CN206563612U - 基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，包括光源第一光纤耦合器、脉冲调制器、光放大器、移频器、光纤环行器、单模光纤、熔接部、细径多模光纤、第二光纤耦合器、双平衡探测器、信息采集与处理单元，使用光放大器放大后经环形器注入到细径多模光纤中，细径多模光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号，随后进行数据信号的采集和处理。本实用新型的径多模光纤可大大提高传感信号强度，极大提升声波传感灵敏度。基于此细径多模光纤的分布式声波传感***，可实现超长距离传感光纤沿线范围内声波信号的实时高灵敏度监测并定位。
Description
技术领域
本实用新型涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置。
背景技术
声波传感器的作用相当于一个话筒(麦克风)。常用的电学类声波传感器有：炭精粉电阻式音频传感器、动圈电磁式音频传感器、金属带电磁式音频传感器、薄膜电容式音频传感器、驻极体电容式音频传感器、压电陶瓷式音频传感器等。光纤类声音传感器主要有光纤光栅声波传感器(ZL 201310397250.9)、光纤激光器水听器(ZL 200910242754.7)、光纤干涉仪声波传感器(ZL 201010023111.6，201310077523.1)，光纤类声波传感器与电学类相比，具有抗电磁干扰(EMI)、抗射频干扰(RFI)、频带宽、耐腐蚀、保密性强、可靠性高、体积小等特点，因而被广泛应用在强电磁场、高射频干扰环境下声波的测量，以及医学、军事、易燃易爆等特殊领域。
为了实现多位置处声波监测，需要构建大规模声波传感阵列及网络，但所有这些电学类和光纤类点式声波传感器均存在大规模组网困难、结构复杂、传感头一致性差等问题。全分布式光纤传感技术可准确测出光纤沿线上任一点被测量场(如变形、振动、冲击等)在时间和空间上的信息分布，而目前灵敏度最高的分布式光纤传感***是基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感***振动应变响应灵敏度达到100nε量级，能够实现远程和实时监测光纤线路范围内的振动信号。基于的声波传感方面(ZL201310384147.0)，由于声波对光纤的振动作用极为微弱，分布式光纤振动传感***的灵敏度仍远远不够，从而极易造成声波信号识别方面出现误报和漏报。
实用新型内容
为了克服在先基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术用于声波传感的缺点，实现声波传感灵敏度和准确度的提升，本实用新型提供基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置。
本实用新型的原理如下。
首先，从传感光纤纤芯尺寸的角度分析：光脉冲注入到传感光纤中，光纤位置z处的后向瑞利散射光功率Prs可表达为：
其中P0入射脉冲光的峰值功率，a光纤传输损耗，aR代表瑞利散射系数，与光纤材料和入射光波长有关，T为光脉冲脉宽，Vg为光脉冲群速度，S代表光纤的捕获系数，可表达为：
其中ω代表入射光束的光斑大小，r代表光纤芯径大小，V为归一化频率，NA为数值孔(NA＝(n1 2-n2 2)1/2)，n1和n2分表代表芯层和包层的折射率。aRS称为后向瑞利散射系数，在标准单模光纤中后向瑞利散射率大约为-40dB。
由上面的公式中可以看出，携带声波振动信息的后向瑞利散射光功率与光纤芯径尺寸的平方成正比，单模光纤的纤芯直径规格为8～10μm，而多模光纤的纤芯尺寸则可以达到50μm、62.5μm甚至105μm，因此多模光纤中的后向瑞利散射光将比单模光纤中高出一个数量级以上，可极大提高微弱后向瑞利散射光功率，进而大大提高传感***的信噪比实现微弱振动的响应。
其次，从传感光纤整体尺寸的角度分析：当声波面平行于光纤轴向对光纤施加扰动，光纤的形变量和光纤的轴向刚度系数成反比。光纤的轴向刚度系数κ可表达为：
其中A是光纤截面的横断面积，E是光纤的杨氏模量，L是受扰动光纤的长度，D是光纤的直径。由上式可知，光纤的轴向刚度系数κ与光纤直径D的平方成正比，当光纤直径减小，光纤刚度系数将显著减小，最终在相同的扰动情况下，细径光纤可以得到一个相对大的形变。而后向瑞利散射光幅度和相位的改变量与光纤形变量直接相关，声波引起的光纤形变越大，后向瑞利散射光幅度和相位改变量就越大，***的信噪比就越高，对声波的还原就越准确。
