CN104596632A - 一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器及方法，属于光纤振动传感技术领域。该系统包括：光源，电光调制器、脉冲驱动器、有源光放大器、环形器、偏振分束器、采集器、信号分析处理系统，其特征在于：该系统还包括远端光纤中继。远端光纤中继嵌入多级传感光纤之间，远端光纤中继利用其增益克服了光纤损耗，增强了光纤中自发瑞利散射光的强度，提高了分布式光纤振动传感系统的信噪比，增大了分布式光纤振动传感系统的传输距离，提高了目标区域内的振动事件的测量精度；同时，避免了由于高光功率泵浦光带来的安全隐患。

Description

一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器及方法

 

技术领域

本发明涉及分布式光纤振动传感领域，尤其涉及一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器。本发明还涉及一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器的振动传感方法。

背景技术

周界安全防范、边境防范、管道防破坏、地震检测以及海啸预警等传感报警系统在保障人民生活安定、保护人民生命财产安全方面发挥着巨大作用，而这类信号的本质是对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信技术的发展，光纤传感技术越来越多的应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。

目前，分布式光纤传感技术是光传感技术领域中最有应用前景的，其基本原理是：由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。

其中长距离分布式光纤振动传感器能够通过一次测量，即可获得光纤所经区域入侵扰动的完整信息。长距离分布式光纤振动传感器需要探测的区域很大，测量光缆越长越好，然而，光在光纤中传输的时候能量会发生损耗，光纤距离越长会导致测量越不准确，无法实现准确定位。同时，由于长距离分布式光纤振动传感器的传感光纤沿着探测防线敷设，距离很长，光纤内传输的激光功率安全必须考虑，不能在光缆内传输高功率的泵浦光，以使得系统设计达到安全规范。

发明内容

为了解决现有的分布式光纤振动传感装置在超长距离测量时无法实现准确定位的问题以及激光传输的功率安全问题，本发明提供一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器。

本发明的目的是这样实现的：分布式光纤振动传感器包括解调仪和传输光缆两部分，在解调仪中，窄线宽光源的输出端和电光调制器的输入端相连，窄脉冲驱动器的输出端和电光调制器的射频输入端相连，电光调制器的光输出端和光放大器的输入端相连，光放大器的输出端和光纤环形器的输入端相连，光纤环形器的输出端一端连接传感光纤，另一端连接偏振分束器，偏振分束器的第一输出端和第一光接收模块的输入端相连，第二输出端和第二光接收模块输入端相连。两个光接收模块的输出端分别和双通道AD采集器的两个输入端相连，双通道AD采集器的输出端和振动信号分析处理系统的输入端相连。

在分布式光纤振动传感器的两段传感光缆连接处嵌入由光无源模块、光纤环形器、光纤隔离器、2×2光纤耦合器、泵浦激光光源和电源组成的远端光纤中继。

从分布式光纤振动传感器解调仪内的光纤环形器接出的传感光纤连接到2×2光纤耦合器的第一输入端，2×2光纤耦合器的第一输出端和光无源模块的输入端相连，光无源模块的输出端和光纤环形器的输入端相连，光无源模块的另一个输入端和泵浦激光光源的输出端相连，泵浦激光光源的一端和电源的输出端相连，光纤环形器的公共输出端和后段传感光纤相连，反馈输出端和光纤隔离器的输入端相连，光纤隔离器的输出端和2×2光纤耦合器的第二输出端相连。远端光纤中继放大经前段传感光纤损耗的光脉冲。

窄线宽光源输出的窄线宽连续光进入电光调制器，在窄脉冲驱动器的作用下调制成窄线宽脉冲光，窄线宽脉冲光经光放大器放大后输出所需大功率窄脉冲光，大功率窄脉冲光经光纤环形器注入到传感光纤中，在传感光纤中将产生后向散射光，包括瑞利散射光。瑞利散射光从光纤环形器的输出端进入光纤偏振分束器，经光纤偏振分束器分离后得携带振动信号的X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光，自此便完成了携带振动信息光信号的提取工作；从光纤偏振分束器分离出来的X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光再分别进入第一光接收模块和第二光接收模块进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作；此时信号已由光信号转换成电信号，分别由双通道AD采集器进行模数转换，从而得到数字信号，再由振动信号分析处理系统对数字信号进行信号处理分析得到整个防区的入侵振动信息。

为了实现该分布式光纤振动传感器的超远程监测，本发明中传感光缆间增加了远端光纤中继，放大了经前段传感光纤损耗的光脉冲，注入后段传感光纤中。采用光时域反射和干涉式测量方法，通过对多段传感光缆之间引入N个远端光纤中继进行级联，从而实现定位型超远程分布式光纤振动传感器的N×L(L为每段传感光纤长度)超远程监测，而且定位精度更高。

