CN105783952A - 反射点阵光纤相位敏感otdr传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射点阵光纤相位敏感OTDR传感系统及方法，其中系统包括光脉冲发生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口与光纤耦合器的一个端口连接；该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和第二光电探测器。本发明降低了系统对光源的要求以及提高了系统的信噪比和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种反射点阵光纤传感系统及方法。
背景技术
1993年，H.F.Taylor提出基于振动传感技术，采用极窄线宽激光器光源，通过检测光纤瑞利散射光的干涉作用引起的光功率的波动来感知振动信息，实现动态应变的监测获得3.3dB信噪比，空间分辨率为400m，1998年Shztalin等使用半导体脉冲激光器作为光源利用中由温度变化引起的光相位变化，在21m长的单模光纤上实现0.7m的分辨率。谢孔利等提出基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的分布式光纤传感系统，激光器输出功率为50mW，线宽不小于3kHz，该系统只使用一级放大,降低了自发辐射噪声，有效提高信噪比至12dB。具有灵敏度高、响应速度快、实时性好和全分布式的特点，与传统振动传感器相比它具有更广阔的应用空间例如安防、输油管道泄漏预警及大型建筑物的结构监测等。
传统的因其优良的综合性能成为了目前最主要的入侵和振动分布式传感监控方法之一，但其系统中对于光源要求比较高，为增强系统的空间分辨率以及灵敏度，光源必须具有窄线宽特性且需要有低频率漂移特性，然而极窄线宽降低了检测光的光强使得后向散射曲线发生湮灭，从而在长距离传感中，采用大功率超窄线宽单模光纤激光器作为光源，但是大功率的光源会引起布里渊散射以及拉曼散射等非线性效应。
瑞利散射光的频率与入射波长一致，散射光比入射光弱60dB以上，故而传统系统中进行干涉的瑞利散射信号强度很弱，同时受到系统激光相位噪声、光偏振以及探测点噪声的影响，引起瑞利散射的随机波动，从而降低了系统的信噪比。
发明内容
本发明的目的在于降低系统对光源的要求以及提高系统的信噪比和传感灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供一种反射点阵光纤传感系统，包括光脉冲发生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口与光纤耦合器的一个端口连接；
该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；
该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器并联在光纤耦合器、数据采集与控制卡之间，射频信号源连接在调制光脉冲发生器器、数据采集与控制卡之间。
本发明所述的反射点阵光纤传感系统中，所述光脉冲发生器包括脉冲激光光源，通过该脉冲激光光源直接产生光脉冲；或者所述光脉冲发生器包括激光光源以及光开关或声光调制器，或者电光调制器，激光光源发出的光通过调制形成光脉冲。
本发明所述的反射点阵光纤传感系统中，所述反射点阵列包括多个串联折射率突变点和光纤段，其中折射率突变点和光纤段交替排列。
本发明所述的反射点阵光纤传感系统中，多个折射率突变点的反射谱交叠。
本发明所述的反射点阵光纤传感系统中，光纤段的长度相等。
本发明所述的反射点阵光纤传感系统中，所述延时器为延时光纤，且延时光纤的长度与所述光纤段的长度相同。
本发明所述的反射点阵光纤传感系统中，所述折射率突变点为布拉格光栅，或者为啁啾光栅，或者为由激光照射光纤所形成的折射率突变点。
本发明还提供了一种反射点阵光纤传感方法，该方法包括以下步骤：
光脉冲发生器发出光脉冲光脉冲进入到环形器的第一端口，环形器的第二端口出射的光脉冲进入反射点阵列，该反射点整列包括多个反射点；
由第一反射点反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过光纤耦合器的第一端口输入，从第五端口输出通过延时器并由第一法拉第旋转镜反射；
由第二反射点反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过光纤耦合器的第一端口输入，从第四端口输出后通过第二法拉第旋转镜反射；
经两个法拉第旋转镜反射后的两束光脉冲在光纤耦合器处发生干涉，产生第一光时域反射干涉信号，第一光时域反射干涉信号由耦合器的第二、三端口分别进入两路光电探测器变为电信号输出；
当第一反射点与第二反射点之间的光纤段受到振动时，第一干涉信号经过第一光电探测器和第二光电探测器分别输出给数据采集与控制卡进行解调；
光脉冲进入反射点阵列的其他反射点后会重复以上过程，产生相应的干涉信号，由于多个干涉信号的接收时间不一样，因此分别测到不同相邻反射点之间的光脉冲所产生的干涉信号,以依次解调出不同光纤段上所受到的外界振动。
