CN213842395U - 动静态联合测量分布式光纤传感*** - Google Patents

Abstract

一种动静态联合测量分布式光纤传感***，包括：激光器、分光器、光调制器、声光调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、相干接收器、信号采集和处理器，其中：分光器将激光器的一路输出端；另一路作为

的光源分为两路，一路形成

的探测脉冲与待测光纤相连，其瑞利散射光与BOTDA的泵浦光发生受激布里渊作用；另一路作为本地光与

探测脉冲的背向瑞利散射光进入相干接收器相连，相干接收器依次与信号采集和处理器相连。本实用新型测量方便，能实现动态应变和静态应变的同时测量，***复杂度降低，从而***成本降低。

Description

动静态联合测量分布式光纤传感***

技术领域

本实用新型涉及的是一种光纤领域的技术，具体是一种动静态联合测量分布式光纤传感***。

背景技术

对应变或温度的分布式传感在能源、建筑、航空航天、安防、军事等诸多领域中都有着重要的作用。目前，市面上存在的分布式光纤传感***只能实现对静态变量，如：形变、温度的单一测量或是对动态变量，如：入侵破坏、车辆经过产生的振动的单一测量，这造成了动静态变量同时测量的应用需求成本提高。随着光纤传感技术的发展，近年有相应的动静态联合测量***的提出，但其***复杂，器件需求多，成本高，无法实现动静态变量的同时测量。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种动静态联合测量分布式光纤传感***，具体是基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)和相位敏感的光时域反射技术

的动静态联合测量分布式光纤传感***，利用单端BOTDA技术测量静态变量，用

技术测量动态变量，用

的探测脉冲的背向瑞利散射光作为单端BOTDA的探测光，实现待测光纤的静态变量和动态变量同时测量。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种动静态联合测量分布式光纤传感***，包括：激光器、两个分光器、光调制模块、两个声光调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、相干接收器、信号采集处理模块，其中：第一分光器将激光器的一路输出端依次经光调制模块、第一光纤环形器、第一声光调制器、扰偏器、分光器和掺铒光纤放大器与待测光纤相连；另一路输出端分别经第二分光器分为两路，一路经过第二声光调制器形成

的探测脉冲经分光器和掺铒光纤放大器与待测光纤相连，另一路与第一光纤环形器输出端分别与相干接收器相连，相干接收器依次与信号采集处理模块相连。

所述的掺铒光纤放大器和待测光纤之间设有第二光纤环形器。

所述的分光器为光纤耦合器，其分光比为50/50。

所述的光调制模块包括：射频信号发生器、光调制器、DFB激光器和偏振控制器，其中：射频信号发生器与光调制器相连，DFB激光器与偏振控制器相连，光调制器的一端与第一分光器相连，其另一端通过所述第一光纤环形器与偏振控制器连接。

所述的相干接收器为偏振分集光电探测器。

所述的信号采集处理模块包括：相互连接的数据采集卡和数据处理器。

技术效果

本实用新型整体解决了现有的分布式光纤传感中无法实现动静态应变同时测量的问题。

与现有技术相比，本实用新型实现对于动态应变和静态应变的振动及温度变化、静态应变同时测量，减少平均次数和测量所需的时间。

附图说明

图1为本实施例的结构简图；

图2为本实施例测得的布里渊增益谱；

图3为本实施例测得的瑞利探测光在光纤10km处测得的相位信号；

图4为实施例中测温段在温度分别为27℃、41℃、46℃下的布里渊增益谱；

图5为实施例光纤振动处解调得到的差分相位示意图；

图6为实施例振动点的快速傅里叶变换的频谱；

图中：主激光器1、第一50/50光纤耦合器2、光调制器3、射频信号发生器4、第一光纤环形器5、偏振控制器6、DFB激光器7、第一声光调制器8、扰偏器9、第二50/50光纤耦合器10、第二声光调制器11、第三50/50光纤耦合器12、掺铒光纤放大器13、第二光纤环形器14、待测光纤15、偏振分集光电探测器16、数据采集卡17、数据处理器18、第一端口～第三端口a～c。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：主激光器1、第一50/50光纤耦合器2、光调制器3、射频信号发生器4、第一光纤环形器5、偏振控制器6、DFB激光器7、第一声光调制器8、扰偏器9、第二50/50光纤耦合器10、第二声光调制器11、第三50/50光纤耦合器12、掺铒光纤放大器13、第二光纤环形器14、偏振分集光电探测器16、数据采集卡17和数据处理器18，其中：主激光器1依次与第一50/50光纤耦合器2、光调制器3、第一光纤环形器5、第一声光调控器8、扰偏器9、第三50/50光纤耦合器12、掺铒光纤放大器13、第二光纤环形器14 和待测光纤15相连，射频信号发生器4与光调制器3连接，DFB激光器7和偏振控制器6依次连接并与第一光纤环形器5的第二端口b相连，第一50/50光纤耦合器2的第三端口c依次与第二50/50光纤耦合器10、第二声光调制器11、第三50/50光纤耦合器12的第二端口b 相连，第二50/50光纤耦合器10的第三端口c和第二光纤环形器14的第三端口c之间连有偏振分集光电探测器16，偏振分集光电探测器16依次连有数据采集卡17和数据处理器18。