本发明利用在分布式光纤振动传感器的多段传感光缆间增加远端光纤中继，放大经前段传感光纤损耗的光脉冲，增强了注入后段传感光纤中的光脉冲功率，从而使后段传感光纤的后向散射光的强度受到中继放大，各传感光缆分段分时进行测量，从而提高了定位型分布式光纤振动传感器的信噪比，增大了分布式光纤振动传感器的测量距离，提高了振动测量精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为带远端光纤中继的分布式光纤振动传感器的结构示意图；

图2为远端光纤中继的结构示意图；

主要组件符号说明：

窄线宽光源1; 

电光调制器2; 

窄脉冲驱动器3;  

光放大器4; 

光纤环形器5; 

偏振分束器6; 

第一光接收模块7; 

第二光接收模块8; 

双通道AD采集器9;

振动信号分析处理系统10; 

泵浦激光光源15；

远端光纤中继G；

光无源模块14; 

2×2光纤耦合器11;

光纤隔离器12; 

光纤环形器13;

电源18。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于光纤中继的分布式光纤振动传感器及其传感方法，下面结合附图对本发明做详细说明。

所述远程分布式光纤振动传感器包括解调仪和传输光缆，解调仪包括：窄线宽光源1、电光调制器2、窄脉冲驱动器3、光放大器4、光纤环形器5、偏振分束器6、第一光接收模块7、第二光接收模块8、双通道AD采集器9、振动信号分析处理系统10、远端光纤中继G、光无源模块14、2×2光纤耦合器11、光纤隔离器12、光纤环形器13，电源18。

窄线宽光源1的输出端和电光调制器2的输入端相连，窄脉冲驱动器3的输出端和电光调制器2的射频输入端相连，电光调制器2的输出端和光放大器4的输入端相连，光放大器4的输出端和光纤环形器5的输入端相连，光纤环形器5的输出端一端连接传感光纤，另一端连接偏振分束器6，偏振分束器6的第一输出端和第一光接收模块7的输入端相连，第二输出端和第二光接收模块8输入端相连。两个光接收模块的输出端和双通道AD采集器9的输入端相连，双通道AD采集器9的输出端和振动信号分析处理系统10的输入端相连。

在远程分布式光纤振动传感器的两段传感光纤连接处嵌入由光无源模块14、光纤环形器13、光隔离器12及2×2光纤耦合器11、泵浦激光光源15和电源18组成的远端光纤中继G。从分布式光纤振动传感系统的光纤环形器连接出来的前段传感光纤连接到2×2光纤耦合器11的输入端，2×2光纤耦合器11的第一输出端和光无源模块14的输入端相连，光无源模块14的输出端和光纤环形器13的输入端相连，光无源模块14的另一输入端与泵浦激光光源15的输出端相连，泵浦激光光源15的一端和电源18相连，光纤环形器13的公共输出端和后段传感光纤相连，反馈输出端和光纤隔离器12的输入端相连，光纤隔离器12的输出端和2×2光纤耦合器11的第二输出端相连。

窄线宽光源1输出的窄线宽连续光进入电光调制器2，在窄脉冲驱动器3的作用下调制成窄线宽脉冲光，窄线宽脉冲光经光放大器4放大后输出所需大功率窄脉冲光，大功率窄脉冲光经光纤环形器5注入到传感光纤中，在传感光纤中将产生后向散射光，包括瑞利散射光。相级联的N个远端光纤中继放大经前段传感光纤16损耗的光脉冲后通过光纤环形器5进入光纤偏振分束器6，经光纤偏振分束器6分离后得携带振动信号的X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光，自此便完成了携带振动信息光信号的提取工作；从光纤偏振分束器6分离出来的X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光再分别进入第一光接收模块7和第二光接收模块8进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作；此时信号已由光信号转换成电信号，分别由双通道AD采集器9进行模数转换，从而得到数字信号，再由振动信号分析处理系统10对数字信号进行信号处理分析得到整个防区的入侵振动信息。

为了实现分布式光纤振动传感器的超远程监测，本发明中传感光缆间增加了远端光纤中继G，远端光纤中继内的泵浦激光光源15输出泵浦光至光无源模块14，放大经前段传感光纤损耗的光脉冲，增强了注入后段传感光纤中的光脉冲功率，从而使后端传感光纤的自发后向散射光的强度受到中继放大，各传感光缆分段分时进行测量，采用光时域反射和干涉式测量方法，通过对多段传感光缆之间引入N个远端光纤中继进行级联，将嵌入光遥控中继放大器光模块的光缆与定位型分布式光纤振动传感技术融合在一起，从而实现定位型超远程分布式光纤振动传感器的N×L(L为每段传感光纤长度)超远程监测。

