專利名稱：一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種對應(yīng)變和振動進行全分布式監(jiān)測的光纖傳感方法及設(shè)備，尤其是一種結(jié)合布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)及偏振光時域反射(POTDR)技術(shù)，并采用相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于當光纖受到外界環(huán)境(如溫度，壓力，振動等)影響時，光纖中傳輸光的強度， 相位，頻率，偏振態(tài)等參量將會相應(yīng)的發(fā)生變化，通過測量傳輸光的這些參量便可以獲得相應(yīng)物理量，這種技術(shù)稱為光纖傳感技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的電量型傳感器，光纖傳感器具有靈敏度高，抗電磁干擾，體積小，價格便宜，可進行遠距離分布式測量的優(yōu)點，因此自2 O世紀7 O年代末以來，光纖傳感技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，出現(xiàn)了基于瑞利散射，布里淵散射，拉曼散射等的全分布式光纖傳感技術(shù)，其中布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)及偏振光時域反射(POTDR)技術(shù)是兩種較為常見的全分布式光纖傳感技術(shù)
1)光纖受應(yīng)變影響時，光波在其中產(chǎn)生的布里淵散射光的頻率會發(fā)生偏移，稱為布里淵頻移。頻移量的大小與光纖所受應(yīng)變的大小成正比。布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)是通過向光纖中注入脈沖光，并測量脈沖光在光纖中傳播過程中連續(xù)產(chǎn)生的布里淵散射光的布里淵頻移，進而可確定出光纖沿線各個位置的應(yīng)變信息。BOTDR技術(shù)是目前為止最主要的一種可準確測量光纖中應(yīng)變大小的全分布式光纖傳感技術(shù)。但BOTDR技術(shù)對振動事件的測量能力較弱。因為盡管理論上光纖在受到外界影響產(chǎn)生振動時會同時產(chǎn)生應(yīng)變。但是，一方面由于微小振動引起的微弱應(yīng)變對布里淵頻移產(chǎn)生的影響較小，另一方面BOTDR技術(shù)對應(yīng)變的測量速度較慢，通常需要十幾秒以上。因此，BOTDR技術(shù)難以用于測量振動。2)偏振光時域反射(POTDR)技術(shù)同樣是向光纖中注入脈沖光。但它通過測量脈沖光在光纖沿線返回的散射光的偏振態(tài)的變化來確定光纖沿線各個位置的外部事件，從而進行全分布式測量。由于光纖中光波偏振態(tài)的變化對外部事件的響應(yīng)非常靈敏，因此可以用來測量微弱的外部事件。同時由于POTDR技術(shù)通過光強信號來判斷散射光偏振態(tài)的變化， 響應(yīng)時間短，故可以用來測量較大頻率范圍的振動。通?？蓽y量IOKHz以內(nèi)的振動。但由于光纖受到的應(yīng)變與偏振態(tài)的變化并非一一對應(yīng)的關(guān)系，而且POTDR技術(shù)多采用與前次測量比較的方法判斷光纖的狀態(tài)，因此POTDR技術(shù)難以對準靜態(tài)的應(yīng)變及較大的應(yīng)變進行檢測。對散射光偏振態(tài)變化的探測可利用檢偏器加光電探測器直接探測的方法，也可利用偏振態(tài)固定的參考光與散射光相干的方法進行檢測。前者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，后者對信號探測的靈敏度和信噪比更高。若將BOTDR系統(tǒng)和POTDR系統(tǒng)結(jié)合在一起，則可實現(xiàn)在同一根傳感光纖上對應(yīng)變和振動的監(jiān)測，整體成本比兩個系統(tǒng)的單獨疊加小很多。另外，相比于單一的BOTDR系統(tǒng)和 POTDR系統(tǒng)，在判斷外部事件時，系統(tǒng)錯報、漏報的機會會更小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種既可以測量應(yīng)變又可以測量快速振動變化的全分布式光纖傳感方法及傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感方法及傳感器。傳感器在構(gòu)成上包括激光器(1)，保偏耦合器(2)，脈沖調(diào)制模塊(3)， 擾偏器(4)，光放大器(5)，環(huán)形器(6)，傳感光纖(7)，保偏光纖(8)，耦合器(9)，平衡光電探測器(10)，倒換開關(guān)(11)，混頻器(12)，微波源(13)，帶通濾波器(14)，信號處理單元 (15)。激光器(1)的輸出的連續(xù)光經(jīng)保偏耦合器(2)后分為兩路其中的第一路作為參考光，經(jīng)保偏光纖(8)或直接輸入到耦合器(9)的第一輸入端；
