CN109238355A - 光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置及方法，其中装置包括：宽带光源和窄带DFB激光源，通过波长复用器与扰偏器连接；光/声光调制器，与扰偏器连接；调制器驱动模块，与电光/声光调制器连接；铒光纤放大器EDFA，与电光/声光调制器连接；第一环形器，第二环形器，第三环形器，耦合器，数据采集与信号处理模块与四个光电探测器连接，用于采集信号并进行相位解调，实现对窄带弱光栅阵列的准静态测量以及宽带啁啾弱光栅阵列的动态传感测量。本发明可实现光纤分布式动静态参量同时传感测量。

Description

光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置及方法。
背景技术
光纤传感技术对比电传感器拥有很多良好的优点。面对物联网产业高速发展的巨大需求，光纤传感技术正面临着新的机遇和挑战，但存在光纤传感需求的多样性与光纤传感功能单一性之间的矛盾。在油气井开采与探测、油气管线、桥梁、大型管廊等，若能对动态和静态信号同时进行监测，则可大大减少监控***的成本，并提高监测的有效性和可靠性。
基于光背向散射技术传感，可用来测量温度、应变等准静态物理量，如布里渊散射技术能够分布式测量温度或者应变；另外一种是使用光纤中的干涉效应来测量振动等动态信号，如基于瑞利散射光偏振效应、C-OTDR、Sagnac干涉和Mach-Zehnder干涉，此类技术利用光纤中光波的相位或偏振信息，对快速变化的动态信号非常敏感，但不能测量准静态的温度/应变参量。部分学者利用拉曼散射或布里渊散射与Φ-OTDR融合实现了动态与静态传感信号的分布式解调，但是***信噪比差，***成本高。
发明专利CN 20151011446.0发明了一种在线制备光纤光栅***，在线制备FBG阵列是指在光纤拉制的过程中，利用准分子激光器的输出单脉冲激光能量直接刻写低反射率的光纤光栅阵列技术，然后再进行二次涂覆，形成大容量低反射率的弱光栅传感阵列，这种制备技术生产效率高，因而成本大大降低，工艺灵活，涂层均匀，并且光栅阵列无焊点，光纤传输损耗低，抗机械拉力强度与光纤一样，工程施工方便，通常使用时分复用与波分复用技术进行对FBG波长解调，相对于普通的高反射率的波分复用***，这种方法的复用容量大大增加了传感器的数量，形成大容量的光纤传感***。武汉理工大学在动态连续制备光纤光栅阵列技术已经成熟，并发表在Chinese Optics Letters.2013,11(3):030602。发明专利CN201710744196.9发明了一种在线拉丝状态下，自动快速切换相位掩膜版刻写多波长的弱光栅阵列装置与方法。发明专利CN201710122717.7发明了一种精确控制光栅间距，实现在线刻写振动传感弱光栅阵列的装置与方法。
发明内容
针对目前同时实现分布式静态信号与动态信号监测的难点，本发明利用在线连续制备大容量弱光栅阵列，实现一种监测准静态、动态测量传感阵列的装置与方法，监测精度高，***成本低。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置，其特征在于，包括：
宽带光源和窄带DFB激光源，通过波长复用器与扰偏器连接；
电光/声光调制器，与扰偏器连接；
调制器驱动模块，与电光/声光调制器连接；
掺铒光纤放大器EDFA，与电光/声光调制器连接；
第一环形器，其第一端口与掺铒光纤放大器EDFA连接，第二端口与传感光纤连接，该传感光纤上间隔设有窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列，且两个光栅阵列反射频谱不重叠；
第二环形器，其第一端口与第一环形器的第三端口连接，其第二端口与高反射率的啁啾光栅连接，高反射率的啁啾光栅通过色散补偿光纤与第一光电探测器连接；该高反射率的啁啾光栅的带宽大于单模光纤上的宽带啁啾弱光栅阵列的带宽，并且中心波长一致；
第三环形器，其第一端口与第二环形器的第三端口连接，其第二端口与第二光电探测器连接；
