CN102168953A - 一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器 - Google Patents

一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器 Download PDF

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Abstract

基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，包括激光器（1），耦合器，脉冲调制模块，扰偏器（4），光放大器，环形器（6），传感光纤（7），保偏光纤（8），耦合器，平衡光电探测器（10），倒换开关，混频器，微波源，带通滤波器，信号处理单元；激光器（1）的输出的连续光经耦合器（2）后分为两路：平衡光电探测器的输出端与倒换开关相连，倒换开关切换到通道1和通道2：接通道1时，系统利用布里渊光时域反射进行测量；当扰偏器（4）关闭，接通道2时，系统利用偏振光时域反射进行测量。本发明在单根光纤上既可以进行应变的全分布式测量，又可以进行微弱扰动及振动的全分布式测量。

Description

一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器
技术领域
本发明是一种对应变和振动进行全分布式监测的光纤传感方法及设备，尤其是一种结合布里渊光时域反射（BOTDR）技术及偏振光时域反射（POTDR）技术，并采用相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感技术。
背景技术
由于当光纤受到外界环境（如温度，压力，振动等）影响时，光纤中传输光的强度，相位，频率，偏振态等参量将会相应的发生变化，通过测量传输光的这些参量便可以获得相应物理量，这种技术称为光纤传感技术。
相对于传统的电量型传感器，光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小，价格便宜，可进行远距离分布式测量的优点，因此自２０世纪７０年代末以来，光纤传感技术得到了广泛的发展，出现了基于瑞利散射，布里渊散射，拉曼散射等的全分布式光纤传感技术，其中布里渊光时域反射（BOTDR）技术及偏振光时域反射（POTDR）技术是两种较为常见的全分布式光纤传感技术：
1) 光纤受应变影响时，光波在其中产生的布里渊散射光的频率会发生偏移，称为布里渊频移。频移量的大小与光纤所受应变的大小成正比。布里渊光时域反射（BOTDR）技术是通过向光纤中注入脉冲光，并测量脉冲光在光纤中传播过程中连续产生的布里渊散射光的布里渊频移，进而可确定出光纤沿线各个位置的应变信息。BOTDR技术是目前为止最主要的一种可准确测量光纤中应变大小的全分布式光纤传感技术。但BOTDR技术对振动事件的测量能力较弱。因为尽管理论上光纤在受到外界影响产生振动时会同时产生应变。但是，一方面由于微小振动引起的微弱应变对布里渊频移产生的影响较小，另一方面BOTDR技术对应变的测量速度较慢，通常需要十几秒以上。因此，BOTDR技术难以用于测量振动。
2) 偏振光时域反射（POTDR）技术同样是向光纤中注入脉冲光。但它通过测量脉冲光在光纤沿线返回的散射光的偏振态的变化来确定光纤沿线各个位置的外部事件，从而进行全分布式测量。由于光纤中光波偏振态的变化对外部事件的响应非常灵敏，因此可以用来测量微弱的外部事件。同时由于POTDR技术通过光强信号来判断散射光偏振态的变化，响应时间短，故可以用来测量较大频率范围的振动。通常可测量10KHz以内的振动。但由于光纤受到的应变与偏振态的变化并非一一对应的关系，而且POTDR技术多采用与前次测量比较的方法判断光纤的状态，因此POTDR技术难以对准静态的应变及较大的应变进行检测。对散射光偏振态变化的探测可利用检偏器加光电探测器直接探测的方法，也可利用偏振态固定的参考光与散射光相干的方法进行检测。前者系统结构较简单，后者对信号探测的灵敏度和信噪比更高。
若将BOTDR系统和POTDR系统结合在一起，则可实现在同一根传感光纤上对应变和振动的监测，整体成本比两个系统的单独叠加小很多。另外，相比于单一的BOTDR系统和POTDR系统，在判断外部事件时，系统错报、漏报的机会会更小。
发明内容
本发明的目的是提出一种既可以测量应变又可以测量快速振动变化的全分布式光纤传感方法及传感器。
本发明的技术方案是：提供一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感方法及传感器。传感器在构成上包括激光器（1），保偏耦合器（2），脉冲调制模块（3），扰偏器（4），光放大器（5），环形器（6），传感光纤（7），保偏光纤（8），耦合器（9），平衡光电探测器（10），倒换开关（11），混频器（12），微波源（13），带通滤波器（14），信号处理单元（15）。
激光器（1）的输出的连续光经保偏耦合器（2）后分为两路：其中的第一路作为参考光，经保偏光纤（8）或直接输入到耦合器（9）的第一输入端；
第二路经脉冲调制模块（3）、扰偏器（4）与光放大器（5）后作为探测脉冲光经环形器（6）注入传感光纤（7）。传感光纤中的瑞利散射光和布里渊散射光经环形器（6）返回后进入耦合器（9）的第二输入端。散射光与参考光在耦合器（9）中形成的混合信号经耦合器（9）的两个输出端输入到平衡光电探测器（10）中被转换为电信号。
平衡光电探测器（10）的输出端与倒换开关（11）相连，倒换开关（11）可分别切换到其后的通道1和通道2。通道1与混频器（12）的第一输入端相连，微波源（13）与混频器（12）的第二输入端相连，混频器（12）的输出端连接到带通滤波器（14）的输入端，带通滤波器（14）的输出端连接到信号处理单元（15）；通道2直接与信号处理单元（15）相连。