第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3)、擾偏器(4)與光放大器(5)后作為探測脈沖光經(jīng)環(huán)形器 (6 )注入傳感光纖(7 )。傳感光纖中的瑞利散射光和布里淵散射光經(jīng)環(huán)形器(6 )返回后進入耦合器(9)的第二輸入端。散射光與參考光在耦合器(9)中形成的混合信號經(jīng)耦合器(9) 的兩個輸出端輸入到平衡光電探測器(10)中被轉(zhuǎn)換為電信號。平衡光電探測器(10)的輸出端與倒換開關(guān)(11)相連，倒換開關(guān)(11)可分別切換到其后的通道1和通道2。通道1與混頻器(12)的第一輸入端相連，微波源(13)與混頻器 (12)的第二輸入端相連，混頻器(12)的輸出端連接到帶通濾波器(14)的輸入端，帶通濾波器(14)的輸出端連接到信號處理單元(15)；通道2直接與信號處理單元(15)相連。當擾偏器(4)打開，倒換開關(guān)(11)接通道1時，系統(tǒng)利用布里淵光時域反射 (BOTDR)技術(shù)進行測量；當擾偏器(4)關(guān)閉，倒換開關(guān)(11)接通道2時，系統(tǒng)利用偏振光時域反射(POTDR)技術(shù)進行測量。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的特征在于將激光器(1)的輸出光分成兩路的器件為保偏耦合器(2)。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的特征在于選用的激光器(1)的線寬不超過IOMHz，其優(yōu)選工作波段為SOOnm到1700nm范圍內(nèi)的光纖通信波段。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的特征在于經(jīng)保偏耦合器(2)后輸出的第一路直接與耦合器(9)連接或利用保偏光纖(8)與耦合器(9)連接。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的特征在于激光器(1)的光源經(jīng)保偏耦合器(2)后輸出的第二路中連接有擾偏器(4)。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的特征在于平衡光電探測器(10)與信號處理單元(15)之間使用倒換開關(guān)(11)分為兩個通道。 倒換開關(guān)(11)后的兩個通道中，一個通道與混頻器(12)、帶通濾波器(14)相連后與信號處理單元(15)相連；另一個通道直接與信號處理單元(15)相連。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的檢測方法的特征在于當擾偏器(4)打開，倒換開關(guān)(11)接通道1時，從傳感光纖(7)中經(jīng)環(huán)形器(6)返回的散射光的偏振態(tài)是隨機的，系統(tǒng)將返回的布里淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取布里淵散射光的頻移量信息，以此確定外部事件，此時整個系統(tǒng)構(gòu)成為布里淵光時域反射(BOTDR)系統(tǒng)；
按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的檢測方法的特征在于當擾偏器(4)關(guān)閉，倒換開關(guān)(11)接通道2時，系統(tǒng)將返回的瑞利散射光和布里淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取散射光偏振態(tài)的變化信息，以此確定外部事件信息，此時整個系統(tǒng)構(gòu)成為偏振光時域反射(POTDR)系統(tǒng)。使參考光與光纖中的散射光通過耦合器(9)進行相干，利用平衡光電探測器(10)進行相干外差檢測。當擾偏器(4)打開，倒換開關(guān)(11)接通道1時，系統(tǒng)利用布里淵光時域反射 (BOTDR)技術(shù)進行測量；當擾偏器(4)關(guān)閉，倒換開關(guān)(11)接通道2時，系統(tǒng)利用偏振光時域反射(POTDR)技術(shù)進行測量。按照本發(fā)明所提供的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的檢測方法的特征在于使參考光與光纖中的散射光通過耦合器(9)進行相干，利用平衡光電探測器(10)進行相干外差檢測。有益效果由于本發(fā)明結(jié)合了 BOTDR技術(shù)和POTDR技術(shù)，故本發(fā)明傳感方法與傳感器既可以測量應(yīng)變事件，又可以測量振動事件，大大提高了全分布式光纖傳感器的測量功能和應(yīng)用范圍，同時可大幅降低系統(tǒng)的漏報率。由于利用了 BOTDR技術(shù)中的參考光路對散射光信號的偏振態(tài)變化進行光相干外差檢測，對振動事件測量的信噪比要比直接用檢偏器加光電探測器的方法要大幅提高。同時整體成本比兩個系統(tǒng)的單獨疊加小很多。


