CN104236696A - 一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统，使用异纤遥泵放大方式，对每段传感光纤集中式放大，能够有效延长Φ-OTDR传感距离，增强用于检测的光信号，提高检测准确率。

Description

一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统

技术领域

本发明涉及振动信号检测领域，尤其是涉及一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统。

背景技术

大型工程结构健康监测、输油管线维护、地质灾害预防等都需要采集振动信号，分布式光纤振动传感器由于具有传统传感器不可比拟的优势而成为了研究的热点。与传统的分布式光纤振动传感器相比，基于相干瑞利散射技术的分布式光纤振动检测技术具有定位精度高、灵敏度高等优势而获得迅猛发展。相干瑞利散射技术又称为相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)，利用传感光纤中的后向瑞利散射光干涉信号检测光纤周围振动信号。

目前该技术主要应用于围栏入侵检测、长输油气管道检测、边界安防等领域，而且取得了不错的应用效果。但是随着检测距离的延长，光信号变得很弱，尤其是后向瑞利散射光信号变得极为微弱，这为信号的检测带来很大的困难。为了解决这一问题，最为方便也是目前多数采用的方式就是单一的提高入纤光功率和前置放大器的增益系数。提高入纤光功率将会导致脉冲能量过高，当脉冲光信号超过布里渊效应阈值时会激起布里渊效应，导致光功率在光纤前端急剧下降，反而降低了传感距离。提高前置放大器的增益系数可以提高干涉信号强度，但是由于滤波器带宽有限，在提高干涉信号的强度同时也会将ASE噪声信号变强，这样使得探测器探测到的信号直流量较大，为后续的数据处理带来困难。

为了解决这一问题，现有的技术将一阶双向拉曼放大技术应用于入Φ-OTDR传感系统中(Long-distance fiber-opticΦ-OTDR intrusion sensing system)，这种方式可以将单套的Φ-OTDR传感系统延长至50km，但是拉曼增益系数并不是均匀的，导致信号功率波动明显。为了克服这一难题，又采用混合拉曼放大技术对上述技术进行了改进。但是上述方法都需要拉曼泵浦光源，而且系统结构较为复杂，提高了系统的成本。

发明内容

本发明提供一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统，来解决现有技术中存在的在进行振动检测时，由于检测距离的延长，导致用于检测的光信号微弱，进而使检测效果不好的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法，所述方法应用在基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统中，所述系统包括基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器和N个遥泵放大器，所述传感器包括三端口的环形器；所述N个遥泵放大器通过遥泵光纤和所述传感器连接；所述N个遥泵放大器通过传感光纤一一串联，所述N个遥泵放大器的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤和所述环形器连接；所述方法包括：N个遥泵放大器通过所述遥泵光纤从所述传感器处获得泵浦光源；所述N个遥泵放大器中的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤从所述环形器处获得脉冲光源，然后依次传送给串联的遥泵放大器；所述N个遥泵放大器中每一个遥泵放大器对各自接收到的脉冲光源进行放大，以获得放大的光信号进行振动检测，其中N为大于1的正整数。

优选的，所述N个遥泵放大器体通过N个遥泵光纤和所述传感器连接，其中，每个遥泵放大器通过各自的遥泵光纤和所述传感器连接；所述N个遥泵放大器通过所述遥泵光纤从所述传感器处获得泵浦光源，具体为：所述N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器分别通过各自的遥泵光纤接收所述泵浦光源。

优选的，所述系统还包括：N个耦合器，连接在所述N个遥泵放大器和所述传感器之间，所述N个耦合器通过所述遥泵光纤一一串联，并且每个耦合器对应连接一个遥泵放大器；所述N个遥泵放大器通过所述遥泵光纤从所述传感器处获得泵浦光源，具体为：所述N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器从各自的耦合器处接收所述泵浦光源，其中，所述泵浦光源是由所述N个耦合器中的第一个耦合器通过所述遥泵光纤从所述传感器处接收并依次传送给串联的耦合器；然后由所述N个耦合器中的每个耦合器对各自接收到泵浦光源进行分光形成的。

