CN105547460B - 融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，包括窄脉冲激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、弱反射光栅阵列、传感光纤、脉冲信号发生器。本发明还公开了一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计的测量振动的方法。本发明采用融合弱反射光栅阵列的方式，提高系统的信噪比。采用双脉冲的探测方法解决光栅传感大都是只对光栅所在位置事件敏感的问题，使得本发明对传感光纤沿线所有事件都敏感。由于系统信噪比很高，本发明能够测量在传感光纤长度限制下的极限频率的高频振动，且能测量低至几赫兹的低频振动。

Description

融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法。

背景技术

相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的干涉信号的变化来实现对外界扰动的探测，它具有高灵敏度、分布式测量、传感距离长的优点。Φ-OTDR最早是由H.F.Taylor(Taylor H F,Lee C E.Apparatus and method for fiberoptic intrusion sensing[P].1993-.http://www.google.co.uk/patents/US5194847)在1993年提出的，它的基本结构与OTDR相似，唯一的不同是采用了窄线宽激光器作为光源，使得叠加的各散射中心的散射光相互干涉，形成抖动的背向散射光曲线。外界扰动会影响叠加的各散射光直接的相位差，从而导致出射的散射光曲线发生变化，探测这种变化可以实现对光纤沿线状态的监测。但是，背向瑞利散射光的幅值一般都很小，对于1us的入射脉冲，其背向瑞利散射光的功率比入射光功率约小-53dB，所以在传统Φ-OTDR中需要采用高灵敏度光电探测器、相干探测的方法或平均的数据处理方法等，这些方法会带来增加系统的复杂度、降低可探测的振动频率范围等一些缺点。

弱反射光栅(UWFBG)是一门新兴的技术。将一系列具有同样中心波长和反射率的弱反射光栅按照固定的间隔排列在传感光纤上，形成弱反射光栅阵列。当探测光脉冲经过弱反射光栅时，很小的一部分光功率被弱反射光栅阵列反射，形成清晰的高功率反射脉冲，同时剩余的光也能继续在传感光纤中实现长距离传播。X.Li、X.Wang等学者通过采用弱反射光栅实现了高消光比的准分布式光纤传感(X.Li,Q.Sun,D.Liu,R.Liang,J.Zhang,J.Wo,P.P.Shum,and D.Liu,"Simultaneous wavelength and frequency encodedmicrostructure based quasi-distributed temperature sensor,"Opt.Express 20,12076-12084(2012)；X.Wang,Z.Yan,F.Wang,Chengbo Mou,Z.Sun,X.Zhang,and L.Zhang,"SNR enhanced distributed vibration fiber sensing system employingpolarization-OTDR and ultra-weak FBGs,"IEEE Photonics Journal 7,680051(2015).)。虽然采用弱反射光栅阵列可以一定程度上解决背向瑞利散射光功率很小的问题，但是目前采用弱反射光栅阵列的传感方法中，系统大都只敏感于发生在布有弱反射光栅处的事件，这大大缩小了传感系统的空间上可传感范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法，本发明提出在采用弱反射光栅获得高信噪比的同时，采用双脉冲探测光信号，使得系统敏感于传感光纤上任意一点的事件，并实现高频率的振动测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明所述的一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，包括窄线宽激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、传感光纤、脉冲信号发生器和设置在传感光纤上的弱反射光栅阵列；其中，

窄线宽激光器，用于输出连续光至光调制器；

脉冲信号发生器，用于控制光调制器以及同步数据采集装置的数据采集；

光调制器，用于根据脉冲信号发生器的控制将连续光调制成探测双脉冲输出至环形器的第一端口；

环形器，用于将探测双脉冲由其第二端口注入传感光纤中，获得包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至雪崩探测器；

雪崩探测器，用于将包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号转换成电信号输出至数据采集装置；

数据采集装置，用于对电信号进行处理，获得传感光纤的扰动信息。

作为本发明所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优化方案，所述弱反射光栅阵列是刻制在传感光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的弱反射光栅组成，反射率为-55dB～-30dB，相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的，其中，L为传感光纤总长度，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔，表示向下取整。

作为本发明所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优化方案，所述探测双脉冲包含两个光脉冲，分别为前脉冲和后脉冲；设前后脉冲的时间间隔为τ，前脉冲和后脉冲的脉冲宽度相等，脉冲宽度其中，c为真空中光速，n_f为传感光纤折射率，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔。

作为本发明所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优化方案，所述光调制器可为电光调制器或者声光调制器。