本发明产生的有益效果是：本发明利用反射点阵代替瑞利散射，将其所反射的光脉冲作为探测信号，相对于传统的系统中进行干涉的瑞利散射光信号，光强增加了3个数量级以上，降低了系统中随机噪声以及光偏振涨落所带来的影响，而且光路中无需采用放大系统对信号进行放大从而避免了放大系统所引起的系统噪声，从而提高了系统的信噪比以及传感灵敏度，本发明采用常见的激光器作为光源降低了对激光器具有极窄线宽和较小频率漂移的要求，降低了系统成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例反射点阵光纤传感系统的结构示意图。
图中：1-激光光源，2-调制器，3-环形器，3.1-环形器第一端口，3.2-环形器第二端口，3.3-环形器第三端口4-反射点阵列，5-光纤耦合器,5.1-光纤耦合器第一端口，5.2-光纤耦合器第二端口，5.3-光纤耦合器第三端口，5.4-光纤耦合器第四端口，5.5-光纤耦合器第五端口，6-第一法拉第旋转镜，7-光纤延时线，8-第二法拉第旋转镜，9-第一光电探测器，9.1-第一光电探测器光输入口，9.2-第一光电探测器电输出口，10-第二光电探测器，10.1-第二光电探测器光输入口，10.2-第二光电探测器电输出口，11-数据采集与控制卡，11.1-数据采集与控制卡第一输入口，11.2-数据采集与控制卡第二输入口，11.3-数据采集与控制卡的控制口，12-射频信号源，12.1-射频信号源信号输出口，12.2-射频信号源控制端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例反射点阵光纤传感系统，包括光脉冲发生器(包括激光光源1和调制器2)、环形器3、光纤耦合器5和反射点阵列4，调制器2与激光光源1连接，环形器3的第一端口与调制器2的输出端连接，环形器3的第二端口与反射点阵列4连接；环形器3的第三端口与光纤耦合器5的一个端口连接。
为避免光信号偏振衰落的问题，该传感系统还采用第一法拉第旋转镜6和第二法拉第旋转镜8，均与光纤耦合器5连接，且第二法拉第旋转镜8与光纤耦合器5之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器5处发生干涉。
该传感系统还包括数据采集与控制卡11、射频信号源12、第一光电探测器9和第二光电探测器10；第一光电探测器9和第二光电探测器10并联在光纤耦合器5、数据采集与控制卡11之间，射频信号源12连接在调制器2、数据采集与控制卡11之间。
其中调制器2可选用光开关或声光调制器，或者电光调制器。光脉冲发生器也可采用脉冲激光光源，通过该脉冲激光光源直接产生光脉冲。
从激光光源1发出的1550nm或者1310nm的光进入电光调制器2将连续光调制成光脉冲，光脉冲进入到环形器3的第一端口3.1，环形器的第二端口3.2出射的光脉冲进入反射点阵列4；由反射点阵列返回的光时域反射信号由环形器的第三端口3.3输出，该光时域反射信号是由反射点阵列反射的一系列光脉冲组成并携带所经过光纤的相位信息；该光时域反射信号通过3×3的光纤耦合器5的第一端口5.1输入，3×3光纤耦合器第四端口5.4通过光纤直接连接第一个法拉第转旋转镜6，第五端口5.5连接一段延时光纤7后连接第二个法拉第旋转镜8，由第四、第五端口输出的光时域反射信号分别由两个法拉第旋转镜反射后在3×3耦合器处发生干涉，光时域干涉信号分别由3×3耦合器的第二端口5.2、第三端口5.3，3×3耦合器的第二端口连接第一光电探测器9的光输入口9.1、第三端口连接第二光电探测器10的光输入口10.1，第一光电探测器9的电输出口9.2连接到数据采集卡11的第一输入口11.1,第二光电探测器10的电输出口10.2连接到信号处理与控制卡11的第二输入口11.2，信号处理与控制卡的控制口11.3连接到射频信号源的控制输入口12.2实现对射频信号源的控制；射频信号源信号输出口12.1的输出的射频信号进入电光调制器2实现对光脉冲的调制。
本发明的一个实施例中，反射点阵列4包括多个串联的折射率突变点和光纤段，其中折射率突变点和光纤段交替排列。折射率突变点为光纤光栅阵列(反射率为-40dB左右)的或者由激光照射光纤导致反射率突变点。
多个折射率突变点的反射谱交叠。折射率突变点可为布拉格光栅，或者为啁啾光栅，或者为由激光照射光纤所形成的折射率突变点。
以折射率突变点为布拉格光栅为例，其由布拉格光栅a1、光纤段b1、布拉格光栅a2、光纤段b2……布拉格光栅an和光纤段bn顺序连接组成。布拉格光栅a1、布拉格光栅a2……布拉格光栅an的反射谱交叠。光纤段b1、光纤段b2……光纤段bn的长度相等。
延时器可选用延时光纤，延时光纤的长度与布拉格光栅阵列中的光纤段b1、光纤段b2……光纤段bn长度相同。
利用上述反射点阵光纤传感系统实现的传感方法，包括以下步骤：
光源发出的光进入电光调制器将连续光调制成光脉冲，光脉冲进入到环形器的第一端口，环形器的第二端口出射的光脉冲进入布拉格光栅阵列；
由布拉格光栅a1反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过3×3光纤耦合器的第一端口输入，从第五端口输出通过延时光纤由法拉第旋转镜反射后,其电场强度表示为:
E1为由光纤光栅a1反射的光时域反射信号的电场强度，c为真空中的光速，υ为光源的光频率，L为延时线的长度，为连接光纤以及延时光纤引入的总相位。