本发明还提供了一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统，包括：基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器，用于提供泵浦光源，其中，所述传感器包括三端口的环形器，所述环形器用于提供脉冲光源；N个遥泵放大器，所述N个遥泵放大器通过传感光纤一一串联；其中，所述N个遥泵放大器通过遥泵光纤和所述传感器连接，用于从所述传感器处接收所述泵浦光源；其中，所述N个遥泵放大器的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤和所述环形器连接，用于从所述环形器处接收所述脉冲光源并依次传送给串联的遥泵放大器；所述N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器都用于对各自接收到的脉冲光源进行放大，以获得放大的光信号进行振动检测。

优选的，所述N个遥泵放大器具体通过N个遥泵光纤和所述传感器连接，其中，每个遥泵放大器通过各自的遥泵光纤和所述传感器连接，并分别通过各自的遥泵光纤接收所述泵浦光源。

优选的，所述系统还包括：N个耦合器，连接在所述N个遥泵放大器和所述传感器之间，所述N个耦合器通过所述遥泵光纤一一串联，并且每个耦合器对应连接一个遥泵放大器；其中，所述N个耦合器中的第一个耦合器通过所述遥泵光纤从所述传感器处接收所述泵浦光源并依次传送给串联的耦合器；所述N个耦合器中的每个耦合器都用于对各自接收到泵浦光源进行分光，然后对应传送给各自连接的遥泵放大器。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统，使用异纤遥泵放大方式，对每段传感光纤集中式放大，能够有效延长Φ-OTDR传感距离，增强用于检测的光信号，提高检测准确率。

另外，遥泵放大器会将正向传输的光信号和反向传输的瑞利散射光信号同时放大。

附图说明

图1为本发明实施例中基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统的架构图；

图2为本发明实施例基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统的两种结构的另一种架构图；

图3为本发明实施例遥泵放大器结构图；

图4为本发明实施例基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法流程图。

附图标记说明：基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器11，环形器12，传感光纤13，遥泵光纤14，计算机15，环形器16，环形器17，第一波分复用器18，第二波分复用器19，滤波器20；耦合器1、耦合器2、耦合器3，耦合器N，遥泵放大器1’，遥泵放大器2’，遥泵放大器3’，遥泵放大器N’，端口a1，端口b1、端口c1，端口a2、端口b2，端口c2。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

请参看图1，是一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统的架构图。

该系统包括：基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器11，该传感器11包括三端口的环形器12；N个遥泵放大器；传感光纤13；遥泵光纤14。另外，所述系统还包括：N个耦合器。

基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器11，用于提供泵浦光源。

环形器12用于提供脉冲光源。

N个遥泵放大器，所述N个遥泵放大器通过传感光纤13一一串联；其中，所述N个遥泵放大器通过遥泵光纤14和所述传感器11连接，用于从所述传感器11处接收所述泵浦光源；其中，所述N个遥泵放大器的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤13和所述环形器12连接，用于从所述环形器12处接收所述脉冲光源并依次传送给串联的遥泵放大器。

N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器都用于对各自接收到的脉冲光源进行放大，以获得放大的光信号进行振动检测。

N个耦合器连接在所述N个遥泵放大器和所述传感器11之间，所述N个耦合器通过所述遥泵光纤14一一串联，并且每个耦合器对应连接一个遥泵放大器；其中，所述N个耦合器中的第一个耦合器通过所述遥泵光纤14从所述传感器11处接收所述泵浦光源并依次传送给串联的耦合器；所述N个耦合器中的每个耦合器都用于对各自接收到泵浦光源进行分光，然后对应传送给各自连接的遥泵放大器，其中，N为大于1的正整数。

在此架构中，泵浦光源安装在本地，泵浦光通过一定长度的遥泵光纤14依次通过耦合器1、耦合器2、耦合器3…耦合器N，其中，耦合器都采用1×2耦合器。每个耦合器对应连接对应的遥泵放大器，例如：耦合器1连接遥泵放大器1’，耦合器2连接遥泵放大器2’；耦合器3连接遥泵放大器3’，耦合器N连接遥泵放大器N’。耦合器一个输出端口将泵浦光源继续传输至下一个耦合器，另一个输出端口将泵浦光传输至遥泵放大器作为该遥泵放大器的泵浦光源。遥泵放大器对每段传感光纤13进行放大，延长了传感距离。遥泵放大器的增益系数可以通过计算机调节泵浦光功率而进行控制。