本实施例的工作过程为：主激光器1产生波长为1549.38nm、功率恒定为22.2mw的激光传输至第一50/50光纤耦合器2分成两路，一路作为BOTDA的泵浦光，另一路作为

的光源。BOTDA的泵浦光进入光调制器3，调制器通过直流调制，工作在载波抑制状态，调制器扫频范围为200MHz，步长为1MHz，调制后的光经DFB激光器7注入锁定之后被调制成稳定的线性扫频光，DFB激光器的工作波长为1549.30nm，工作电流为50mA,线性扫频光进入第一声光调制器8形成脉宽为50ns的脉冲光，第一声光调制器8的移频为200MHz，再经过扰偏器9与第三50/50光纤耦合器12进入掺铒光纤放大器13进行功率放大，掺铒光纤放大器的示数设为9.8mW，光经第二光纤环形器14进入待测光纤15与

的探测脉冲的背向瑞利散射光发生受激布里渊作用。

的光源经过第二50/50光纤耦合器10被分成两路，一路经过第二声光调制器11形成

的探测脉冲，脉冲脉宽为100ns，第二声光调制器的移频为80MHz，经第三50/50光纤耦合器12进入掺铒光纤放大器13进行功率放大经第二光纤环形器14进入待测光纤15，待测光纤15的长度为9.3km，其背向瑞利散射光作为探测光与BOTDA的泵浦光发生受激布里渊作用，另一路作为本地光，本地光与经过第二光纤环形器14的

探测脉冲的背向瑞利散射光进入偏振分集光电探测器16发生干涉，光电探测器的探测带宽为DC-400MHz，干涉信号被光电转换为电流信号I(t)；最后由数据采集卡17和数据处理器18对电流信号采集并作数据处理。数据采集卡17的采样率设为250MSa/s。

如图2所示，所述的布里渊的增益因子随泵浦频率变化的关系为：

其中：g₀为峰值增益因子，该值与光纤类型有关，对普通单模光纤，g₀＝5.0×10^-11m/W；Γ_B为布里渊增益带宽，普通单模光纤中一般为几十MHz；Ω为泵浦光和探测光的频率差；Ω_B为光纤的布里渊频移；当Ω＝Ω_B时，探测光幅度达到最大值。

所述的分布式光纤传感中，待测光纤15位置由探测光到达偏振分集光电探测器16的时间所决定，具体关系为：L＝c'·2t，其中：L为待测光纤15的位置，c’为待测光纤15中的光速，t为待测光纤15中相应位置的探测光到达偏振分集光电探测器16的时间。

根据这一特性，可以得到待测光纤15中不同位置的布里渊频移。布里渊频移随待测光纤15应变或温度成正比的线性关系。恒温条件下，当波长为1550nm的入射光入射普通单模石英光纤时，应变每改变20με，对应的布里渊频移约为1MHz。处于松弛状态的普通单模光纤，在室温条件下，入射光每升高1℃对应布里渊频移约1MHz。

所述的本地光与探测光拍频之后的结果为：P∝E_LE_P|a(z)|sin(Δωt+φ(z))，其中：E_L为本地光的振幅，E_P为探测光的振幅，Δω表示探测光和本地光的频率差，假设本地光的初始相位为零，则φ(z)表示探测光的相位。采用希尔伯特变换算法从拍频信号中提取出振幅和相位信息，两个正交分量为：I＝<Pcos(Δωt)>∝E_LE_P|a(z)|sinφ(z)和 Q＝<Psin(Δωt)>∝E_LE_P|a(z)|cosφ(z)；则探测光的幅度和相位信息分别为：

和φ(z)＝arctan(I/Q)；而待测光纤15应变引起的探测光的相移为：

其中：n为待测光纤15的折射率，ε为待测光纤15 的应变，p₁₂和p₁₁为弹光系数，v为杨氏模量常数，L为待测光纤15应变段的长度。

由于相移与应变呈线性关系，因此可以对空间和时间上的探测光相位进行差分，得到待测光纤15的动态应变信息。

本实施例通过在每一个分布式测量周期输入一个脉冲对，测量周期的长度应大于等于光在整段传感光纤上传播一个来回的时间，本实施例中传感光纤长度为9.3km，则传感周期设为 100μs。脉冲对由