基于一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计的测量振动的方法，包括以下步骤：

步骤一、将连续光调制成探测双脉冲，按照预设周期发射M次探测双脉冲至传感光纤中；

步骤二、探测双脉冲在刻有弱反射光栅阵列的传感光纤中产生背向返回信号，背向返回信号是包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号；M次探测获得M条背向返回信号曲线；

步骤三、将M条背向返回信号曲线按时间顺序排列，获得传感光纤上每一点对应的功率随时间变化的曲线，并对传感光纤上每一点对应的功率曲线进行傅里叶变换，获得频谱图，从而实现振动的定位和对振动频率的大范围测量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明采用融合弱反射光栅阵列的光纤作为传感光纤，所获得的信号具有很高的信噪比；本发明采用双脉冲作为探测光信号，解决了融合光纤光栅的传感系统大都只是“点敏感”的问题，实现了敏感于传感光纤任意一点的扰动；

(2)本发明在实现振动测量时，无需进行平均等数据处理，可以实现超高频率的振动测量，同时高质量的信号还可以实现较低频率(～3Hz)的测量；

(3)本发明测量系统装置结构简单且成本较低。

附图说明

图1是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计的示意图。

图2是本发明的相位光时域反射计中融合弱反射光栅阵列的传感光纤示意图。

图3是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计中所包含的探测双脉冲示意图。

图4是本发明中前后脉冲在相邻弱反射光栅上产生的反射脉冲发生干涉产生干涉脉冲现象的原理图；其中，(a)为前脉冲在弱反射光栅上产生第一反射脉冲的过程，(b)为第一、第二反射脉冲叠加传输。

图5是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计所测得的传感光纤沿线出射光功率图。

图6是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计所测得的传感光纤沿线的频谱图；其中，(a)为30Hz振动扰动下的频谱图，(b)为30Hz扰动下光纤沿线频谱图的局部放大图，(c)为9kHz振动扰动下的频谱图，(d)为9kHz扰动下光纤沿线频谱图的局部放大图。

附图标记解释为：1-窄线宽激光器，2-光调制器，3-环形器，4-数据采集装置，5-雪崩探测器，6-弱反射光栅，7-传感光纤，8-脉冲信号发生器，U1、U2、U3、U4、U5均为传感光纤沿线排列的弱反射光栅，P1-前脉冲，P2-后脉冲。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

参照图1，本发明的融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计，包括窄线宽激光器1，光调制器2，环形器3，数据采集装置4，雪崩探测器5，弱反射光栅阵列，传感光纤7，脉冲信号发生器8。所述窄线宽激光器1发出连续光经光调制器2被调制成探测光脉冲，此探测光脉冲包含前后两个光脉冲，如图3所示，称为探测双脉冲，探测双脉冲由环形器3的A端口进入传感光纤7，传感光纤沿线布满弱反射光栅阵列，弱反射光栅阵列是刻制在传感光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的弱反射光栅6组成，反射率为-55dB～-30dB，相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的，其中，L为传感光纤总长度，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔，表示向下取整。探测双脉冲在传感光纤中传输，在没有弱反射光栅的区域，将发生瑞利散射；在弱反射光栅区域将会产生反射，形成反射脉冲，前后脉冲在相邻弱反射光栅上产生的反射脉冲在空间上将产生交叠，发生干涉，产生干涉脉冲，背向返回信号为包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号，背向返回信号传播至环形器3的B端口，由环形器3的C端口输出，被雪崩探测器5探测转换成电信号，电信号被数据采集装置4获得，经过数据处理确定当前传感光纤的扰动信息。脉冲信号发生器8用于控制光调制器产生符合条件的探测双脉冲，并且用来同步数据采集装置4的数据采集。

本发明的融合弱反射光栅阵列的传感光纤如图2所示，传感光纤长4.5km，沿线按照固定的距离间隔排布若干个弱反射光栅，相邻弱反射光栅之间的距离间隔为ΔL＝50m，光栅个数为N＝88。

本发明的所产生的探测双脉冲如图3所示，包含两个光脉冲，分别为前脉冲P1和后脉冲P2，前后两个光脉冲幅值相等。前后脉冲的时间间隔为τ＝500ns，前后脉冲的脉冲宽度相等，脉冲宽度t_p＝300ns。

本发明中所产生的背向返回信号是一条包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光曲线，其中干涉脉冲的功率远高于背向瑞利散射信号，干涉脉冲是用于检测扰动的主要探测信号，具有高信噪比，易于探测和实现远距离。对背向返回信号上各点的确定方法为：在t＝0时刻从光纤一端发射光脉冲，从0时刻开始，脉冲光发射端将接收到一系列的返回信号，测定任意一点对应的返回信号与入射光脉冲发送时刻之间的时间间隔Δt，根据公式z＝ct/(2n_f)确定该点与脉冲光发射端之间的距离z。

