CN104697558A - 光纤分布式多参量传感测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感技术，具体是一种光纤分布式多参量传感测量系统。本发明解决了现有分布式光纤传感器无法监测传感光纤的振动信息的问题。光纤分布式多参量传感测量系统，包括超窄线宽高功率光纤激光器、第一1*2光耦合器、单边带载波抑制调制器、第二1*2光耦合器、第三1*2光耦合器、电光调制器、第一2*1光耦合器、扰偏器、集成波分复用器、传感光纤、全光纤窄带低噪布里渊频移器、窄带光纤光栅透射滤波器、第二2*1光耦合器、第三2*1光耦合器、第一低带宽高增益光电探测器、第二低带宽高增益光电探测器、数据采集处理系统。本发明适用于各种测量领域。

Description

光纤分布式多参量传感测量系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术，具体是一种光纤分布式多参量传感测量系统。

背景技术

分布式光纤传感技术是指同时利用光纤作为传感元件和传输元件，可以实现整个光纤长度上不同位置的温度和应变的测量的技术。与其它光纤传感技术相比，分布式光纤传感技术具有无可比拟的优势，其已成为目前国内外研究的热点之一。目前，基于分布式光纤传感技术，已发展出多种形式的分布式光纤传感器，其中应用最广泛的是分布式光纤拉曼光子传感器和分布式光纤布里渊光子传感器。然而，现有分布式光纤传感器由于自身结构所限，仅能够测量传感光纤的温度信息和应变信息，而无法测量传感光纤的振动信息，由此导致其适用性差。举例而言，针对石油、天然气管道以及大型建筑的结构健康监测，不仅需要知道其温度信息和应变信息，还需要掌握其振动信息，因为在石油、天然气管道以及大型建筑的安全防范中，人的挖掘、盗窃、入侵等行为以及地震等自然灾害都会引起传感光纤的振动。此时，若无法测量传感光纤的振动信息，则无法及时查明振动事件的发生地点，由此不仅无法防止人为因素引起的损坏，而且无法对突发自然灾害起到预警作用。基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤传感器，以解决现有分布式光纤传感器无法监测传感光纤的振动信息的问题。

发明内容

本发明为了解决现有分布式光纤传感器无法监测传感光纤的振动信息的问题，提供了一种光纤分布式多参量传感测量系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：光纤分布式多参量传感测量系统，包括超窄线宽高功率光纤激光器、第一1*2光耦合器、单边带载波抑制调制器、第二1*2光耦合器、第三1*2光耦合器、电光调制器、第一2*1光耦合器、扰偏器、集成波分复用器、传感光纤、全光纤窄带低噪布里渊频移器、窄带光纤光栅透射滤波器、第二2*1光耦合器、第三2*1光耦合器、第一低带宽高增益光电探测器、第二低带宽高增益光电探测器、数据采集处理系统；

其中，超窄线宽高功率光纤激光器的输出端与第一1*2光耦合器的输入端连接；第一1*2光耦合器的第一个输出端与单边带载波抑制调制器的输入端连接；单边带载波抑制调制器的输出端与第二1*2光耦合器的输入端连接；第二1*2光耦合器的第一个输出端与第一2*1光耦合器的第一个输入端连接；第一2*1光耦合器的输出端与扰偏器的输入端连接；扰偏器的输出端与集成波分复用器的输入端连接；集成波分复用器的公共端与传感光纤连接；

第一1*2光耦合器的第二个输出端与第三1*2光耦合器的输入端连接；第三1*2光耦合器的第一个输出端与电光调制器的输入端连接；电光调制器的输出端与第一2*1光耦合器的第二个输入端连接；

第二1*2光耦合器的第二个输出端与第二2*1光耦合器的第一个输入端连接；第二2*1光耦合器的输出端与第一低带宽高增益光电探测器的输入端连接；第一低带宽高增益光电探测器的输出端与数据采集处理系统的第一个输入端连接；

第三1*2光耦合器的第二个输出端与全光纤窄带低噪布里渊频移器的输入端连接；全光纤窄带低噪布里渊频移器的输出端与窄带光纤光栅透射滤波器的输入端连接；窄带光纤光栅透射滤波器的输出端与第三2*1光耦合器的第一个输入端连接；第三2*1光耦合器的输出端与第二低带宽高增益光电探测器的输入端连接；第二低带宽高增益光电探测器的输出端与数据采集处理系统的第二个输入端连接；