所述的窄线宽光源1是一种激光光源，本发明选用输出窄线宽连续光（≤3kHz）。

所述的电光调制器2是一种高速电光转换器，电光调制器经窄脉冲驱动电路驱动将输入窄线宽连续光调制输出所需窄脉冲光。

所述的窄脉冲驱动器3可为电光调制器2提供反馈偏压控制信号及驱动脉冲信号。

所述的光放大器4是一种光放大器件，增益30dB。

所述光纤环形器5包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与光放大器4的输出端相连，用于接收光放大器4放大后的光脉冲，其反馈端与传感光纤16相连，用于向传感光纤16中注入所述放大后的光脉冲，并接收在传感光纤16中产生的后向散射光，其输出端将接收到的后向散射光输出到1×2偏振分束器6。

所述远端光纤中继G包括一个输入端和一个输出端，它由光无源模块14、光纤环形器13、光隔离器12及2×2光纤耦合器11、泵浦激光光源15和电源18组成，它的作用是连接前后两段传感光缆，对前段光缆输出光脉冲进行放大输入于后段光纤，并将后段光纤的后向瑞利散射信号从输入端反馈输出回来，从而实现测量现场的全光纤特性。

远端光纤中继G中的光纤环形器13包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与光无源模块14的输出端相连，用于接收光无源模块14输出的光脉冲，其反馈端与后段传感光纤相连，用于向后段传感光纤注入所述光脉冲，并接收在传感光纤中产生的后向瑞利散射光，其输出端将接收到的后向散射光输出。

前段传感光纤16连接到2×2光纤耦合器11的输入端，2×2光纤耦合器11的输出端和光无源模块14的输入端相连，光无源模块的输出端和光纤环形器的输入端相连，光纤环形器的两个输出端一个和后段传感光纤相连，一个和光纤隔离器的输入端相连，光纤隔离器的输出端和2×2光纤耦合器的输入端相连。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (8)

1.一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器，包括光源、电光调制器、脉冲驱动器、光放大器、环形器、偏振分束器、采集器、信号分析处理系统，其特征在于：该传感器还包括远端光纤中继。

2.根据权利要求1所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器其特征在于：所述的环形器和远端光纤中继通过传感光纤相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述的远端光纤中继包括光无源模块、2×2光纤耦合器、光纤隔离器、光纤环形器，泵浦激光光源和电源。

4.根据权利要求3所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述的远端光纤中继内部，2×2光纤耦合器的第一输出端和光无源模块的输入端相连，光无源模块的输出端和光纤环形器的输入端相连，光无源模块的另一个输入端和泵浦激光光源的输出端相连，泵浦激光光源的一端和电源的输出端相连，光纤环形器的公共输出端和后段传感光纤相连，反馈输出端和光纤隔离器的输入端相连，光纤隔离器的输出端和2×2光纤耦合器的第二输出端相连。

5.根据权利要求1或2所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述的远端光纤中继嵌入多级传感光纤连接处，连接前后两段传感光纤。

6.根据权利要求1所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述的泵浦激光光源设置在远端光纤中继内部。

7.根据权利要求1所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器，其特征在于:可以在多段传感光纤间接入N个远端光纤中继，形成N级放大。

8.根据权利要求1所述的一种可增强长距离探测的分布式光纤振动传感器的振动传感方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（a）、窄线宽光源将窄线宽连续光输入到电光调制器；

（b）、电光调制器在窄脉冲调制器作用下将窄线宽连续光调制成窄线宽脉冲光，后输入到光放大器；

（c）、窄线宽脉冲光经光放大器放大后输出所需大功率窄脉冲光；

（d）、大功率窄脉冲光经光纤环形器注入到传感光纤中，在传感光纤中产生后向散射光，包括瑞利散射光，后向瑞利散射光通过相级联的N个远端光纤中继放大经前段传感光纤损耗的光脉冲，通过光纤环形器进入光纤偏振分束器；

（e）、后向散射光经光纤偏振分束器分离后得携带振动信号的X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光；

（f）、从光纤偏振分束器分离出来的X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光分别进入第一APD光接收模块和第二APD光接收模块进行光电转换；

（g）、X方向偏振瑞利散射光和Y方向偏振瑞利散射光由光信号转换成电信号后，分别由双通道AD采集器进行模数转换，从而得到数字信号；

（h）、振动信号分析处理系统对数字信号进行信号处理分析得到整个防区的入侵振动信息。