CN102809421A - 基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器 - Google Patents

基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器 Download PDF

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朱燕
彭增寿
刘永智
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本发明公开了一种基于偏振态差分探测实现多点振动源定位的分布式光纤振动传感器，该传感器在现有光时域反射计技术基础上，利用偏振分束器对传感光纤中后向散射光的偏振态进行检测，偏振分束器输出的两正交偏振光分别用两只光电探测器进行光电转换，然后对两探测信号进行差分运算与放大处理，并由A/D转换器对信号进行采样，送入到嵌入式计算机中进行数据分析、计算，实现沿光纤轴向分布振动源的精确定位。本发明能够实现沿光纤轴向分布多点微弱振动源的同时定位。本发明采用的方案简单、可靠，易于实施和维护，适合于长距离敷设传感光纤所感知的微弱振动信号探测与精确定位。

Description

基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器
技术领域
本发明涉及分布式光纤振动传感器的设计方法及实现，属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于偏振态差分探测实现多点振动源定位的分布式光纤振动传感器。
背景技术
对于油气管线泄漏探测、安全周界防护、结构健康检测等应用要求，通过振动扰动探测与定位是实现预警、预报最为行之有效的方法。在这些应用中，振动扰动的探测与定位需要对连续大范围空间进行实时监测，是传统传感器所无法胜任的，而分布式传感技术的显著特点是光纤上每一点都可以作为传感元，因此可准确探测沿光纤轴向分布任一点的振动扰动信息，并实现对振动源扰动点的精确定位。
分布式光纤振动传感器的应用领域非常广泛，包括对工程结构与大型建筑健康监测，输油、气管线的维护，输电线路故障预警，以及地质灾害监测等。目前，国内外对于分布式振动传感器的研究通常有以下几种：马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型、Sagnac干涉型、布里渊光时域反射型(BOTDR)、相位敏感光时域反射型(
Figure BSA00000508511200011
-OTDR)、偏振光时域反射型(POTDR)等。干涉型分布式光纤振动传感器相对于基于OTDR技术的优点在于灵敏度高、响应快，但对振动源的定位精度差，尤其是无法实现多点振动扰动的同时定位。相位敏感光时域反射型(-OTDR)具有定位精度高的能力，但需要采用窄线宽光源，并通过多次测量后的相减运算来实现，因此测量距离短、响应时间长。
由于光纤纤芯折射率的起伏，光在传输时会发生瑞利散射，利用光时域探测(OTDR)技术就可以实现光纤链路中事件的精确定位，因此基于后向散射技术的分布式光纤传感器通常采用OTDR技术实现被测物理量精确定位。但传统的OTDR对后向散射光信号的功率进行探测，一方面光波信号的功率对振动扰动灵敏度不高，另一方面后向散射光信号非常微弱，需要多次测量平均处理，因此仅适合于检测缓慢变化的扰动，对瞬时扰动几乎无法检测。光纤中光波信号的偏振态对外部的振动扰动异常敏感，基于光时域反射(OTDR)技术的POTDR则特别适合于监测环境中瞬时微弱振动扰动的探测。POTDR与OTDR相似，所不同的是POTDR利用单模光纤中背向瑞利散射光的偏振态工作，所以在光纤链路前端需要起偏获得线偏振，而接收端则需要解偏输出光信号。
但是，现有的各项应用于分布式振动传感的技术中，普遍存在无法进行多振动点同时精确定位的问题。考虑实际应用环境中，多点振动源同时发生的情况是不可避免的，这个问题的解决能够将分布式光纤传感技术进一步推向实用化。
发明内容
本发明的目的是针对于现有技术上的局限性，设计了一种能够实现多点振动源同时定位的分布式光纤振动传感器。本发明采用的技术方案是对后向散射光中两个相互正交的偏振态进行差分探测实现多点振动源同时定位，其理论依据在于两点，一是光纤中传输光波信号的偏振态对光纤感知振动扰动异常敏感，能够探测微弱的振动信号，克服传统OTDR探测微弱扰动的局限性；二是同一光信号中两个相互正交的偏振态的功率和基本不变，所以振动扰动对两偏振态的影响就具有彼增我减的特点，差分探测的信号对振动扰动具有一定的规律。
本发明的整个振动传感系统结构如图1所示，包括有光收发模块，光纤链路模块和信号处理模块。
所述光收发模块的功能主要是光信号的发送和接收，发送端驱动器驱动激光器产生探测光脉冲，可以根据系统指标要求选择激光波长为1310nm或1550nm的半导体激光器，并且发出的探测光脉冲宽度在信号处理模块中嵌入式计算机的控制下改变。而接收端由两个光电探测器接收到两正交偏振的后向散射光，并在电路上实现差分运算与放大。
所述光纤链路模块包括：偏振控制器，起偏器，光环行器，传感光纤，偏振分束器。所述偏振控制器用于控制激光光源输出光脉冲的偏振态，降低起偏带来的功率损失和光源随机偏振态变化带来功率波动。所述光环行器是3端口环行器，作用是引导探测光脉冲从确定端口耦合进传感光纤，而后向散射光从另一端口输出。所述传感光纤是通用的标准单模光纤，沿传感光纤轴向空间上任意点即为传感元，同时整段传感光纤也作为探测光和后向散射光的传输通道。所述偏振分束器是一个特殊的1×2耦合器，能够将一个输入光信号分解为两束正交偏振光，送入光电探测器进行后续处理。