集成波分复用器的第一个输出端与第二2*1光耦合器的第二个输入端连接；集成波分复用器的第二个输出端与第三2*1光耦合器的第二个输入端连接。

具体工作过程如下：超窄线宽高功率光纤激光器发出的超窄线宽激光经第一1*2光耦合器分为两路：第一路是30%的超窄线宽激光，第二路是70%的超窄线宽激光。第一路超窄线宽激光经单边带载波抑制调制器调制成中心频率线性扫频的激光，之后经第二1*2光耦合器分为探测光和参考光。探测光依次经第一2*1光耦合器、扰偏器、集成波分复用器进入传感光纤，并在传感光纤中产生后向散射光，该后向散射光经集成波分复用器进入第二2*1光耦合器，而参考光进入第二2*1光耦合器，并与后向散射光在第二2*1光耦合器中发生拍频干涉，所产生的干涉信号经第一低带宽高增益光电探测器进入数据采集处理系统，并经数据采集处理系统进行分段互相关处理。此时，通过观察互相关处理结果的形状，即可获得传感光纤的振动信息。通过观察该干涉信号的频谱，即可高精度地定位传感光纤中的损耗和反射点。第二路超窄线宽激光经第三1*2光耦合器分为探测光和参考光。探测光经电光调制器调制成脉冲光，该脉冲光依次经第一2*1光耦合器、扰偏器、集成波分复用器进入传感光纤，并在传感光纤中产生后向散射光，该后向散射光经集成波分复用器进入第三2*1光耦合器。参考光进入全光纤窄带低噪布里渊频移器，并依次经全光纤窄带低噪布里渊频移器、窄带光纤光栅透射滤波器进行布里渊频移、滤波，然后进入第三2*1光耦合器，并与后向散射光在第三2*1光耦合器中发生拍频干涉，所产生的干涉信号经第二低带宽高增益光电探测器进入数据采集处理系统。此时，通过测量该干涉信号的频移量和强度变化，即可获得传感光纤的温度信息和应变信息。

基于上述过程，与现有分布式光纤传感器相比，本发明所述的光纤分布式多参量传感测量系统具有如下优点：其一，本发明所述的光纤分布式多参量传感测量系统不仅能够测量传感光纤的温度信息和应变信息，而且能够测量传感光纤的振动信息，同时还能够高精度地定位传感光纤中的损耗和反射点，由此大幅增强了其适用性。因此，针对石油、天然气管道以及大型建筑的结构健康监测，本发明所述的光纤分布式多参量传感测量系统能够及时查明振动事件的发生地点，由此不仅能够防止人为因素引起的损坏，而且能够对突发自然灾害起到预警作用。其二，本发明所述的光纤分布式多参量传感测量系统通过采用单边带载波抑制调制器，实现了光源的线性扫频，保持了超窄线宽激光的相干性，确保了测量振动信息时的量程可以达到30km。其三，本发明所述的光纤分布式多参量传感测量系统通过采用全光纤窄带低噪布里渊频移器，不仅将待测布里渊频移从11GHz左右搬移到MHz量级，避免了高带宽对光电探测器及数据采集处理系统的要求，而且提高了系统的探测精度，降低了探测噪声。其四，本发明所述的光纤分布式多参量传感测量系统通过采用低带宽高增益光电探测器，一方面滤去了不必要的高频噪声，另一方面更大地放大了布里渊信号，减少了数据处理所需的时间，有利于实时在线监测的进行。

本发明有效解决了现有分布式光纤传感器无法监测传感光纤的振动信息的问题，适用于各种测量领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的全光纤窄带低噪布里渊频移器的结构示意图。

图中：1-超窄线宽高功率光纤激光器，2-第一1*2光耦合器，3-单边带载波抑制调制器，4-第二1*2光耦合器，5-第三1*2光耦合器，6-电光调制器，7-第一2*1光耦合器，8-扰偏器，9-集成波分复用器，10-传感光纤，11-全光纤窄带低噪布里渊频移器，12-窄带光纤光栅透射滤波器，13-第二2*1光耦合器，14-第三2*1光耦合器，15-第一低带宽高增益光电探测器，16-第二低带宽高增益光电探测器，17-数据采集处理系统，18-光环形器，19-偏振控制器，20-单模光纤卷，21-压电陶瓷，22-第四1*2光耦合器，23-光隔离器，24-恒温箱。

具体实施方式

光纤分布式多参量传感测量系统，包括超窄线宽高功率光纤激光器1、第一1*2光耦合器2、单边带载波抑制调制器3、第二1*2光耦合器4、第三1*2光耦合器5、电光调制器6、第一2*1光耦合器7、扰偏器8、集成波分复用器9、传感光纤10、全光纤窄带低噪布里渊频移器11、窄带光纤光栅透射滤波器12、第二2*1光耦合器13、第三2*1光耦合器14、第一低带宽高增益光电探测器15、第二低带宽高增益光电探测器16、数据采集处理系统17；

