一種超弱光纖光柵陣列同φ-otdr相結(jié)合的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于Φ-OTDR的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，主要是對(duì)傳感光纖結(jié)構(gòu) 的改進(jìn)，具體涉及一種超弱光纖光柵陣列同Φ-OTDR相結(jié)合的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中，窄線寬激光器發(fā)出的連續(xù)光波經(jīng)由脈沖調(diào)制和 光放大后，通過(guò)環(huán)形器注入傳感光纖。Φ-OTDR中注入光纖的光是強(qiáng)相干的，因此該系統(tǒng)的 輸出就是脈沖寬度范圍內(nèi)后向散射瑞利光相干涉的結(jié)果。假定傳感光纖處于理想狀態(tài)中， 則經(jīng)由傳感光纖返回的后向瑞利散射波形應(yīng)是恒定不變的，如果在傳感光纖中的某一點(diǎn)加 入微擾，那么傳感光纖在該點(diǎn)的折射率就會(huì)發(fā)生改變，這將導(dǎo)致該位置處光相位發(fā)生改變， 由于干涉作用，其相應(yīng)的后向瑞利散射光光強(qiáng)會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射 光，并將不同時(shí)刻的后向瑞利散射光曲線相減來(lái)檢測(cè)這種效應(yīng)，相減的曲線上光強(qiáng)發(fā)生變 化的時(shí)間位置同微擾點(diǎn)的位置相對(duì)應(yīng)，從而也就找到微擾點(diǎn)的位置。由于采用的是窄線寬 激光器，因而引入探測(cè)光纖的系列光脈沖是相干的光脈沖，探測(cè)光纖范圍的弱折射率變化 都可以由脈沖之間的相干效應(yīng)得到加強(qiáng)。目前，Φ-OTDR的主要性能參數(shù)包括動(dòng)態(tài)范圍、空 間分辨率、誤報(bào)率和靈敏度等。動(dòng)態(tài)范圍是Φ-OTDR系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的指標(biāo)，表征了傳 感光纖能夠鋪設(shè)的最遠(yuǎn)距離，即系統(tǒng)的最大測(cè)量距離。誤報(bào)率是f-OTDR系統(tǒng)的又一重要 性能指標(biāo)。幾乎在所有的振動(dòng)傳感系統(tǒng)中，如何快速而準(zhǔn)確地定位出振動(dòng)信號(hào)的位置所在， 確定振動(dòng)的類型，一直是研究的重點(diǎn)，而動(dòng)態(tài)范圍和誤報(bào)率都很大程度上取決于信噪比的 高低。靈敏度是指在保證誤碼率為一定值的情況下，能檢測(cè)到信號(hào)的最低接收平均光功率。 在φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中，靈敏度就是對(duì)微弱振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)能力。普通φ-OTDR系 統(tǒng)中，探測(cè)范圍和靈敏度都相對(duì)較低，這也是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0003] 光纖光柵是一種無(wú)源器件，實(shí)質(zhì)上是一種窄帶的濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬譜光 經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足其光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)的光將發(fā)生反射，其余波長(zhǎng)的光將透 過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸。光纖光柵的主要應(yīng)用是通過(guò)對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移量的檢測(cè)， 來(lái)測(cè)定外界參量如應(yīng)力、溫度等的變化，且不會(huì)受到光源功率穩(wěn)定性的影響。超弱光纖光柵 則是指中心波長(zhǎng)反射率超低的光纖光柵，其反射率最低可達(dá)到10 6量級(jí)。