由布拉格光栅a2反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过3×3光纤耦合器的第一端口输入，从第四端口输出后通过光纤由法拉第旋转镜反射后，其电场强度表示为：
E2由布拉格光栅a2反射的光时域反射信号的电场强度，l为光纤段b1的长度，neff为光纤的有效折射率，为连接光纤引入的总相位。
延时光纤长度与相邻布拉格光栅之间的光纤长度满足如下关系：
L＝l
两束光脉冲在3×3光纤耦合器出发生干涉产生光时域反射干涉信号c1，干涉信号c1由3×3耦合器第二、三端口分别进入两路光电探测器变为电信号输出，其输出分别为：
其中为两路光时域反射信号的固定相位差。
当布拉格光栅a1与布拉格光栅a2之间的光纤段b1受到振动时，干涉信号经过第一光电探测器后输出的电信号可表示为；
干涉信号经过第二光电探测器输出的电信号可表示为：
这里忽略了的固定相位差,与外界振动信号成正比。
将三路电信号采用NRL算法(由美国的NavalResearchLaboratory提出)进行解调，先去除干涉光强信号中的直流量D，去除了直流量后，将两路信号对时间求导以后交叉相乘，再将结果求和，可得到与成正比的结果。
光脉冲进入光纤段b2、布拉格光栅b3……光纤段bn、布拉格光栅bn后会重复以上过程，产生干涉信号c2……干涉信号cn，由于干涉信号c1和干涉信号c2……干涉信号cn的接收时间不一样，所以可以分别测到不同相邻布拉格光栅之间的光脉冲所产生干涉信号,从而依次解调出不同光纤段上所受到的外界振动。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种反射点阵光纤传感系统，其特征在于，包括光脉冲发生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口与光纤耦合器的一个端口连接；
该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；
该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器并联在光纤耦合器、数据采集与控制卡之间，射频信号源连接在光脉冲发生器、数据采集与控制卡之间。
2.根据权利要求1所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在于，所述光脉冲发生器包括脉冲激光光源，通过该脉冲激光光源直接产生光脉冲；或者所述光脉冲发生器包括激光光源以及光开关或声光调制器，或者电光调制器，激光光源发出的光通过调制形成光脉冲。
3.根据权利要求1所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在于，所述反射点阵列包括多个串联的折射率突变点和光纤段，其中折射率突变点和光纤段交替排列。
4.根据权利要求3所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在于，多个折射率突变点的反射谱交叠。
5.根据权利要求3所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在于，光纤段的长度相等。
6.根据权利要求5所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在于，所述延时器为延时光纤，且延时光纤的长度与所述光纤段的长度相同。
7.根据权利要求3所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在于，所述折射率突变点为布拉格光栅，或者为啁啾光栅，或者为由激光照射光纤所形成的折射率突变点。
8.一种反射点阵光纤传感方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
光脉冲发生器发出光脉冲，光脉冲进入到环形器的第一端口，环形器的第二端口出射的光脉冲进入反射点阵列，该反射点整列包括多个反射点；
由第一反射点反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过光纤耦合器的第一端口输入，从第五端口输出通过延时器并由第一法拉第旋转镜反射；
由第二反射点反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过光纤耦合器的第一端口输入，从第四端口输出后通过第二法拉第旋转镜反射；
经两个法拉第旋转镜反射后的两束光脉冲在光纤耦合器处发生干涉，产生第一光时域反射干涉信号，第一光时域反射干涉信号由耦合器的第二、三端口分别进入两路光电探测器变为电信号输出；
当第一反射点与第二反射点之间的光纤段受到振动时，第一干涉信号经过第一光电探测器和第二光电探测器分别输出给数据采集与控制卡进行解调；
光脉冲进入反射点阵列的其他反射点后会重复以上过程，产生相应的干涉信号，由于多个干涉信号的接收时间不一样，因此分别测到不同相邻反射点之间的光脉冲所产生的干涉信号,以依次解调出不同光纤段上所受到的外界振动。
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