耦合器，其第一耦合端口与第三环形器的第三端口连接，其第二耦合端口与第三光电探测器连接，其第三耦合端口与第四光电探测器连接，其第四耦合端口与第一法拉第旋镜连接，其第五耦合端口与压电陶瓷的一端连接，压电陶瓷的另一端与第二法拉第旋镜连接；
数据采集与信号处理模块与四个光电探测器连接，用于采集信号并进行相位解调，实现对窄带弱光栅阵列的准静态测量以及宽带啁啾弱光栅阵列的动态传感测量。
接上述技术方案，该单模光纤通过自动快速切换均匀相位掩膜板和啁啾相位掩膜板刻写窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列。
接上述技术方案，窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列的反射谱不重叠，并且光栅相隔5nm以上，光栅的反射率为0.01～0.1％，窄带弱光栅与宽带弱光栅轮流切换，光栅间距均为L，因此，相邻宽带啁啾光栅间隔为2L，光栅间距误差少于1cm。
接上述技术方案，宽带光源波长为λ1，带宽为5nm左右；窄带DFB激光源波长为λ2，其3dB带宽为1kHz左右；λ1与λ2相差5nm以上。
接上述技术方案，所述传感光纤为单模光纤。
本发明还提供了一种基于上述技术方案的光纤分布式动静态参量同时传感测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将宽带光源和窄带DFB激光器的激光经波分复用器，并经过扰偏器后接入电光/声光调制器，经调制器驱动模块调制成周期性高消光比的脉冲信号；脉冲信号经掺铒光纤放大器EDFA后进入传感光纤；
(2)不同波长的脉冲光经过传感光纤后，被反射后经过第一环形器后被分别解调，第一波长的光在第二环形器的第二端口接入高反射率的啁啾光栅，第一波长的脉冲光与该啁啾光栅的带宽不重合，第一波长的脉冲光被该啁啾光栅透射，第二波长的脉冲光全部被反射；传感光纤中第一个窄带光栅为参考光栅；
(3)第一波长的脉冲光透射后经过色散补偿光纤后被第一光电探测器接收；第二波长的脉冲光经过第三环形器后，进入耦合器，该耦合器与两个法拉第旋镜组成一个干涉仪，干涉信号分别通过耦合器的三个端口进入第二、三、四光电探测器；
(4)对于窄带光栅阵列的波长解调，第i个窄带光栅距离参考光栅的长度为2(i-1)L,参考光栅与第i个窄带传感光纤通过测量色散补偿补偿的时间差为Δti＝2(i-1)Lneff/c+DLDCF(λi-λr),当传感光栅中心波长λi发生变化时，其Δti将发生变化，Δλi＝Δti/(DLDCF)，通过测量传感光纤到参考光纤的时间差Δti，得到传感光纤的波长变化；其中，LDCF为色散补偿光纤的长度，neff为光纤的折射率,c为光速，D为色散补偿光纤的色散系数参量；
(5)对于宽带啁啾光栅阵列的波长解调，相邻啁啾光栅间距为2L，调节压电陶瓷，使两个法拉第旋镜的臂长差等于2L，形成迈克尔逊干涉仪，产生干涉信号，通过数据采集与信号处理模块采集信号并解调得到各啁啾光栅之间的干涉信号的相位，得到各位置点的动态信号，包括振动或者声波信号。
本发明产生的有益效果是：本发明在单根光纤上，同时分布式监测静态信号与动态信号的传感装置与方法，在单个光纤上分别等间隔的刻写窄带弱光栅和啁啾的宽带弱光栅阵列，窄带弱光栅通过波长变化用来快速监测静态信号如温度或应变信号，啁啾光栅用来监测相邻光栅之间的干涉信号的相位变化，从而得到各区域的动态信号，如振动或声波信号。本发明的***具有成本低，性能高，传感探头制备全自动化，成缆施工便利等特点，在油气开采、油气管线、矿产开采，物探等方面有应用前景。