因此，综合以上两点分析，采用纤芯较大的多模光纤增强后向瑞利散射光信号，采用整体直径较小的细径光纤提高光纤形变致光相位改变量，采用细径多模光纤，用于分布式光纤声波传感，可实现提高分布式声波传感灵敏度。
本实用新型至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，包括光源第一光纤耦合器、脉冲调制器、光放大器、移频器、光纤环行器、单模光纤、熔接部、细径多模光纤、第二光纤耦合器、双平衡探测器、信息采集与处理单元；光源的尾纤输出和第一光纤耦合器的输入端相连，第一光纤耦合器的第一输出端与脉冲调制器的输入端口相连，脉冲调制器的输出端口与光放大器的输入端口相连，光放大器的输出端口与光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口与单模光纤一端相连，单模光纤的另一端与细径多模光纤经过熔接部导通连接，实现光路的低损耗高连接强度导通；第一光纤耦合器的第二输出端与移频器的输入端口相连，移频器的输出端口与第二耦合器的第二输入端相连，光纤环行器的第三端口与第二光纤耦合器的第一输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端和第二输出端端口与双平衡探测器相连，双平衡探测器实现光电转换后与信息采集与处理单元相连。
进一步地，光源采用窄线宽单频激光源，产生强度相位噪声低的单频连续光，脉冲调制器用于将所述连续光调制成编码脉冲光；脉冲光经过光放大器放大后作为探测光脉冲；产生的探测脉冲光有效的降低了光源相位噪声引入的噪声，降低***噪声，提升***探测极限。光源的线宽<10kHz。
进一步地，光源采用的1550nm波段窄线宽单频光纤激光器。
进一步地，单模光纤的纤芯直径规格为8～10μm；使用细径多模光纤作为传感光纤，为了实现将探测光脉冲有效注入到细径多模光纤中，需要采用合适熔接技术实现熔接部，使单模光纤与细径多模光纤的低损耗高强度熔接。细径多模光纤的设计原则是：在保证光纤传输损耗较小情况下，尽可能增大纤芯尺寸和减小光纤整体直径，纤芯尺寸为20～105μm，涂覆外层在保证光纤强度情况下尽可能薄。
进一步地，细径多模光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频的本振光经过50：50的第二光纤耦合器进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号；此信号送入信号采集与处理单元进行实时在线处理，最终得到分布式声波振动信息。
进一步地，移频器，用于将本地相干光频频率移动50MHz量级，以便实现外差相干探测，可以选用1550nm波段的声光移频器。
进一步地，双平衡探测器探测携带有声波传感信息的瑞利散射光信号并转化为电信号，响应波段覆盖种子光源的波长范围，探测器本底噪声尽可能小；信息采集与处理单元，采用并行处理架构对信号进行采集和处理，以实现超长传感距离实时声波监测。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：
(1)结构简单，容易实现。利用细径多模光纤作为声波传感单元，其中光纤的细径部分可实现提高声致光纤形变和光相位改变量，光纤的多模功能部分可实现增强后向瑞利散射光功率，集成此两大功能的细径多模光纤可大大提高传感信号强度，极大提升声波传感灵敏度。
(2)实现远距离分布式实时声音的监测及定位。基于高灵敏度的细径多模传感光纤和相干接收解调方法，可实现超长距离传感光纤沿线范围内声波信号(包括各种声音及微弱振动信号)的实时侦听并定位。
附图说明
图1实例中基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置结构示意图。
图中：1—光源、2—第一光纤耦合器、3—脉冲调制器、4—光放大器、5—移频器、6—光纤环行器、7—单模光纤、8—熔接部、9—细径多模光纤、10—第二光纤耦合器、11—双平衡探测器、12—信息采集与处理单元。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，需指出的是，以下若有未特别注明的参数或部件，均是本领域技术人员可以采用现有常规技术实现的。