信号处理模块包括A/D转换器和嵌入式计算机。所述A/D转换器实现对信号的高速采样后送入嵌入式计算机处理。所述嵌入式计算机实现对传感数据的处理、分析，实现振动扰动源的精确定位，并提供VGA、USB、RS232C、并口等接口。
本发明采用了一种基于偏振态差分探测的方法实现多点振动源同时定位的分布式光纤振动传感器，不仅具有分布式光纤传感的所有优点，还具有以下特点：
1、对微弱的振动扰动探测，探测灵敏度高，定位精度高；
2、对多点振动源能同时定位；
3、系统结构简单，有源器件较少，系统稳定性较高；
4、采用硬件进行差分运算和信号处理，响应速度快。
附图说明
图1是基于偏振态差分探测的分布式光纤振动传感器系统结构图。
图2是系统中光纤链路模块及与其他模块的连接示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于偏振态差分探测实现多点振动源同时定位的分布式光纤振动传感器，按照图1搭建整个传感系统，其中的光纤链路模块及与其他模块的连接示意图如图2所示。脉冲激光器发出具有一定脉宽和周期的激光脉冲，光脉冲的波长为1310nm或1550nm，发出的探测光脉冲宽度在嵌入式计算机的控制下可以改变。经过偏振控制器，控制激光光源输出光脉冲的偏振态，降低了起偏带来的功率损失和光源随机偏振态变化带来功率波动。通过起偏器将输入信号变换成具有确定偏振态的线偏振光，然后注入一个环行器，环行器输出的是传感光纤的后向散射信号，每一个不同的时刻包含有传感光纤上对应点的偏振信息，最后通过偏振分束器来分解后向散射信号的偏振态，得到两路振动方向相互垂直的偏振光，并将这两路信号送入光电探测器转换为含有振动扰动信息的电信号，先后进行电路上的差分运算、放大处理，最后由嵌入式计算机进行数据分析，显示处理结果。
本发明提出的振动扰动定位原理如下所述：在振动点以前光纤中传输的基本是线偏振光，差分以后光功率在一个固定的幅度范围内波动；在振动点由于光弹效应产生感应双折射，改变了原有光信号的偏振态，首个振动点以后偏振态差分的光功率将在另一个固定的幅度范围内波动；若之后还存在振动点，偏振态差分的光功率将又在一个不同的但固定的幅度范围内波动，以此类推，实现多点的同时定位。
本发明提出的分布式振动传感器的最大可测距离主要由激光源的光功率和光接收模块的接收灵敏度确定，分辨率主要由脉宽决定，定位精度主要由采样频率确定。
综上所述，本发明是在现有的光时域反射技术的基础上，利用偏振分束器进行偏振态的差分探测和嵌入式计算机进行信号处理、数据分析以后实现多点振动源的同时定位，此方案简单，灵敏度高，易于实施且定位准确。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器，其特征在于，包括：
光收发模块包括：激光光源与光电探测器，其主要功能分别是产生探测光脉冲和接收两正交的偏振光。
光纤链路模块包括：偏振控制器、起偏器、光环行器、传感光纤、偏振分束器，其功能是将探测光脉冲耦合进传感光纤中，并对传感光纤中产生的后向散射光进行偏振态分解，输出两正交的偏振光。
信号处理模块包括差分探测与放大、A/D转换器和嵌入式计算机，其主要功能是进行两正交偏振光信号的差分探测，通过数据分析实现沿传感光纤轴向分布的振动扰动源的定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器，其特征在于，激光光源在嵌入式计算机和驱动源控制下产生探测激光脉冲，而接收端由两个光电探测器接收两正交偏振的后向散射光，在电路上实现差分运算与放大，通过数据分析和处理实现振动扰动源的定位，可实现多点振动扰动源的同时定位。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器，其特征在于，激光光源采用半导体激光器，激光波长为1310nm或1550nm，产生的探测光脉冲宽度由嵌入式计算机控制可变。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述偏振控制器控制激光光源输出光脉冲的偏振态，降低起偏带来的功率损失和光源随机偏振态变化引起的功率波动。所述光环行器是3端口环行器，作用是引导探测光脉冲从确定端口耦合进传感光纤，而后向散射光从另一端口输出。所述传感光纤是通用的标准单模光纤，沿传感光纤轴向空间上任意点均可作为传感元，同时整段传感光纤也是探测光和后向散射光的传输通道。所述偏振分束器是一个特殊的1×2耦合器，能够将一输入光信号分解为两束正交偏振态光信号输出。
5.根据权利要求4所述的一种基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器，各光路器件连接的特征在于，激光光源输出的光脉冲经过偏振控制器后连接到起偏器，将探测光脉冲变换成有确定偏振态的线偏振光，然后注入进光环行器的1端口，探测光脉冲经光环行器的2端口耦合进传感光纤，传感光纤中的后向散射信号则从光环行器的3端口输出，最后通过偏振分束器分解为两正交偏振的光信号，并送入光电探测器转换为含有振动扰动信息的电信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述差分探测与放大由差分放大器和主放大器组成，实现两正交偏振态信号的差分探测和放大。所述A/D转换器实现对信号的高速采样后送入嵌入式计算机处理。所述嵌入式计算机实现传感数据的处理、分析，实现振动扰动源的精确定位，并提供VGA、USB、RS232C、并口等接口。
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