本架构的关键技术之一在于使用遥泵放大器对每一段的光信号进行放大，通过串联遥泵放大器的方式提高了Φ-OTDR传感距离。具体的，泵浦光源在遥泵光纤14内传输，通过耦合器一个输出端将泵浦光传输至遥泵放大器，遥泵放大器将光信号进行放大，计算机15控制泵浦光源的输出功率来调节遥泵放大器的增益系数。

进一步，计算机15调节的是整条遥泵光纤14内传输的泵浦光功率，而不能单独对每个遥泵放大器的泵浦光进行调节。为了使每一段放大的信号获得相近的增益系数需要精确设计每一个耦合的分光比。如耦合器1的分光比为3:7，耦合器2的分光比为4:6，将耦合器1分光比为3的输出端接入遥泵放大器1’，将耦合器分光比为4的输出端接入遥泵放大器2’，这样可以使两个放大器获得的泵浦光功率近似相等，从而方便统一调节遥泵放大器的增益系数。

下面请参看图2，是一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统的两种结构的另一种架构图。

在该架构图中，该系统包括：基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器11，该述传感器11包括三端口的环形器12；N个遥泵放大器；传感光纤13；遥泵光纤14。

而N个遥泵放大器具体通过N个遥泵光纤14和所述传感器11连接，其中，每个遥泵放大器通过各自的遥泵光纤14和所述传感器11连接，并分别通过各自的遥泵光纤14接收泵浦光源。

即：泵浦光源分别通过各自的遥泵光纤14传输至遥泵放大器1’、遥泵放大器2’…遥泵放大器N’，遥泵放大器对每段传感光纤13进行放大，延长了传感距离。与图1相比，该实现方法需要更多的遥泵光纤14，但是优点在于可以分别对每个遥泵放大器灵活调节。

此架构的关键技术在于实现了每个遥泵放大器的单独控制。具体的，泵浦光源分别作为遥泵放大器1’、遥泵放大器2’…遥泵放大器N’的泵浦光源，通过计算机15单独对每个泵浦光源进行调节从而实现了每个遥泵放大器的单独控制。

此架构的关键技术之二实现了正向传输的光信号与后向传输的瑞利散射光信号同时放大。具体的，使用环形器16和环形器17将信号光与后向瑞利散射光分开单独放大。对于信号光，使用前向泵浦方式，对于后向瑞利散射光信号，使用后向泵浦方式。采用这种泵浦结构能不仅使得信号光的噪声性能好而且后向瑞利散射光可以得到获得较高的增益系数。

下面请参看图3，是遥泵放大器结构图。

信号光通过环形器16的端口b1、端口c1进入第二波分复用器19，泵浦光通过耦合器的一个输出端口之后和信号光一同经第二波分复用器19在第二掺铒光纤中传输，泵浦光激活第二掺铒光纤中的铒离子，跃迁到高能级态；在信号光的诱导下，铒离子受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光相同的光子，实现正向传输光信号的放大，放大的光信号经过环形器17的端口a2、端口b2进入到传感光纤13中。光信号的后向瑞利光经过环形器17的端口b2、端口c2进入到第一掺铒光纤中，耦合器的另一个输出端输出的泵浦光经过第一波分复用器18之后与后向瑞利散射光同时在第一掺铒光纤中传输，实现了后向瑞利散射光信号的放大，被放大后的后向瑞利散射光信号经环形器16的端口a1、端口c1之后继续在传感光纤13中传输。

进一步，为了避免不同遥泵放大器之间的泵浦光相互干扰，在遥泵放大器内部集成了滤波器20。

基于同一发明构思，下面的实施例列举了一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法，所述方法应用在基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统中。

具体来说，所述系统包括基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器11和N个遥泵放大器，所述传感器11包括三端口的环形器12；所述N个遥泵放大器通过遥泵光纤14和所述传感器11连接；所述N个遥泵放大器通过传感光纤13一一串联，所述N个遥泵放大器的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤13和所述环形器12连接。而该系统的具体架构请参看图1-图2，在此本发明不再赘述。

下面请参看图4，该方法的实施过程包括：

S1，N个遥泵放大器通过遥泵光纤从传感器处获得泵浦光源。

S2，N个遥泵放大器中的第一个遥泵放大器通过传感光纤从环形器处获得脉冲光源，然后依次传送给串联的遥泵放大器。

在具体的实施过程中，请结合图1，系统还包括N个耦合器，连接在N个遥泵放大器和传感器之间，N个耦合器通过遥泵光纤一一串联，并且每个耦合器对应连接一个遥泵放大器；此时，S2的具体步骤是：N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器从各自的耦合器处接收泵浦光源，其中，泵浦光源是由N个耦合器中的第一个耦合器通过遥泵光纤从传感器处接收并依次传送给串联的耦合器；然后由N个耦合器中的每个耦合器对各自接收到泵浦光源进行分光形成的。

