CN103644962B - 一种超远程分布式光纤振动传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说是一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于包括光源、声光调制器、1*2分光器、掺铒光纤放大器、1*2耦合器、环形器、波分复用器、光电探测器、信号处理器、数据采集卡、传感光纤和工控机，其中光源与1*2分光器连接，分光器的一路输出与第一1*2耦合器连接，第一1*2耦合器的2路输出分别与第二1*2耦合器、第三1*2耦合器的输出端连接，分光器的另一路输出与声光调制器的光纤输入端连接，声光调制器的信号端与数据采集卡的同步脉冲输出通道相连，声光调制器的光纤输出端与掺饵光纤放大器相连，本发明可在原主要器件成本不增加的前提下，实现传感距离增加一倍，实现超远程振动监测。

Description

一种超远程分布式光纤振动传感装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说是一种采用相位敏感载波调制技术和相干监测技术，能够有效提高系统的信噪比，将传感距离大幅度提升，进而实现大于六十公里光缆的沿线振动信号监测和入侵判断的超远程分布式光纤振动传感装置。

背景技术

近几年，周界安防问题已引起全球的关注，分布式光纤传感技术在周界防范系统中的应用产品一出现，就得到国内外广泛而深入的研究，并在十几年的时间里得到飞速的发展。针对分布式光纤振动传感器其实现方法分为两大类，分别为基于OTDR技术的分布式光纤振动传感技术和基于干涉仪的分布式光纤振动传感技术。

基于干涉仪的分布式光纤振动传感技术，其光源为连续光，可实现长达五十公里传感距离的振动信号监测。但对于普通单模光纤因其特性，长距离传输过程时偏振态会发生变化，因其偏振态的退化，影响干涉信号输出的质量，严重时会引起信号无法满足干涉条件，导致分布式光纤振动传感器的定位精度变差和无法监测的问题。解决这种现象可采用保偏光纤，但因为保偏光纤和其配套元器件的价格非常昂贵，无法进行实际应用。目前很多研究机构也针对此类现象进行研究，通过偏振控制器和相关调制技术来提升系统的抗偏振能力，系统指标有了一定的提高，同样系统成本也有成倍的增加。且与基于OTDR技术的分布式光纤振动传感技术相比，其定位精度仍较低，且存在误报率较高的问题。

现有的基于OTDR技术的分布式光纤振动传感器因检测为后向散射信号，信号强度弱，检测的传感距离短的问题，仅可实现十几公里光缆的沿线监测。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种采用相位敏感载波调制技术和相干监测技术，有效提高了系统的信噪比，将传感距离大幅度提升，可实现大于六十公里的沿线振动信号监测和入侵判断的超远程分布式光纤振动传感装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征包括光源、声光调制器AOM、1个1*2分光器、掺铒光纤放大器（EDFA）、4个1*2耦合器、2个环形器、2个波分复用器（WDM）、2个光电探测器、信号处理器、数据采集卡、2条传感光纤和工控机，其中光源的输出端与1*2分光器连接，分光器的一路输出与第一1*2耦合器连接，第一1*2耦合器的2路输出分别与第二1*2耦合器、第三1*2耦合器的一路输出端连接；分光器的另一路输出与声光调制器AOM的光纤输入端连接，声光调制器AOM的信号端与数据采集卡的同步脉冲输出通道相连，声光调制器AOM的光纤输出端与掺饵光纤放大器EDFA相连，掺饵光纤放大器EDFA的输出与第四1*2耦合器相连并分为两路输出，第四1*2耦合器的一路输出与第一环形器连接，第一环形器的输出与第一波分复用器的透射端相连，第一波分复用器的公共端与第一传感光纤相连，第四1*2耦合器的另一路输出与第二环形器连接，第二环形器的输出端与第二波分复用器的透射端相连，第二波分复用器的公共端与第二传感光纤相连，第一环形器和第二环形器的返回端分别与第二1*2耦合器和第三1*2耦合器的另一路输出端连接；第二1*2耦合器和第三1*2耦合器的输入端分别与2个光电探测器对应连接，2个光电探测器的输出端分别与信号处理器的两路信号输入端相连，信号处理器的输出端分别与数据采集卡的2个采集通道相连，数据采集卡输出与工控机连接。

