号经过一定的处理便既可以得到布里渊频移还可以消除由于激光光源不稳或线路损耗等的影响。即可从高频光探测器的输出中得到与瑞利散射和布里渊散射的外差干涉信号(本源外差干涉)相对应的交流信号，该交流信号的频率由布里渊频移决定。然后再经过频率-强度转换器将频率的变化转换成强度的变化，之后经过微波探测模块，转换成低频信号，进入数据采集卡中进行处理。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种分布式光纤传感***，包括窄线宽激光器(1)、调制器(2)、光隔离器(3)、掺铒光纤放大器(4)、环行器(5)、光纤光栅(6)、传感光纤(7)、光探测器(8)、微波放大器(9)、高通滤波器(10)、功率分配器(11)、第一滤波模块(12)、第一微波探测模块(13)、第一低频放大器(14)、第二滤波模块(15)、第二微波探测模块(16)、第二低频放大器(17)、数据采集卡(18)和计算机(19)，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)的输出端与调制器(2)的输入端连接，调制器(2)的输出端与光隔离器(3)的输入端相连，光隔离器(3)的输出端与掺铒光纤放大器(4)的输入端相连，掺铒光纤放大器(4)的输出端与环行器(5)的a端口相连，环行器(5)的b端口与光纤光栅(6)相连，环行器(5)的c端口与传感光纤(7)相连，环行器(5)的d端口与光探测器(8)的输入端口相连，所述光探测器(8)的输出端依次连接微波放大器(9)、高通滤波器(10)和功率分配器(11)；所述功率分配器(11)的两个输出端，其中一个输出端依次连接第一滤波模块(12)和第一微波探测模块(13)，第一微波探测模块(13)用以将高频信号转换为低频信号，第一微波探测模块(13)经第一低频放大器(14)进入数据采集卡(18)；功率分配器(11)的另一个输出端经过一个第二滤波模块(15)，第二滤波模块(15)将频率的不同转换为强度的不同，进而进入第二微波探测模块(16)，第二微波探测模块(16)将高频信号转换为低频信号，然后经过第二低频放大器(17)后进入数据采集卡(18)；所述数据采集卡(18)和计算机(19)连接。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感***，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)的输出波长与光纤光栅(6)的中心波长一致。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤传感***，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)采用连续输出的低噪声单频激光器，线宽小于5kHz，工作波长在1550nm波段。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤传感***，其特征在于，所述调制器(2)采用声光调制器，通过脉冲发生器加载脉冲电压信号，脉冲宽度受限于声光调制器的上升下降时间。
5.根据权利要求1或4所述的分布式光纤传感***，其特征在于，所述调制器(2)采用10ns～100ns的脉冲宽度。
6.根据权利要求1或2所述的分布式光纤传感***，其特征在于，所述光纤光栅(6)的3dB带宽小于0.2nm。
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