进一步地，本发明1、采用了大容量光纤光栅阵列光纤，其在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写多个反射率在0.01％～0.1％的弱光纤光栅，光栅本身的抗机械强度与光纤相同，无焊点，能够提供大应变、高精度传感，且由于使用了超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，从而克服了传统的强光栅串接技术导致的传感单元少、抗机械强度低，不能适应大应变传感变化的问题；2、本发明能够同时分布式测量静态与动态信号，其反射率比随机的背向散射信号高2～3数量级，因此其信噪比远高于常规的Φ-OTDR技术传感***。3、波长解调使用色散补偿模块，通过测量与参考光栅的时延差，得到各传感光栅的波长偏移，该方法解调快速，不需要波长扫描，精度高。4、传感光纤仅需要一根，传感***成本低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置结构图，该装置包括1宽带光源；2窄带DFB激光源；3波长复用器；4扰偏器；5电光/声光调制器；6调制器驱动模块；7掺铒光纤放大器EDFA；8高反射率的啁啾光栅、12～14三端口环形器；9单模光纤(传感光纤)；10窄带光栅；11宽带光栅；15色散补偿光纤；16～17法拉第旋镜；18 3*3耦合器；19压电陶瓷PZT；20～23光电探测器1～4；24数据采集与信号处理模块。
宽带光源1和窄带DFB激光源2，通过波长复用器3与扰偏器4连接；
电光/声光调制器5，与扰偏器4连接；
调制器驱动模块6，与电光/声光调制器5连接；
掺铒光纤放大器EDFA7，与电光/声光调制器5连接；
第一环形器12，其第一端口与掺铒光纤放大器EDFA连接，第二端口与传感光纤连接，该传感光纤上间隔设有窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列，且两个光栅阵列反射频谱不重叠；
第二环形器13，其第一端口与第一环形器的第三端口连接，其第二端口与高反射率的啁啾光栅连接，高反射率的啁啾光栅通过色散补偿光纤与第一光电探测器连接；该高反射率的啁啾光栅的带宽大于单模光纤上的宽带啁啾弱光栅阵列的带宽，并且中心波长一致；
第三环形器14，其第一端口与第二环形器的第三端口连接，其第二端口与第二光电探测器连接；
3*3耦合器18，其第一耦合端口与第三环形器的第三端口连接，其第二耦合端口与第三光电探测器连接，其第三耦合端口与第四光电探测器连接，其第四耦合端口与第一法拉第旋镜连接，其第五耦合端口与压电陶瓷的一端连接，压电陶瓷的另一端与第二法拉第旋镜连接；第一法拉第旋镜16和第二法拉第旋镜17可组成干涉仪，组成干涉仪时，第一法拉第旋镜和第二法拉第旋镜的两臂长差为2L，2L为相邻宽带啁啾光栅的间距。
数据采集与信号处理模块24与四个光电探测器20-23连接，用于根据光电探测器采集的信号进行解调，实现对窄带弱光栅阵列的准静态测量以及宽带啁啾弱光栅阵列的动态传感测量。
利用上述光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置进行测量的具体步骤为：
1)使用在线拉丝塔技术在线刻写弱光栅阵列光纤9，其中光纤中包含两类光栅，窄带光栅阵列10和啁啾光栅阵列11,通过自动均匀切换相位掩膜板和啁啾相位掩膜板，使用准分子激光器依次刻写窄带光栅和啁啾光栅(可利用发明专利CN201710744196.9技术)，要求窄带光栅与啁啾光栅的反射谱不重叠，并且相隔5nm以上，防止信号交叉，光栅的反射率为0.01～0.1％，窄带光栅与宽带啁啾光栅轮流切换，光栅间隔为L，因此，相邻宽带啁啾光栅间隔为2L。由于使用在线连续刻写光栅，传感探头无任何焊点，强度与常规光纤一样，光纤损耗0.2～0.4dB，光纤成缆施工方便。利用发明专利CN201710122717.7技术实现一种精确控制光栅间距，实现在线刻写振动传感弱光栅阵列的装置与方法，能够确保光栅的间距误差少于1cm，并且与光栅间距无关，无累计误差。通过测量均匀窄带弱光栅阵列的中心波长实现准静态测量，测量相邻啁啾宽带弱光栅之间的反射信号的干涉信号实现动态传感测量，从而实现分布式动静态传感测量。
2)宽带光源波长为λ1，带宽为5nm左右，用来解调窄带弱光栅，窄带光源λ2为DFB激光器，其3dB带宽为<1kHz，用来解调啁啾光栅之间的干涉信号，并且宽带光源光谱λ1与DFB波长λ2相差5nm以上，将宽带光源与窄带DFB激光通过波长耦合器3，经过扰偏器4，由调制器5，信号被调制成周期性高消光比的脉冲信号，并经过掺铒光纤放大器EDFA 7进行信号放大，经过环形器12进入到传感光纤。第一个窄带光栅10作为参考光栅，保持该光栅不受温度与应变影响。窄带光栅之间的间距为2L。宽带光源经过窄带弱光栅10后被反射，并透射啁啾光栅11；DFB激光器的信号光透射窄带光栅10，被啁啾光栅11反射。光栅8为宽带光栅，中心波长与啁啾光栅11相同，且带宽大于啁啾光栅11，因此波长λ1的光被宽带光栅8透射，而波长λ2的光被全部反射。