本发明中所述光源为超窄线宽光源，线宽小于10kHz，功率为10mW~30mW，可采用DFB激光管和超窄线宽光纤激光器来实现。

本发明中所述声光调制器AOM是用来实现将光源的连续光变为脉冲光并针对光信号进行载波调制，输出载频脉冲光的载波频率为MHz级别，脉冲重频为kHz级别。

本发明中所述掺铒光纤放大器EDFA是用于将调制后输出的脉冲信号进行放大。

本发明中所述1*2分光器分光比为10:90，来提供探测光和参考光信号。

本发明中所述1*2耦合器为3dB耦合器；

本发明中所述环形器为3路，分别为a口进b口出，b口进c口出，其他口之间隔离度大于40dB。

本发明中所述光电探测器是用于将光信号转化为电信号，实现对光信号的探测，根据波长选择InGaAs探测器；

本发明中所述信号处理器是用于实现信号的放大和载波的滤除，还原出有用信号；

本发明中所述数据采集卡是用将输出的模拟信号转化为数字信号，其采样率为100MSPS，模拟输入通道数为2通道，ADC精度为12bits；

本发明在使用时，首先光源发出的连续光经过1*2分光器分为两部分，数据采集卡产生载频调制的脉冲信号发送给AOM，分光器90%输出端连续光进入AOM调制成载频光脉冲，光脉冲经过EDFA放大后进入1*2耦合器1分为两路信号分别为两个通道，单个通道分别经过环形器进入的1550nm的透射端，从公共端输出进入到传感光纤中；2根传感光纤产生的后向瑞利散射信号，分别经过WDM1和WDM2滤除因光缆散射效应产生的干扰信号，经过环形器进入到1*2耦合器2和1*2耦合器3；同时经过1*2分光器10%输出端连续光经1*2耦合器4分为两路，与后向瑞利散射光同时到达1*2耦合器2和1*2耦合器3，两者发生相干作用后被2路光电探测器探测，将光信号转化为电信号；电信号经信号处理器放大、滤波、解调出有用信号，发送给数据采集卡，将有用的模拟信号转化为数字信号传输给工控机，进行数据采集和处理。

本发明与现有技术相比，采用相位敏感载波调制和相干检测技术有效的提高了系统的信噪比，相较于传统方法信噪比可提升10dB，可实现超长距离的振动信号监测和入侵判断；同时采用双端同时监测，可在原主要器件成本不增加的前提下，实现传感距离增加一倍，实现超远程振动监测；采用光时域反射技术可实现沿整条光缆的定位技术，可准确同时确定多点同时入侵的位置。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图标记：光源1、1*2分光器2、声光调制器3、掺饵光纤放大器4、第四1*2耦合器5、第一环形器6、第二环形器7、第一波分复用器8、第二波分复用器9、第一传感光纤10、第二传感光纤11、第一1*2耦合器12、第二1*2耦合器13、第三1*2耦合器14、光电探测器15、光电探测器16、信号处理器17、数据采集卡18、工控机19。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明包含光源（1）、1*2分光器（2）、声光调制器（3）、掺铒光纤放大器4、4个1*2耦合器（5、12、13、14）、2个环形器（6、7）、2个波分复用器（8、9）、2个光电探测器（15、16）、信号处理器（17）、数据采集卡（18）和工控机（19）；其中光源（1）输出连续光，波长为1550nm，经过1*2分光器（2）分为90%一路输出和10%一路输出；

分光器2的90%输出端接声光调制器（3），声光调制器（3）的载波调制脉冲由数据采集卡（18）脉冲输出端提供，调制后的脉冲光经过掺铒光纤放大器（4）将光脉冲放大，提高光脉冲功率；

高功率脉冲信号经过1*2耦合器（5）分为两路，其中一路输出由环形器（6）a端口输入，b端口输出经过波分复用器（8）透射端进入，公共端输出到第一路传感光纤（10）中，另一路输出由环形器（7）a端口输入，b端口输出经过波分复用器（9）透射端进入，公共端输出到第二路传感光纤（11）中；