本发明中，前后脉冲在相邻弱反射光栅上产生的反射脉冲发生干涉产生干涉脉冲现象的原理图如图4所示。任取弱反射光栅阵列中连续的三个弱反射光栅，分别UWFBG₁、UWFBG₂、UWFBG₃；任取一个时刻t₀，假设此时探测双脉冲的前脉冲正好经过UWFBG₃，则前脉冲在UWFBG₃上产生一个反射脉冲，如图4中的(a)中虚线脉冲所示，称为第一反射脉冲；前后脉冲的时间间隔为τ，前脉冲和后脉冲的脉冲宽度相等，脉冲宽度其中，c为真空中光速，n_f为传感光纤折射率，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔；下一时刻t₀+τ/2，后脉冲正好经过UWFBG₂，后脉冲也在UWFBG₂上产生一个反射脉冲，并往回传输，如图4中的(b)中点化线脉冲所示，称为第二反射脉冲；而此时如图4中的(b)所示，第一反射脉冲也正好传输至此处，与第二反射脉冲在时间上发生重叠，一起组成探测信号，往回传输。由于本发明中产生的激光器为窄线宽激光器，所以两个反射脉冲会发生干涉。

假设发生干涉的两个反射脉冲的琼斯矢量分别为

采用琼斯矢量表达方式是考虑到发生干涉的两个反射脉冲来自于两个不同的弱反射光栅和光脉冲，可能具有不同的功率和偏振态。式中，δφ表示两个反射光脉冲之间的相位差，A₁为第一反射脉冲的电场幅度，E₁为第一反射脉冲的电场矢量，p_1x表示第一反射脉冲x方向的功率比例，φ₁表示第一反射脉冲的两个正交模的相位差，A₂为第二反射脉冲的电场幅度，E₂为第二反射脉冲的电场矢量，p_2x表示第二反射脉冲x方向的功率比例，φ₂表示第二反射脉冲的两个正交模的相位差，i为虚数单位。

当第一、第二反射脉冲交叠在一起，发生干涉时，出射的干涉脉冲功率可以表示为

其中，标志表示共轭。将第一、第二脉冲的表达式代入时，可以得到干涉脉冲功率如式(3)所示。

式中，λ为入射光波长，n_f为传感光纤折射率，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔。

图5是本发明的融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计测得的传感光纤沿线出射光功率图。传感光纤长度约为4500m，光纤上遍布约88个弱反射光栅，每个光栅之间间隔ΔL＝50m，入射探测光脉冲宽度t_p＝300ns，脉冲间隔τ＝500ns。图中横坐标表示光纤沿线的点，纵坐标表示每个点的返回光功率幅值，曲线上包含89个脉冲信号，第一个和最后一个脉冲信号分别是由前脉冲在第一个弱反射光栅、后脉冲在最后一个弱反射光栅上形成的反射脉冲，对传感光纤上的振动不敏感；而中间87个为由双脉冲依次在相邻弱反射光栅上的反射脉冲相干形成的干涉脉冲，敏感于传感光纤沿线的振动。每个干涉脉冲的宽度在时域上为300ns，与理论一致。弱反射光栅的反射率约为-40dB，此时干涉脉冲相比背向瑞利散射信号约高出18dB，具有较高的信噪比。

本发明中，当传感光纤上出现动态扰动时，考虑到弱反射光栅的长度比较短，所以动态扰动一般被认为出现在两个弱反射光栅之间。受到电光效应、泊松效应和应变的影响，光纤的折射率n_f和光纤长度ΔL将发生变化，所以两个反射脉冲的相位差δφ将发生变化，导致干涉脉冲功率I发生变化。通过探测输出光功率的变化，可以实现对动态扰动的测量。由于本系统具有较高的信噪比，不需要对背向返回信号进行平均，所以本系统对振动的高频响应接近于由奈奎斯特定理决定的最高频率c/4nL；同时由于低频噪声很小，也可以实现较低频率(～3Hz)的测量。