其中，超窄线宽高功率光纤激光器1的输出端与第一1*2光耦合器2的输入端连接；第一1*2光耦合器2的第一个输出端与单边带载波抑制调制器3的输入端连接；单边带载波抑制调制器3的输出端与第二1*2光耦合器4的输入端连接；第二1*2光耦合器4的第一个输出端与第一2*1光耦合器7的第一个输入端连接；第一2*1光耦合器7的输出端与扰偏器8的输入端连接；扰偏器8的输出端与集成波分复用器9的输入端连接；集成波分复用器9的公共端与传感光纤10连接；

第一1*2光耦合器2的第二个输出端与第三1*2光耦合器5的输入端连接；第三1*2光耦合器5的第一个输出端与电光调制器6的输入端连接；电光调制器6的输出端与第一2*1光耦合器7的第二个输入端连接；

第二1*2光耦合器4的第二个输出端与第二2*1光耦合器13的第一个输入端连接；第二2*1光耦合器13的输出端与第一低带宽高增益光电探测器15的输入端连接；第一低带宽高增益光电探测器15的输出端与数据采集处理系统17的第一个输入端连接；

第三1*2光耦合器5的第二个输出端与全光纤窄带低噪布里渊频移器11的输入端连接；全光纤窄带低噪布里渊频移器11的输出端与窄带光纤光栅透射滤波器12的输入端连接；窄带光纤光栅透射滤波器12的输出端与第三2*1光耦合器14的第一个输入端连接；第三2*1光耦合器14的输出端与第二低带宽高增益光电探测器16的输入端连接；第二低带宽高增益光电探测器16的输出端与数据采集处理系统17的第二个输入端连接；

集成波分复用器9的第一个输出端与第二2*1光耦合器13的第二个输入端连接；集成波分复用器9的第二个输出端与第三2*1光耦合器14的第二个输入端连接。

所述全光纤窄带低噪布里渊频移器11包括光环形器18、偏振控制器19、单模光纤卷20、压电陶瓷21、第四1*2光耦合器22、光隔离器23、恒温箱24；光环形器18的输入端作为全光纤窄带低噪布里渊频移器11的输入端；光环形器18的公共端与偏振控制器19连接；偏振控制器19与单模光纤卷20连接；光环形器18的输出端与光隔离器23的输入端连接；光隔离器23的输出端与第四1*2光耦合器22的输入端连接；第四1*2光耦合器22的第一个输出端与压电陶瓷21的输入端连接；压电陶瓷21的输出端与单模光纤卷20连接；第四1*2光耦合器22的第二个输出端作为全光纤窄带低噪布里渊频移器11的输出端；光环形器18、偏振控制器19、单模光纤卷20、压电陶瓷21、第四1*2光耦合器22、光隔离器23均位于恒温箱24的内腔。具体工作过程如下：参考光依次经光环形器、偏振控制器进入单模光纤卷，并在单模光纤卷中产生后向散射光，该后向散射光依次经偏振控制器、光环形器、光隔离器、第四1*2光耦合器、压电陶瓷片进入单模光纤卷，全光纤窄带低噪布里渊频移器由此形成一个环形腔。当参考光的功率达到一定程度后，该后向散射光在环形腔中形成强受激布里渊散射，由此进行布里渊频移。在此过程中，恒温箱的内腔温度恒定保持为0℃，以确保所进行的布里渊频移为0℃时的频移。

具体实施时，所述超窄线宽高功率光纤激光器1的中心波长为1550nm，线宽为-3dB，频率为5KHz，输出功率为10-500mW；所述单边带载波抑制调制器3的调制范围为0-20GHz，输出光为载波的+1阶边带；所述电光调制器6的最大调制速率＞1GHz，脉冲调制消光比＞40dB；所述扰偏器8的扰偏速率≥700KHz，输出光偏振度＜5%；所述集成波分复用器9的输入端的中心波长为1550nm，输入端的带宽为10nm，公共端的中心波长为1550nm，公共端的带宽为10nm，第一个输出端的中心波长为1549.85nm，第一个输出端的带宽为0.1nm，第二个输出端的中心波长为1550.08nm，第二个输出端的带宽为0.1nm；所述窄带光纤光栅透射滤波器12的中心波长为1550.08nm，光谱宽度为0.1nm，损耗＜0.3dB，隔离度＞35dB；所述第一低带宽高增益光电探测器15的带宽为100MHz，增益＞104；所述第二低带宽高增益光电探测器16的带宽为100MHz，增益＞104；所述数据采集处理系统17采用NI PCI-5152双通道信号处理卡。

Claims (3)

1.一种光纤分布式多参量传感测量系统，其特征在于：包括超窄线宽高功率光纤激光器（1）、第一1*2光耦合器（2）、单边带载波抑制调制器（3）、第二1*2光耦合器（4）、第三1*2光耦合器（5）、电光调制器（6）、第一2*1光耦合器（7）、扰偏器（8）、集成波分复用器（9）、传感光纤（10）、全光纤窄带低噪布里渊频移器（11）、窄带光纤光栅透射滤波器（12）、第二2*1光耦合器（13）、第三2*1光耦合器（14）、第一低带宽高增益光电探测器（15）、第二低带宽高增益光电探测器（16）、数据采集处理系统（17）；