当扰偏器（4）打开，倒换开关（11）接通道1时，系统利用布里渊光时域反射（BOTDR）技术进行测量；当扰偏器（4）关闭，倒换开关（11）接通道2时，系统利用偏振光时域反射（POTDR）技术进行测量。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的特征在于将激光器（1）的输出光分成两路的器件为保偏耦合器（2）。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的特征在于选用的激光器（1）的线宽不超过10MHz，其优选工作波段为800nm到1700nm范围内的光纤通信波段。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的特征在于经保偏耦合器（2）后输出的第一路直接与耦合器（9）连接或利用保偏光纤（8）与耦合器（9）连接。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的特征在于激光器（1）的光源经保偏耦合器（2）后输出的第二路中连接有扰偏器（4）。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的特征在于平衡光电探测器（10）与信号处理单元（15）之间使用倒换开关（11）分为两个通道。倒换开关（11）后的两个通道中，一个通道与混频器（12）、带通滤波器（14）相连后与信号处理单元（15）相连；另一个通道直接与信号处理单元（15）相连。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法的特征在于：当扰偏器（4）打开，倒换开关（11）接通道1时，从传感光纤（7）中经环形器（6）返回的散射光的偏振态是随机的，系统将返回的布里渊散射光与参考光进行相干外差检测，获取布里渊散射光的频移量信息，以此确定外部事件，此时整个系统构成为布里渊光时域反射（BOTDR）系统；
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法的特征在于：当扰偏器（4）关闭，倒换开关（11）接通道2时，系统将返回的瑞利散射光和布里渊散射光与参考光进行相干外差检测，获取散射光偏振态的变化信息，以此确定外部事件信息，此时整个系统构成为偏振光时域反射（POTDR）系统。使参考光与光纤中的散射光通过耦合器（9）进行相干，利用平衡光电探测器（10）进行相干外差检测。
当扰偏器（4）打开，倒换开关（11）接通道1时，系统利用布里渊光时域反射（BOTDR）技术进行测量；当扰偏器（4）关闭，倒换开关（11）接通道2时，系统利用偏振光时域反射（POTDR）技术进行测量。
按照本发明所提供的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法的特征在于：使参考光与光纤中的散射光通过耦合器（9）进行相干，利用平衡光电探测器（10）进行相干外差检测。
有益效果：由于本发明结合了BOTDR技术和POTDR技术，故本发明传感方法与传感器既可以测量应变事件，又可以测量振动事件，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，同时可大幅降低系统的漏报率。由于利用了BOTDR技术中的参考光路对散射光信号的偏振态变化进行光相干外差检测，对振动事件测量的信噪比要比直接用检偏器加光电探测器的方法要大幅提高。同时整体成本比两个系统的单独叠加小很多。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器结构图。
具体实施方式
一种基于相干检测的全分布式光纤应变及振动传感器的结构如图1，其对应变及振动传感的具体实施步骤如下：
1）    激光器（1）的输出的连续光经保偏耦合器（2）后分为两路
2）    其中的第一路作为参考光，经保偏光纤（8）输入到耦合器（9）的第一输入端
3）    第二路经脉冲调制模块（3）调制成脉冲光并通过光放大器（5）放大后作为探测脉冲光经环形器（6）注入传感光纤（7）。传感光纤中的瑞利散射光和布里渊散射光经环形器（6）返回后进入耦合器（9）的第二输入端。
4）    散射光与参考光在耦合器（9）中形成的混合信号经耦合器（9）的两个输出端输入到平衡光电探测器（10）中被转换为电信号。
5）    测量振动时，关闭扰偏器（4），将倒换开关（11）倒换到通道2。此时由平衡光电探测器（10）输出的电信号与传感光纤沿线的偏振态情况相关。通过信号处理单元（15）对电信号的处理，便可得到光纤沿线的偏振态变化情况，实现对光纤沿线微弱扰动及振动的全分布式传感。
6）    测量应变时，打开扰偏器（4），将倒换开关（11）倒换到通道1。此时返回的瑞利散射光和布里渊散射光的偏振态随机变化。但布里渊散射光的频移与光纤沿线的应变情况相关。由平衡光电探测器（10）输出的电信号经混频器（12）的混频后，再由带通滤波器（13）滤波，选择出与光纤沿线应变情况有关的布里渊电信号。再经过信号处理单元（15）对电信号的处理，便可得到光纤沿线的应变情况，实现对光纤沿线应变情况的全分布式传感。
作为一个具体实施的例子，设激光器的工作波长                                                
Figure 991330DEST_PATH_IMAGE001
为1550nm，线宽为2MHz。它发出的激光通过保偏耦合器（2）分成了两路，其中一路经过声光调制器、扰偏器和掺铒光纤放大器后，作为探测脉冲光进入到了传感光纤。传感光纤使用的是普通的通信光纤，其折射率,光纤中的声速
Figure 778206DEST_PATH_IMAGE003
。脉冲光在传感光纤光纤中会产生瑞利散射光和布里渊散射光，其中瑞利散射光的频率与激光器的频率一致，布里渊散射光的频率会产生偏移，其布里渊频移为
Figure 594852DEST_PATH_IMAGE004
。传感光纤受到应变影响时，会使布里渊散射光的布里渊频移发生改变，受到振动影响时，会使瑞利散射光和布里渊散射光的偏振态发生变化。布里渊散射光和瑞利散射光沿光纤返回后，与保偏耦合器（2）中的另一路光信号一起进入耦合器（9）。它们的混合信号经响应频率能够覆盖到11.2GHz左右的平衡光电探测器（10）检测后转换为电信号。当打开扰偏器（4），并将倒换开关（11）切换到通道1时，高频布里渊频移信号会通过混频器（12）转换到200MHz以下，再通过带通滤波器（14）滤波后进入到信号处理单元（15），最后可得到布里渊频移的大小，进而实现对应变的全分布式传感，此时利用的是BOTDR的方法。当关闭扰偏器（4），将倒换开关（11）切换到通道2时，信号处理单元得到的是随光纤中偏振态变化而变化的信号，由于光纤的偏振态对振动非常敏感，因此可实现对光纤中振动的全分布式测量，此时利用的是POTDR的方法。