3)反射率为99％以上的宽带啁啾光栅8，其光谱与啁啾光栅11一样；宽带光源的脉冲信号光被窄带光栅反射后，经过环形器12和13，透射后，经过色散补偿光纤15，被探测器20接收。波长λ1的脉冲光透射后经过一段高色散系数的色散补偿光纤后，色散补偿光纤的长度为LDCF，通过第一光电探测器20进行接收；波长λ2的脉冲光经过第三环形器14后，进入3*3的耦合器18，该耦合器与两个法拉第旋镜组成一个干涉仪，法拉第旋镜的两臂长差为2L，即相邻两啁啾光栅11的间距。
4)对于窄带光栅的波长解调，以第一窄带光栅10为参考光栅，第i个窄带光栅10与参考光栅的信号光到第一光电探测器20后的时延差为Δti＝2(i-1)Lneff/c+DLDCF(λi-λr)，其中，LDCF为色散补偿光纤的长度，neff为光纤的折射率,c为光速，D为色散补偿光纤的色散系数参量。其中前一部分为光纤之间的传输时延，后一部分为经过色散补偿光纤15后的时延，由于参考光栅的波长不变化，因此当第i个窄带光栅10的波长随温度变化时，将通过色散补偿光纤，产生时延，通过测量时延变化，从而可以得到窄带光栅10的波长变化Δλi＝Δti/(DLDCF)，色散补偿光纤的色散总量是一定的，因此，波长变化与时延变化成线性变化。通过测量各窄带光栅10与参考光栅的时延，可以得到所有窄带光栅10的波长变化，从而得到准静态的传感信号。
5)窄带信号λ2透射窄带光栅10，反射啁啾光栅11，经三个环形器12～13后，同样被高反射率的宽带啁啾光栅8，经过环形器14后，进入有两个法拉第旋镜16～17和3*3耦合器组成的干涉仪，压电陶瓷PZT 19用来调制法拉第旋镜的两臂长差，使臂长差等于啁啾光栅11之间的距离2L，由于传感光纤中的啁啾光栅的间隔误差很小，小于1cm，当调节好压电陶瓷PZT使其中一对产生强烈的干涉信号时，其他的干涉信号就自动匹配，从而可快速解调得到各啁啾光栅之间的干涉信号的相位，得到各位置点的动态信号(振动或者声波信号)。干涉信号经过第二、三、四光电探测器21～23后由数据采集与信号处理模块采集并进行信号处理，可以得到相邻啁啾光栅之间的干涉信号的相位变化，获得外界环境引起的振动或声波信号，即动态信号。
综上，本发明采用了大容量光纤光栅阵列光纤，其在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写多个反射率在0.01％～0.1％的弱光纤光栅，光栅本身的抗机械强度与光纤相同，无焊点，能够提供大应变、高精度传感，且由于使用了超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，从而克服了传统的强光栅串接技术导致的传感单元少、抗机械强度低，不能适应大应变传感变化的问题。
另外，本发明能够同时分布式测量静态与动态信号，由于使用反射率为0.01％～0.1％的弱光栅阵列，其反射率比随机的背向散射信号高2～3数量级，因此其信噪比远高于常规的Φ-OTDR技术传感***。波长解调使用色散补偿模块，通过测量与参考光栅的时延差，得到各传感光栅的波长偏移，该方法解调快速，不需要波长扫描，精度高。且传感光纤仅需要一根，传感***成本低。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置，其特征在于，包括：
宽带光源和窄带DFB激光源，通过波长复用器与扰偏器连接；
电光/声光调制器，与扰偏器连接；
调制器驱动模块，与电光/声光调制器连接；
掺铒光纤放大器EDFA，与电光/声光调制器连接；
第一环形器，其第一端口与掺铒光纤放大器EDFA连接，第二端口与传感光纤连接，该传感光纤上间隔设有窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列，且两个光栅阵列反射频谱不重叠；