其中，超窄线宽高功率光纤激光器（1）的输出端与第一1*2光耦合器（2）的输入端连接；第一1*2光耦合器（2）的第一个输出端与单边带载波抑制调制器（3）的输入端连接；单边带载波抑制调制器（3）的输出端与第二1*2光耦合器（4）的输入端连接；第二1*2光耦合器（4）的第一个输出端与第一2*1光耦合器（7）的第一个输入端连接；第一2*1光耦合器（7）的输出端与扰偏器（8）的输入端连接；扰偏器（8）的输出端与集成波分复用器（9）的输入端连接；集成波分复用器（9）的公共端与传感光纤（10）连接；

第一1*2光耦合器（2）的第二个输出端与第三1*2光耦合器（5）的输入端连接；第三1*2光耦合器（5）的第一个输出端与电光调制器（6）的输入端连接；电光调制器（6）的输出端与第一2*1光耦合器（7）的第二个输入端连接；

第二1*2光耦合器（4）的第二个输出端与第二2*1光耦合器（13）的第一个输入端连接；第二2*1光耦合器（13）的输出端与第一低带宽高增益光电探测器（15）的输入端连接；第一低带宽高增益光电探测器（15）的输出端与数据采集处理系统（17）的第一个输入端连接；

第三1*2光耦合器（5）的第二个输出端与全光纤窄带低噪布里渊频移器（11）的输入端连接；全光纤窄带低噪布里渊频移器（11）的输出端与窄带光纤光栅透射滤波器（12）的输入端连接；窄带光纤光栅透射滤波器（12）的输出端与第三2*1光耦合器（14）的第一个输入端连接；第三2*1光耦合器（14）的输出端与第二低带宽高增益光电探测器（16）的输入端连接；第二低带宽高增益光电探测器（16）的输出端与数据采集处理系统（17）的第二个输入端连接；

集成波分复用器（9）的第一个输出端与第二2*1光耦合器（13）的第二个输入端连接；集成波分复用器（9）的第二个输出端与第三2*1光耦合器（14）的第二个输入端连接。

2.根据权利要求1所述的光纤分布式多参量传感测量系统，其特征在于：所述全光纤窄带低噪布里渊频移器（11）包括光环形器（18）、偏振控制器（19）、单模光纤卷（20）、压电陶瓷（21）、第四1*2光耦合器（22）、光隔离器（23）、恒温箱（24）；光环形器（18）的输入端作为全光纤窄带低噪布里渊频移器（11）的输入端；光环形器（18）的公共端与偏振控制器（19）连接；偏振控制器（19）与单模光纤卷（20）连接；光环形器（18）的输出端与光隔离器（23）的输入端连接；光隔离器（23）的输出端与第四1*2光耦合器（22）的输入端连接；第四1*2光耦合器（22）的第一个输出端与压电陶瓷（21）的输入端连接；压电陶瓷（21）的输出端与单模光纤卷（20）连接；第四1*2光耦合器（22）的第二个输出端作为全光纤窄带低噪布里渊频移器（11）的输出端；光环形器（18）、偏振控制器（19）、单模光纤卷（20）、压电陶瓷（21）、第四1*2光耦合器（22）、光隔离器（23）均位于恒温箱（24）的内腔。

3.根据权利要求1所述的光纤分布式多参量传感测量系统，其特征在于：所述超窄线宽高功率光纤激光器（1）的中心波长为1550nm，线宽为-3dB，频率为5KHz，输出功率为10-500mW；所述单边带载波抑制调制器（3）的调制范围为0-20GHz，输出光为载波的+1阶边带；所述电光调制器（6）的最大调制速率＞1GHz，脉冲调制消光比＞40dB；所述扰偏器（8）的扰偏速率≥700KHz，输出光偏振度＜5%；所述集成波分复用器（9）的输入端的中心波长为1550nm，输入端的带宽为10nm，公共端的中心波长为1550nm，公共端的带宽为10nm，第一个输出端的中心波长为1549.85nm，第一个输出端的带宽为0.1nm，第二个输出端的中心波长为1550.08nm，第二个输出端的带宽为0.1nm；所述窄带光纤光栅透射滤波器（12）的中心波长为1550.08nm，光谱宽度为0.1nm，损耗＜0.3dB，隔离度＞35dB；所述第一低带宽高增益光电探测器（15）的带宽为100MHz，增益＞104；所述第二低带宽高增益光电探测器（16）的带宽为100MHz，增益＞104；所述数据采集处理系统（17）采用NI PCI-5152双通道信号处理卡。