[0004] Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)主要應(yīng)用于現(xiàn)今社會(huì)不同場(chǎng)合和不同環(huán)境的安防監(jiān) 測(cè)，且特別適合于大范圍監(jiān)測(cè)?；谄淇闺姶鸥蓴_、電絕緣性好、耐腐蝕、使用周期長(zhǎng)以及分 布式監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為用于監(jiān)測(cè)和保護(hù)國(guó)境、軍事基地、發(fā)電廠、核設(shè)施及監(jiān)獄等的 分布式光纖傳感防入侵系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。因此，推進(jìn)基于Φ-OTDR技術(shù)的分布式光纖振 動(dòng)傳感系統(tǒng)的研究具有非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明將超弱光纖光柵陣列同相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR)光纖振動(dòng)傳感 系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)傳感光纖結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，在保證Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)原有性能指 標(biāo)不變的同時(shí)，能夠大大提高其對(duì)振動(dòng)檢測(cè)的信噪比和靈敏度。
[0006] 本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種超弱光纖光柵陣列同Φ-OTDR相結(jié)合的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括窄線寬激光 光源，其發(fā)出的窄線寬的連續(xù)光經(jīng)分光比為1:99的光纖耦合器分為兩路，其中99%的那路 作為系統(tǒng)的本地光，經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，再經(jīng)H)FA進(jìn)行光放大后通過(guò)環(huán)形器注入 到傳感光纖中，以產(chǎn)生后向瑞利散射光信號(hào)；而1 %的那路作為系統(tǒng)的參考光，經(jīng)過(guò)聲光移 頻器引入頻移后，同返回接收端的后向瑞利散射光經(jīng)過(guò)一個(gè)1:1的光纖耦合器拍頻，得到 拍頻信號(hào)，該信號(hào)被光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終送入到系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理 系統(tǒng)中，其特點(diǎn)在于，在該光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的傳感光纖部分，接入超弱光纖光柵陣列或者 傳感光纖全部為超弱光纖光柵陣列。
[0008] 上述技術(shù)方案中，各個(gè)超弱光纖光柵在傳感光纖中要以等間距排布。
[0009] 上述技術(shù)方案中，超弱光纖光柵陣列的超弱光纖光柵反射率、中心波長(zhǎng)和帶寬等 參數(shù)均相同。
[0010] 上述技術(shù)方案中，超弱光纖光柵陣列的間距同本系統(tǒng)的空間分辨率相同或滿足空 間分辨率為其整數(shù)倍，傳感光纖中返回的信號(hào)是超弱光纖光柵的反射信號(hào)同后向瑞利散射 信號(hào)的疊加。
[0011] 上述技術(shù)方案中，傳感光纖米用超弱光纖光柵陣列。
[0012] 本發(fā)明中使用的超弱光纖光柵，亦是利用了其對(duì)中心波長(zhǎng)光的反射特性，用以增 強(qiáng)后向瑞利散射信號(hào)，提高系統(tǒng)信噪比和靈敏度。超弱光纖光柵同Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感 系統(tǒng)相結(jié)合，超弱光纖光柵陳列沿光纖傳感線路以同等間距依次排布。當(dāng)系統(tǒng)的空間分辨 率等于超弱光纖光柵間距的整數(shù)倍或相同時(shí)，所檢測(cè)到的信號(hào)將是超弱光纖光柵的反射信 號(hào)同后向瑞利散射信號(hào)的疊加，其相應(yīng)位置的信號(hào)幅度較普通Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng) 的大很多。因此，本系統(tǒng)中的信噪比、靈敏度由于增強(qiáng)探測(cè)到的信號(hào)幅度而得到提升，更能 適應(yīng)對(duì)大范圍、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。
[0013] 因?yàn)楸景l(fā)明采用以上技術(shù)方案，所以具備以下有益效果：