第二环形器，其第一端口与第一环形器的第三端口连接，其第二端口与高反射率的啁啾光栅连接，高反射率的啁啾光栅通过色散补偿光纤与第一光电探测器连接；该高反射率的啁啾光栅的带宽大于单模光纤上的宽带啁啾弱光栅阵列的带宽，并且中心波长一致；
第三环形器，其第一端口与第二环形器的第三端口连接，其第二端口与第二光电探测器连接；
耦合器，其第一耦合端口与第三环形器的第三端口连接，其第二耦合端口与第三光电探测器连接，其第三耦合端口与第四光电探测器连接，其第四耦合端口与第一法拉第旋镜连接，其第五耦合端口与压电陶瓷的一端连接，压电陶瓷的另一端与第二法拉第旋镜连接；
数据采集与信号处理模块与四个光电探测器连接，用于采集信号并进行相位解调，实现对窄带弱光栅阵列的准静态测量以及宽带啁啾弱光栅阵列的动态传感测量。
2.根据权利要求1所述的光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置，其特征在于，该单模光纤通过自动快速切换均匀相位掩膜板和啁啾相位掩膜板刻写窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列，窄带弱光栅与宽带啁啾弱光栅轮流切换，相距间隔为L。
3.根据权利要求1所述的光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置，其特征在于，窄带弱光栅阵列和宽带啁啾弱光栅阵列的反射谱不重叠，并且光栅相隔5nm以上，光栅的反射率为0.01～0.1％，宽带啁啾光栅的间隔为2L，光栅间距误差少于1cm。
4.根据权利要求1所述的光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置，其特征在于，宽带光源波长为λ1，带宽为5nm左右；窄带DFB激光源波长为λ2，其3dB带宽为1kHz左右；λ1与λ2相差5nm以上。
5.根据权利要求1所述的光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤。
6.一种基于权利要求1的光纤分布式动静态参量同时传感测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将宽带光源和窄带DFB激光器的激光经波分复用器，并经过扰偏器后接入电光/声光调制器，经调制器驱动模块调制成周期性高消光比的脉冲信号；脉冲信号经掺铒光纤放大器EDFA后进入传感光纤；
(2)不同波长的脉冲光经过传感光纤后，被反射后经过第一环形器后被分别解调，第一波长的光在第二环形器的第二端口接入高反射率的啁啾光栅，第一波长的脉冲光与该啁啾光栅的带宽不重合，第一波长的脉冲光被该啁啾光栅透射，第二波长的脉冲光全部被反射；传感光纤中第一个窄带光栅为参考光栅；
(3)第一波长的脉冲光透射后经过色散补偿光纤后被第一光电探测器接收；第二波长的脉冲光经过第三环形器后，进入耦合器，该耦合器与两个法拉第旋镜组成一个干涉仪，干涉信号分别通过耦合器的三个端口进入第二、三、四光电探测器；
(4)对于窄带光栅阵列的波长解调，第i个窄带光栅距离参考光栅的长度为2(i-1)L,参考光栅与第i个窄带传感光纤通过测量色散补偿补偿的时间差为Δti＝2(i-1)Lneff/c+DLDCF(λi-λr),当传感光栅中心波长λi发生变化时，其Δti将发生变化，Δλi＝Δti/(DLDCF)，通过测量传感光纤到参考光纤的时间差Δti，得到传感光纤的波长变化；其中，LDCF为色散补偿光纤的长度，neff为光纤的折射率,c为光速，D为色散补偿光纤的色散系数参量；
(5)对于宽带啁啾光栅阵列的波长解调，其相邻宽带啁啾光栅间距为2L，调节压电陶瓷，使两个法拉第旋镜的臂长差等于2L，形成迈克尔逊干涉仪，产生干涉信号，通过数据采集与信号处理模块采集信号并解调得到各啁啾光栅之间的干涉信号的相位，得到各位置点的动态信号，包括振动或者声波信号。
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