如图1，本实例基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置示意图，***采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到细径多模光纤中，细径多模光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号，随后进行数据的采集和处理。具体结构连接为：光源1的尾纤输出和第一光纤耦合器2的输入端2-1相连，第一光纤耦合器2的第一输出端2-2与脉冲调制器3的输入端口相连，脉冲调制器3的输出端口与光放大器4的输入端口相连，光放大器4的输出端口与光纤环行器6的第一端口6-1相连，光纤环行器6的第二端口6-2与单模光纤7一端相连，单模光纤7的另一端与细径多模光纤9经过熔接部8导通连接，实现光路的低损耗高连接强度导通；第一光纤耦合器2的第二输出端2-3与移频器5的输入端口相连，移频器5的输出端口与第二耦合器10的第二输入端10-2相连，光纤环行器6的第三端口6-3与第二光纤耦合器10的第一输入端10-1相连，第二光纤耦合器10的第一输出端10-3和第二输出端10-4端口与双平衡探测器11相连，双平衡探测器11实现光电转换后与信息采集与处理单元12相连。
本实例包括三大模块：脉冲光发射模块、传感光纤模块、相干接收与解调模块。
脉冲光发射模块中：一个窄线宽单频激光器1产生强度相位噪声低的单频连续光，使用脉冲调制器3用于将所述连续光调制成编码脉冲光；脉冲光经过光放大器4放大后作为探测光脉冲。该模块产生的探测脉冲光有效的降低了光源相位噪声引入的噪声，降低***噪声，提升***探测极限。
传感光纤模块中：传感光纤作为光传输和传感单元，其为细径多模光纤9，为了实现将探测光脉冲有效注入到细径多模光纤9中，需要采用合适的熔接，实现单模光纤7与细径多模光纤9的尽量低损耗高强度的熔接。细径多模光纤9的设计原则是：在保证光纤传输损耗较小情况下，尽可能增大纤芯尺寸和减小光纤整体直径，纤芯尺寸可以为20～105μm，涂覆外层在保证光纤强度情况下尽可能薄。
相干接收与解调模块：返回的瑞利散射光与移频后的本地光经过一个50：50的第二耦合器10拍频后，经由双平衡探测器11实现光电转换，此相关接收得到的信号送入信号采集与处理单元12进行实时在线处理，最终得到分布式声波振动信息。
仅作为实例，各器件的说明如下：
光源1，是种子光源，要求其功率稳定，线宽<10kHz，可采用的1550nm波段窄线宽单频光纤激光器，其线宽<2kHz，激光功率可达到100mW以上(详见实用新型专利200810220661.X，201110280866.9，201110241520.8)；也可以采用其他类型的商用窄线宽激光器，但要求满足线宽<10kHz；
第一光纤耦合器2，用于分配种子激光源能量，普通单模光纤1550nm波段，1×2三端口，分光比需要根据实际实施时的光功率设定；
脉冲调制器3，用于实现将连续光调制为脉冲光，可选用高速电光调制器或者声光调制器，实现调制光脉冲的脉宽<100ns(100ns对应10m空间分辨率)；
光放大器4，用于实现探测脉冲光能量放大，使得脉冲激光的峰值功率达到1W以上，可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建光纤放大器(EDFA)，或者采用商用的1550nm波段的半导体光放大器(SOA)；
移频器5，用于将本地相干光频率移动50MHz量级，以便实现外差相干探测，可以选用1550nm波段的声光移频器；
光纤环行器6，是一个三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用；
单模光纤7，是延迟尾纤，以便于连接传感光纤单元；
熔接部8，是单模光纤7与细径多模光纤9的连接点，用于实现低损耗高连接强度的熔接；
细径多模光纤9，分布式声波传感***的感知单元，光纤设计准则为：在保证光纤传输损耗较小情况下，尽可能增大纤芯尺寸和减小光纤整体直径，纤芯尺寸可以为20～105μm，涂覆外层在保证基本光纤强度的情况下尽可能薄；