[0014] 在不影響Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)原有性能指標(biāo)的情況下，能大大提高系統(tǒng)對(duì) 振動(dòng)檢測(cè)的信噪比和靈敏度，由于信噪比得到了提升，從而也就提高了 Φ-OTDR系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)范圍。特別是在對(duì)某些關(guān)鍵部位的振動(dòng)檢測(cè)中，通過(guò)對(duì)該關(guān)鍵段傳感光纖的改良，以其經(jīng) 過(guò)提高的信噪比能得到更好的檢測(cè)結(jié)果，且不影響其分布式傳感功能。同時(shí)，由于其能將整 段光纖的有用信號(hào)大幅度提升，而噪聲信號(hào)并未提升，所以其也能減少Φ-OTDR系統(tǒng)整體 的誤報(bào)率及漏報(bào)率。通常實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖傳感，需要足夠輸出光功率足夠大地H)FA，加大成 本，若加入光纖光柵能夠提升信號(hào)強(qiáng)度，便可以解決這一問(wèn)題，節(jié)約系統(tǒng)成本?？偟膩?lái)說(shuō)，通 過(guò)與超弱光纖光柵結(jié)合，Φ-OTDR系統(tǒng)性能能得到一個(gè)較全方位的優(yōu)化。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是一種典型的超弱光纖光柵陣列同Φ-OTDR相結(jié)合的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖。
[0016] Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用窄線寬激光器作為光源，其注入光纖的光是強(qiáng)相 干的，因此該系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度范圍內(nèi)后向瑞利散射光相干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖線路 上受到外界干擾時(shí)，對(duì)應(yīng)位置處光纖折射率將會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致該位置光相位的變化， 光相位的變化又會(huì)引起后向瑞利散射光干涉信號(hào)強(qiáng)度變化。因此，通過(guò)對(duì)比其后向瑞利散 射光干涉信號(hào)強(qiáng)度變化可以判斷出外界干擾的具體位置。超弱光纖光柵陣列的引入能提高 系統(tǒng)的信噪比和靈敏度。
[0017] 圖2是一種普通的Φ-OTDR的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其他部分和圖1完全一 致，僅僅在光纖末端未裝超弱光纖光柵。
[0018] 圖3是接入超弱光纖光柵陣列后的傳感光纖結(jié)構(gòu)圖。超弱光纖光柵陣列在傳感光 纖中以等間距排布，且間距的選取要同該光纖傳感系統(tǒng)的空間分辨率相同或滿足空間分辨 率為其整數(shù)倍。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明提出了一種超弱光纖光柵陣列同Φ-OTDR相結(jié)合的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，該 系統(tǒng)同一般Φ-OTDR光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)相比，在不影響其原有性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，能大大 提高系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)檢測(cè)的信噪比和靈敏度，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0020] 如圖1本系統(tǒng)包括窄線寬激光光源，其發(fā)出的窄線寬的連續(xù)光經(jīng)分光比為1:99的 光纖耦合器分為兩路。其中99%的那路作為系統(tǒng)的本地光，經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，再 經(jīng)EDFA進(jìn)行光放大后通過(guò)環(huán)形器注入到傳感光纖中，以產(chǎn)生后向瑞利散射光信號(hào)；而1% 的那路作為系統(tǒng)的參考光，經(jīng)過(guò)聲光移頻器引入頻移后，同返回接收端的后向瑞利散射光 經(jīng)過(guò)一個(gè)1:1的光纖耦合器拍頻，得到拍頻信號(hào)，該信號(hào)被光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為電信 號(hào)，最終送入到系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)中。
[0021] ( -）、本發(fā)明中所采用的光纖光柵是全同的超弱光纖光柵，具有相同的中心波長(zhǎng) 和反射率，對(duì)中心波長(zhǎng)的光表現(xiàn)出弱反射特性。
[0022] (二）、本發(fā)明中超弱光纖光柵陣列在傳感光纖中要以等間距排布，保證反射的光 功率對(duì)后向瑞利散射信號(hào)的功率加強(qiáng)在整個(gè)傳感光纖范圍中保持均勻。
[0023] (三）、本發(fā)明中超弱光纖光柵之間間距的選取要同該光纖傳感系統(tǒng)的空間分辨 率相同或滿足空間分辨率為其整數(shù)倍。當(dāng)選取的超弱光纖光柵之間間距同該