优选的，请结合图2，N个遥泵放大器体通过N个遥泵光纤和传感器连接，其中，每个遥泵放大器通过各自的遥泵光纤和传感器连接。此时，S2的具体步骤是：N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器分别通过各自的遥泵光纤接收泵浦光源。

S3，N个遥泵放大器中每一个遥泵放大器对各自接收到的脉冲光源进行放大，以获得放大的光信号进行振动检测。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法及系统，使用异纤遥泵放大方式，对每段传感光纤集中式放大，能够有效延长Φ-OTDR传感距离，增强用于检测的光信号，提高检测准确率。

另外，遥泵放大器会将正向传输的光信号和反向传输的瑞利散射光信号同时放大。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测方法，所述方法应用在基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统中，其特征在于，所述系统包括基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器和N个遥泵放大器，所述传感器包括三端口的环形器；所述N个遥泵放大器通过遥泵光纤和所述传感器连接；所述N个遥泵放大器通过传感光纤一一串联，所述N个遥泵放大器的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤和所述环形器连接；所述方法包括：

N个遥泵放大器通过所述遥泵光纤从所述传感器处获得泵浦光源；

所述N个遥泵放大器中的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤从所述环形器处获得脉冲光源，然后依次传送给串联的遥泵放大器；

所述N个遥泵放大器中每一个遥泵放大器对各自接收到的脉冲光源进行放大，以获得放大的光信号进行振动检测，其中N为大于1的正整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N个遥泵放大器体通过N个遥泵光纤和所述传感器连接，其中，每个遥泵放大器通过各自的遥泵光纤和所述传感器连接；

所述N个遥泵放大器通过所述遥泵光纤从所述传感器处获得泵浦光源，具体为：

所述N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器分别通过各自的遥泵光纤接收所述泵浦光源。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括：N个耦合器，连接在所述N个遥泵放大器和所述传感器之间，所述N个耦合器通过所述遥泵光纤一一串联，并且每个耦合器对应连接一个遥泵放大器；

所述N个遥泵放大器通过所述遥泵光纤从所述传感器处获得泵浦光源，具体为：

所述N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器从各自的耦合器处接收所述泵浦光源，其中，所述泵浦光源是由所述N个耦合器中的第一个耦合器通过所述遥泵光纤从所述传感器处接收并依次传送给串联的耦合器；然后由所述N个耦合器中的每个耦合器对各自接收到泵浦光源进行分光形成的。

4.一种基于异纤遥泵放大的光纤振动检测系统，其特征在于，包括：

基于相干瑞利散射技术的光纤振动传感器，用于提供泵浦光源，其中，所述传感器包括三端口的环形器，所述环形器用于提供脉冲光源；

N个遥泵放大器，所述N个遥泵放大器通过传感光纤一一串联；其中，所述N个遥泵放大器通过遥泵光纤和所述传感器连接，用于从所述传感器处接收所述泵浦光源；其中，所述N个遥泵放大器的第一个遥泵放大器通过所述传感光纤和所述环形器连接，用于从所述环形器处接收所述脉冲光源并依次传送给串联的遥泵放大器；所述N个遥泵放大器中的每个遥泵放大器都用于对各自接收到的脉冲光源进行放大，以获得放大的光信号进行振动检测。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述N个遥泵放大器具体通过N个遥泵光纤和所述传感器连接，其中，每个遥泵放大器通过各自的遥泵光纤和所述传感器连接，并分别通过各自的遥泵光纤接收所述泵浦光源。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

N个耦合器，连接在所述N个遥泵放大器和所述传感器之间，所述N个耦合器通过所述遥泵光纤一一串联，并且每个耦合器对应连接一个遥泵放大器；其中，所述N个耦合器中的第一个耦合器通过所述遥泵光纤从所述传感器处接收所述泵浦光源并依次传送给串联的耦合器；所述N个耦合器中的每个耦合器都用于对各自接收到泵浦光源进行分光，然后对应传送给各自连接的遥泵放大器。