圖1為本發(fā)明提供的一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式一種基于相干檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1，其對應(yīng)變及振動傳感的具體實施步驟如下
1)激光器(1)的輸出的連續(xù)光經(jīng)保偏耦合器(2)后分為兩路
2)其中的第一路作為參考光，經(jīng)保偏光纖(8)輸入到耦合器(9)的第一輸入端
3 )第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3 )調(diào)制成脈沖光并通過光放大器(5 )放大后作為探測脈沖光經(jīng)環(huán)形器(6 )注入傳感光纖(7 )。傳感光纖中的瑞利散射光和布里淵散射光經(jīng)環(huán)形器(6 ) 返回后進入耦合器(9)的第二輸入端。4)散射光與參考光在耦合器(9)中形成的混合信號經(jīng)耦合器(9)的兩個輸出端輸入到平衡光電探測器(10)中被轉(zhuǎn)換為電信號。5)測量振動時，關(guān)閉擾偏器(4)，將倒換開關(guān)(11)倒換到通道2。此時由平衡光電探測器(10)輸出的電信號與傳感光纖沿線的偏振態(tài)情況相關(guān)。通過信號處理單元(15)對電信號的處理，便可得到光纖沿線的偏振態(tài)變化情況，實現(xiàn)對光纖沿線微弱擾動及振動的全分布式傳感。6)測量應(yīng)變時，打開擾偏器(4)，將倒換開關(guān)(11)倒換到通道1。此時返回的瑞利散射光和布里淵散射光的偏振態(tài)隨機變化。但布里淵散射光的頻移與光纖沿線的應(yīng)變情況相關(guān)。由平衡光電探測器(10)輸出的電信號經(jīng)混頻器(12)的混頻后，再由帶通濾波器(13)濾波，選擇出與光纖沿線應(yīng)變情況有關(guān)的布里淵電信號。再經(jīng)過信號處理單元(15)對電信號的處理，便可得到光纖沿線的應(yīng)變情況，實現(xiàn)對光纖沿線應(yīng)變情況的全分布式傳感。
作為一個具體實施的例子，設(shè)激光器的工作波長;I為1550nm，線寬為2MHz。它發(fā)出的激光通過保偏耦合器(2)分成了兩路，其中一路經(jīng)過聲光調(diào)制器、擾偏器和摻鉺光纖放大器后，作為探測脈沖光進入到了傳感光纖。傳感光纖使用的是普通的通信光纖，其折射率 = 1.46，光纖中的聲速4 = 5945m/s。脈沖光在傳感光纖光纖中會產(chǎn)生瑞利散射光和布里淵散射光，其中瑞利散射光的頻率與激光器的頻率一致，布里淵散射光的頻率會產(chǎn)生偏移，其布里淵頻移為vB=2 va/^l = n.2GIIz。傳感光纖受到應(yīng)變影響時，會使布里淵散射光的
布里淵頻移發(fā)生改變，受到振動影響時，會使瑞利散射光和布里淵散射光的偏振態(tài)發(fā)生變化。 布里淵散射光和瑞利散射光沿光纖返回后，與保偏耦合器(2)中的另一路光信號一起進入耦合器(9)。它們的混合信號經(jīng)響應(yīng)頻率能夠覆蓋到11. 2GHz左右的平衡光電探測器(10)檢測后轉(zhuǎn)換為電信號。當打開擾偏器(4)，并將倒換開關(guān)(11)切換到通道1時，高頻布里淵頻移信號會通過混頻器(12)轉(zhuǎn)換到200MHz以下，再通過帶通濾波器(14)濾波后進入到信號處理單元(15)，最后可得到布里淵頻移的大小，進而實現(xiàn)對應(yīng)變的全分布式傳感，此時利用的是 BOTDR的方法。當關(guān)閉擾偏器(4)，將倒換開關(guān)(11)切換到通道2時，信號處理單元得到的是隨光纖中偏振態(tài)變化而變化的信號，由于光纖的偏振態(tài)對振動非常敏感，因此可實現(xiàn)對光纖中振動的全分布式測量，此時利用的是POTDR的方法。
權(quán)利要求
1.一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器，其特征是包括激光器(1)，耦合器(2)，脈沖調(diào)制模塊(3)，擾偏器(4)，光放大器(5)，環(huán)形器(6)，傳感光纖 (7)，保偏光纖(8)，耦合器(9)，平衡光電探測器(10)，倒換開關(guān)(11)，混頻器(12)，微波源(13)，帶通濾波器(14)，信號處理單元(15)；激光器(1)的輸出的連續(xù)光經(jīng)耦合器(2)后分為兩路其中的第一路作為參考光，經(jīng)保偏光纖(8)或直接輸入到耦合器(9)的第一輸入端；第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3)、擾偏器(4)與光放大器(5)后作為探測脈沖光經(jīng)環(huán)形器 (6)注入傳感光纖(7)；傳感光纖中的瑞利散射光和布里淵散射光經(jīng)環(huán)形器(6)返回后進入耦合器(9)的第二輸入端；散射光與參考光在耦合器(9)中形成的混合信號經(jīng)耦合器(9)的兩個輸出端輸入到平衡光電探測器(10)中被轉(zhuǎn)換為電信號；平衡光電探測器(10)的輸出端與倒換開關(guān)(11)相連，倒換開關(guān)(11)可分別切換到其后的通道1和通道2 通道1與混頻器(12)的第一輸入端相連，微波源(13)與混頻器(12) 的第二輸入端相連，混頻器(12)的輸出端連接到帶通濾波器(14)的輸入端，帶通濾波器(14)的輸出端連接到信號處理單元(15);通道2直接與信號處理單元(15)相連；當擾偏器 (4)打開，倒換開關(guān)(11)接通道1時，系統(tǒng)利用布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)進行測量； 當擾偏器(4)關(guān)閉，倒換開關(guān)(11)接通道2時，系統(tǒng)利用偏振光時域反射(POTDR)技術(shù)進行測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器， 其特征在于將激光器(1)的輸出光分成兩路的耦合器為保偏耦合器(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器， 其特征在于經(jīng)保偏耦合器(2)后輸出的第一路直接與耦合器(9)連接或利用保偏光纖(8) 與耦合器(9)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器， 其特征在于選用的激光器(1)的線寬不超過IOMHz，其優(yōu)選工作波段為SOOnm到1700nm范圍內(nèi)的光纖通信波段。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器， 其特征在于經(jīng)保偏耦合器(2)后輸出的第二路中連接有擾偏器(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器，其特征在于平衡光電探測器(10)與信號處理單元(15)的A/D采樣模塊之間使用倒換開關(guān)(11)分為兩個通道；倒換開關(guān)(11)后的兩個通道中，一個通道與混頻器(12)、帶通濾波器(14)相連后與信號處理單元(15)相連；另一個通道直接與信號處理單元(15)相連。
7.—種如權(quán)利要求1或2所述的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的檢測方法，其特征在于當擾偏器(4)打開，倒換開關(guān)(11)接通道1時，從傳感光纖(7) 中經(jīng)環(huán)形器(6)返回的散射光的偏振態(tài)是隨機的，系統(tǒng)將返回的布里淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取布里淵散射光的頻移量信息，以此確定外部事件，此時整個系統(tǒng)構(gòu)成為布里淵光時域反射(BOTDR)系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求7所述的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的檢測方法，其特征在于當擾偏器(4)關(guān)閉，倒換開關(guān)(11)接通道2時，系統(tǒng)將返回的瑞利散射光和布里淵散射光與參考光進行相干外差檢測，獲取散射光偏振態(tài)的變化信息，以此確定外部事件信息，此時整個系統(tǒng)構(gòu)成為偏振光時域反射(POTDR)系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求7所述的基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器的檢測方法，其特征在于使參考光與光纖中的散射光通過耦合器(9)進行相干，利用平衡光電探測器(10)進行相干外差檢測。
全文摘要
基于相干外差檢測的全分布式光纖應(yīng)變及振動傳感器，包括激光器(1)，耦合器，脈沖調(diào)制模塊，擾偏器(4)，光放大器，環(huán)形器(6)，傳感光纖(7)，保偏光纖(8)，耦合器，平衡光電探測器(10)，倒換開關(guān)，混頻器，微波源，帶通濾波器，信號處理單元；激光器(1)的輸出的連續(xù)光經(jīng)耦合器(2)后分為兩路平衡光電探測器的輸出端與倒換開關(guān)相連，倒換開關(guān)切換到通道1和通道2接通道1時，系統(tǒng)利用布里淵光時域反射進行測量；當擾偏器(4)關(guān)閉，接通道2時，系統(tǒng)利用偏振光時域反射進行測量。本發(fā)明在單根光纖上既可以進行應(yīng)變的全分布式測量，又可以進行微弱擾動及振動的全分布式測量。
文檔編號G02B6/27GK102168953SQ20111000566
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者張旭蘋, 王峰, 王祥傳 申請人:南京大學