Claims (9)

1.一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征是包括激光器（1），耦合器（2），脉冲调制模块（3），扰偏器（4），光放大器（5），环形器（6），传感光纤（7），保偏光纤（8），耦合器（9），平衡光电探测器（10），倒换开关（11），混频器（12），微波源（13），带通滤波器（14），信号处理单元（15）；
激光器（1）的输出的连续光经耦合器（2）后分为两路：其中的第一路作为参考光，经保偏光纤（8）或直接输入到耦合器（9）的第一输入端；
第二路经脉冲调制模块（3）、扰偏器（4）与光放大器（5）后作为探测脉冲光经环形器（6）注入传感光纤（7）；
传感光纤中的瑞利散射光和布里渊散射光经环形器（6）返回后进入耦合器（9）的第二输入端；散射光与参考光在耦合器（9）中形成的混合信号经耦合器（9）的两个输出端输入到平衡光电探测器（10）中被转换为电信号；
平衡光电探测器（10）的输出端与倒换开关（11）相连，倒换开关（11）可分别切换到其后的通道1和通道2：通道1与混频器（12）的第一输入端相连，微波源（13）与混频器（12）的第二输入端相连，混频器（12）的输出端连接到带通滤波器（14）的输入端，带通滤波器（14）的输出端连接到信号处理单元（15）；通道2直接与信号处理单元（15）相连；当扰偏器（4）打开，倒换开关（11）接通道1时，系统利用布里渊光时域反射（BOTDR）技术进行测量；当扰偏器（4）关闭，倒换开关（11）接通道2时，系统利用偏振光时域反射（POTDR）技术进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于将激光器（1）的输出光分成两路的耦合器为保偏耦合器（2）。
3.根据权利要求1所述的一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于经保偏耦合器（2）后输出的第一路直接与耦合器（9）连接或利用保偏光纤（8）与耦合器（9）连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于选用的激光器（1）的线宽不超过10MHz，其优选工作波段为800nm到1700nm范围内的光纤通信波段。
5.根据权利要求2所述的一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于经保偏耦合器（2）后输出的第二路中连接有扰偏器（4）。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于平衡光电探测器（10）与信号处理单元（15）的A/D采样模块之间使用倒换开关（11）分为两个通道；倒换开关（11）后的两个通道中，一个通道与混频器（12）、带通滤波器（14）相连后与信号处理单元（15）相连；另一个通道直接与信号处理单元（15）相连。
7.一种如权利要求1或2所述的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法，其特征在于：当扰偏器（4）打开，倒换开关（11）接通道1时，从传感光纤（7）中经环形器（6）返回的散射光的偏振态是随机的，系统将返回的布里渊散射光与参考光进行相干外差检测，获取布里渊散射光的频移量信息，以此确定外部事件，此时整个系统构成为布里渊光时域反射（BOTDR）系统。
8.如权利要求7所述的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法，其特征在于：当扰偏器（4）关闭，倒换开关（11）接通道2时，系统将返回的瑞利散射光和布里渊散射光与参考光进行相干外差检测，获取散射光偏振态的变化信息，以此确定外部事件信息，此时整个系统构成为偏振光时域反射（POTDR）系统。
9.如权利要求7所述的基于相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法，其特征在于：使参考光与光纤中的散射光通过耦合器（9）进行相干，利用平衡光电探测器（10）进行相干外差检测。
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