第一路传感光纤（10）产生的后向瑞利散射光返回经过波分复用器（8）公共端输入，透射端输出，滤除返回因散射效应产生的干扰信号，返回的瑞利信号进入环形器（6）b端口进入，c端口输出进入到1*2耦合器（14）的50%端口，同时第二路传感光纤（11）产生的后向瑞利散射光经过波分复用器（9）公共端输入，透射端输出，滤除返回因散射效应产生的干扰信号，返回的瑞利信号进入环形器（7）b端口进入，c端口输出进入到1*2耦合器（13）的50%端口；

经1*2分光器（2）分出的另一路10%输出端连接1*2耦合器（12）分成两路连续光，其中一路输出连接1*2耦合器（14）的另一个50%端口，与第一路光缆产生的后向瑞利散射光在1*2耦合器（14）处发生相干，被光电探测器（16）进行光电转化，将光信号转化为电信号；另一路输出接1*2耦合器（13）的另一个50%端口，与第二路光缆产生的后向瑞利散射光在1*2耦合器（13）处发生相干，被光电探测器（15）进行光电转化，将光信号转化为电信号；

转化后的两路电信号进入信号处理器（17）进行处理，采用放大、滤波、混频等技术，解调出需要检测的有用信号，两路输出有用信号进入数据采集卡（18）的两个采集通道中，将模拟电信号转化为数字电信号后送入工控机（19）进行数据处理，数据采集卡（18）与工控机（19）之间数据传输可通过USB或PCI接口连接通信。

本发明与现有技术相比，采用相位敏感载波调制和相干检测技术有效的提高了系统的信噪比，相较于传统方法信噪比可提升10dB，可实现超长距离的振动信号监测和入侵判断；同时采用双端同时监测，可在原主要器件成本不增加的前提下，实现传感距离增加一倍，实现超远程振动监测；采用光时域反射技术可实现沿整条光缆的定位技术，可准确同时确定多点同时入侵的位置。

Claims (7)

1.一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于包括光源、声光调制器、1个1*2分光器、掺铒光纤放大器、4个1*2耦合器、2个环形器、2个波分复用器、2个光电探测器、信号处理器、数据采集卡、2条传感光纤和工控机，其中光源的输出端与1*2分光器连接，分光器的一路输出与第一1*2耦合器连接，第一1*2耦合器的2路输出分别与第二1*2耦合器、第三1*2耦合器的一路输出端连接；分光器的另一路输出与声光调制器的光纤输入端连接，声光调制器的信号端与数据采集卡的同步脉冲输出通道相连，声光调制器的光纤输出端与掺饵光纤放大器相连，掺饵光纤放大器的输出与第四1*2耦合器相连，第四1*2耦合器分为两路输出，第四1*2耦合器的一路输出与第一环形器连接，第一环形器的输出与第一波分复用器的透射端相连，第一波分复用器的公共端与第一传感光纤相连，第四1*2耦合器的另一路输出与第二环形器连接，第二环形器的输出端与第二波分复用器的透射端相连，第二波分复用器的公共端与第二传感光纤相连，第一环形器和第二环形器的返回端分别与第二1*2耦合器和第三1*2耦合器的另一路输出端连接；第二1*2耦合器和第三1*2耦合器的输入端分别与2个光电探测器对应连接，2个光电探测器的输出端分别与信号处理器的两路信号输入端相连，信号处理器的输出端分别与数据采集卡的2个采集通道相连，数据采集卡输出与工控机连接。

2.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述光源为超窄线宽光源，线宽小于10kHz，功率为10mW~30mW。

3.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述声光调制器是用来实现将光源的连续光变为脉冲光并针对光信号进行载波调制，输出载频脉冲光的载波频率为MHz级别，脉冲重频为kHz级别。

4.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述1*2分光器分光比为10:90。

5.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述1*2耦合器为3dB耦合器。

6.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述环形器为3路，分别为a口进b口出，b口进c口出，其他口之间隔离度大于40dB。

7.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述数据采集卡将输出的模拟信号转化为数字信号，其采样率为100MSPS，模拟输入通道数为2通道，ADC精度为12bits。