的探测探测脉冲1和BOTDA的泵浦泵浦更准确地组成，探测脉冲1 先于泵浦更准确地输入传感光纤，本实施例中探测脉冲1脉宽为100ns，泵浦更准确地脉宽为 50ns，两个脉冲之间的间隔为100ns。探测脉冲1产生的瑞利散射光被紧随其后的泵浦更准确地进行布里渊放大，其增益受二者频率差和光纤的布里渊频移决定。探测脉冲1产生的瑞利散射光相干接收，本实施例中相干接收到的信号中心频率为80MHz，在数据处理前对接收到信号进行滤波，滤波器带宽为70MHz-90MHz。再通过希尔伯特变换提取信号的强度和相位，对光纤上每一点的强度进行归一化并进行260次平均，即可得到光纤上每一点的信号增益随泵浦光频率变化的增益变化，对增益谱进行洛伦兹拟合，可以更准确的提取布里渊频移。通过对相位进行时间和空间上的差分，空间差分距离为10m，时间差分即将每一个传感周期得到的信号的相位与第一次的相减。最终可以解调出振动信息。

基于上述设置，本实施例对长9260m的待测光纤进行测试实验，待测光纤的前9175m 置于室温中，不额外附加应变，之后5m缠绕在压电陶瓷上，压电陶瓷用于给缠绕其上的光纤施加振动，最后的80m光纤置于恒温水浴锅中，水浴锅可以改变置于其中的光纤的温度。给压电陶瓷加上电信号，使其发生3000赫兹的正弦振动，同时设置水浴锅的温度，分别为27.2℃、 41.2℃、47.7℃。对这3种不同的情况进行分别测量。

实验结果为：对于温度测量的结果如图2至图4所示，在光纤末端前后同时设置5m的振动点和100m的温度变化段，对于静态测量，图2所示，本***能实现空间分辨率5m、测量距离9.3Km，图3为传感光纤最后500m的布里渊增益谱，温度变化段的温度设置为41℃，其余光纤置于室温27℃，图4为测温段在温度分别为27℃、41℃、46℃下的布里渊增益谱。对于静态变量，测量精度20微应变/1℃，测量范围4毫应变/200℃；测量得到的温度系数为1.0843MHz/℃，符合实际情况。测量精度为1.0122MHz，传统BOTDA***测量精度为约为1MHz，可见本***的静态测量的子***的测量结果相较于传统单独对静态变量测量的***没有指标上的劣化。

振动的测量结果如图5和图6所示。图5为了振动点处的差分相位，振动点的振动为3 千赫兹的正弦振动，差分相位很好的还原了振动的正弦形状，图6为振动点的快速傅里叶变换的频谱，很好的还原了3千赫兹的信息。对于动态测量，本实施例能实现空间分辨率10m，测量带宽5千赫兹的指标。可以看到，3000赫兹的振动频率信息也被很好的提取出来，且与噪底相比其信噪比为22.1dB。达到了传统对振动单独测量的独立***的效果。

综上，本实用新型利用前一个脉冲的瑞利散射光同时作为

的探测光和BOTDA 的探测光，从而同时实现静态和动态变量的测量，且***简单。静态变量的测量相较于BOTDR 的方案，本实施例的平均次数可降至BOTDR的十分之一甚至更高。意味着测量时间的大大缩减。测量指标在传感距离为9260m的情况下与单独的BOTDA和单独的

***相比没有明显劣化。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。

Claims (5)

1.一种动静态联合测量分布式光纤传感***，其特征在于，包括：激光器、三个分光器、光调制模块、两个声光调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、相干接收器、信号采集处理模块，其中：第一分光器将激光器的一路输出端依次经光调制模块、第一光纤环形器、第一声光调制器、扰偏器、第三分光器和掺铒光纤放大器与待测光纤相连；另一路输出端分别经第二分光器分为两路，一路经过第二声光调制器形成

的探测脉冲经第三分光器和掺铒光纤放大器与待测光纤相连，另一路与第二光纤环形器输出端分别与相干接收器相连，相干接收器与信号采集处理模块相连；

所述的掺铒光纤放大器和待测光纤之间设有所述第二光纤环形器。

2.根据权利要求1所述的动静态联合测量分布式光纤传感***，其特征是，所述的分光器为光纤耦合器，其分光比为50/50。

3.根据权利要求1所述的动静态联合测量分布式光纤传感***，其特征是，所述的光调制模块包括：射频信号发生器、光调制器、DFB激光器和偏振控制器，其中：射频信号发生器与光调制器相连，DFB激光器与偏振控制器相连，光调制器的一端与第一分光器相连，其另一端通过所述第一光纤环形器与偏振控制器连接。

4.根据权利要求1所述的动静态联合测量分布式光纤传感***，其特征是，所述的相干接收器为偏振分集光电探测器。

5.根据权利要求1所述的动静态联合测量分布式光纤传感***，其特征是，所述的信号采集处理模块包括：相互连接的数据采集卡和数据处理器。

Images