测量中，按照固定的周期发射M＝2000次探测双脉冲进入传感光纤，获得2000条背向返回信号。数据采集装置的采样率为500MSa/s，因此相邻两个采样点间对应的光纤长度为0.203m。将2000条曲线按时间顺序排列，获得光纤上每一点对应的功率随时间变化的曲线。对光纤上的每一点，对其功率曲线进行傅里叶变换，获得每一点的频谱图。干涉脉冲区域的频谱为所关心的探测信号频谱。当两个弱反射光栅之间未受振动时，这两个弱反射光栅产生的干涉脉冲对应的频谱图上各频率的功率近似相等；而当两个弱反射光栅之间有光纤受到振动时，这两个弱反射光栅产生的干涉脉冲对应的频谱图上将出现功率值较大的尖峰，从而实现对振动的定位，而功率谱上尖峰对应的频率即为振动频率，从而实现了对振动频率的测量。从以上的阐述中也可以看出，本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计对光纤任意位置出现的振动均敏感，并可将振动定位到与其相邻的两个光栅之间，因此定位精度等于光栅间隔。

探测信号的质量可以用可见度V表示，在本发明系统中，干涉脉冲功率为主要探测信号。而干涉脉冲的极值由两个反射脉冲之间的相位差决定，所以可见度可以表示为式(4)。

当光纤未受到扭转和外加场作用时，几十米内正交模之间的能量耦合是非常小的，几乎可以忽略，所以可以认为p_1x≈p_2x。由此可见，反射脉冲的偏振态对探测信号的影响可以忽略，而第一反射脉冲和第二反射脉冲的幅度是影响探测信号的主要因素。虽然方案中对探测双脉冲前后脉冲的幅值比没有具体要求，但是由可见度的表达式可知，当忽略弱反射光栅反射率的轻微差距时，前后脉冲的幅值比为1:1时，方案的可见度最高。

所述融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计，当传感光纤沿线受到振动扰动时，其背向返回信号的频谱图将在扰动点处产生峰值。图6是施加振动下测得的传感光纤沿线的频谱图。我们在3.93km和3.98km处即连续的两个光栅间隔内采用压电陶瓷施加了两个振动，在第一次测量中，将压电陶瓷的振动频率设置为30Hz，第二次测量中将压电陶瓷的频率设置为9kHz。图6中的(b)、图6中的(d)分别是对图6中的(a)、图6中的(c)中的虚线框内的局部图像的放大，其中图6中的(a)、图6中的(b)是第一次测量结果，图6中的(c)、图6中的(d)是第二次测量结果。图6中的(a)、图6中的(b)中显示频谱图分别在3.95km和4km处有两个峰值，其对应的频率均为30Hz，而图6中的(c)、图6中的(d)中也显示频谱图分别在3.95km和4km处有两个峰值，其对应的频率均为9kHz。测量结果与实验设置一致，显示本发明较好的实现了对较低频率和超高频率的振动测量。图6中的(b)中显示频谱信号从3Hz起变得很平坦，不再受噪声影响，所以本系统至少可以响应低至3Hz的低频振动。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，其特征在于，包括窄线宽激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、传感光纤、脉冲信号发生器和设置在传感光纤上的弱反射光栅阵列；其中，

窄线宽激光器，用于输出连续光至光调制器；

脉冲信号发生器，用于控制光调制器以及同步数据采集装置的数据采集；

光调制器，用于根据脉冲信号发生器的控制将连续光调制成探测双脉冲输出至环形器的第一端口；

环形器，用于将探测双脉冲由其第二端口注入传感光纤中，获得包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至雪崩探测器；

雪崩探测器，用于将包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号转换成电信号输出至数据采集装置；

数据采集装置，用于对电信号进行处理，获得传感光纤的扰动信息；

所述探测双脉冲包含两个光脉冲，分别为前脉冲和后脉冲；设前后脉冲的时间间隔为τ，前脉冲和后脉冲的脉冲宽度相等，脉冲宽度其中，c为真空中光速，n_f为传感光纤折射率，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔。

2.根据权利要求1所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述弱反射光栅阵列是刻制在传感光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的弱反射光栅组成，反射率为-55dB～-30dB，相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的，其中，L为传感光纤总长度，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔，表示向下取整。

3.根据权利要求1所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述光调制器可为电光调制器或者声光调制器。

4.基于权利要求1所述的一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计的测量振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将连续光调制成探测双脉冲，按照预设周期发射M次探测双脉冲至传感光纤中；

步骤二、探测双脉冲在刻有弱反射光栅阵列的传感光纤中产生背向返回信号，背向返回信号是包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号；M次探测获得M条背向返回信号曲线；

步骤三、将M条背向返回信号曲线按时间顺序排列，获得传感光纤上每一点对应的功率随时间变化的曲线，并对传感光纤上每一点对应的功率曲线进行傅里叶变换，获得频谱图，从而实现振动的定位和对振动频率的大范围测量。