第二光纤耦合器10，用于实现后向瑞利散射光与移频后的本地相干光进行光学外差相干拍频，第二光纤耦合器为2×2的光纤耦合器，中心波长为1550nm，分束比为50:50；
双平衡探测器11，探测携带有声波传感信息的瑞利散射光信号并转化为电信号，要求响应波段覆盖种子光源的波长范围，探测器本底噪声尽可能小；
信息采集与处理单元12，可以采用现有的信号处理***，用于的数据信号采集和处理，信号处理可采取高速并行处理架构，以实现超长传感距离实时声波监测。
如上即可实现本实用新型并取得所述技术效果，即采用整体直径较小的细径光纤提高光纤形变致光相位改变量，采用细径多模光纤，用于分布式光纤声波传感，可实现提高分布式声波传感灵敏度。
Claims (5)
1.基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，其特征在于包括光源（1）第一光纤耦合器（2）、脉冲调制器（3）、光放大器（4）、移频器（5）、光纤环行器（6）、单模光纤（7）、熔接部（8）、细径多模光纤（9）、第二光纤耦合器（10）、双平衡探测器（11）、信息采集与处理单元（12）；光源（1）的尾纤输出和第一光纤耦合器（2）的输入端（2-1）相连，第一光纤耦合器（2）的第一输出端（2-2）与脉冲调制器（3）的输入端口相连，脉冲调制器（3）的输出端口与光放大器（4）的输入端口相连，光放大器（4）的输出端口与光纤环行器（6）的第一端口（6-1）相连，光纤环行器（6）的第二端口（6-2）与单模光纤（7）一端相连，单模光纤（7）的另一端与细径多模光纤（9）经过熔接部（8）导通连接；第一光纤耦合器（2）的第二输出端（2-3）与移频器（5）的输入端口相连，移频器（5）的输出端口与第二耦合器（10）的第二输入端（10-2）相连，光纤环行器（6）的第三端口（6-3）与第二光纤耦合器（10）的第一输入端（10-1）相连，第二光纤耦合器（10）的第一输出端（10-3）和第二输出端（10-4）端口与双平衡探测器（11）相连，双平衡探测器（11）实现光电转换后与信息采集与处理单元（12）相连。
2.根据权利要求1所述的基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，其特征在于：光源（1）采用窄线宽单频激光源（1），脉冲调制器（3）用于将连续光调制成编码脉冲光；脉冲光经过光放大器（4）放大后作为探测光脉冲；光源（1）的线宽<10kHz。
3.根据权利要求2所述的基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，其特征在于：光源（1）采用的1550nm波段窄线宽单频光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，其特征在于：单模光纤的纤芯直径规格为8~10μm；使用细径多模光纤（9）作为传感光纤，纤芯尺寸为20~105μm。
5.根据权利要求1所述的基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置，其特征在于：移频器（5），用于将本地相干光频频率移动50MHz量级，选用1550nm波段的声光移频器。
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|---|---|---|---|---|
| CN112630746A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-04-09 | 北京遥感设备研究所 | 一种用于远距目标测量的脉冲多普勒激光雷达 |
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|---|---|---|---|---|
| CN112630746A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-04-09 | 北京遥感设备研究所 | 一种用于远距目标测量的脉冲多普勒激光雷达 |
| CN112630746B (zh) * | 2020-12-01 | 2023-09-15 | 北京遥感设备研究所 | 一种用于远距目标测量的脉冲多普勒激光雷达 |
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