CN106872013A - 一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统,分布式光纤振动传感系统包括脉冲光源，所述脉冲光源与一分路器连接，所述分路器的两个输出端分别连接一个探测通道，其特征在于每个通道的光路中加入了一个拉曼放大器，所述拉曼放大器与合波器的一个输入端连接，合波器的另一输入端外接40~60公里长的测试光缆，合波器的输出端通过环路器连接探测通道的信号处理电路。本发明的优点在于将拉曼放大器集成到原有DVS系统中，显著提高了系统的有效探测距离；从而能够降低设备成本，以及施工和维护成本。

Description

一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤振动传感系统，尤其涉及一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统。

背景技术

分布式光纤振动传感系统（DVS）基于带相位信息的光时域反射（Ф-OTDR）技术，以G652单模光纤为传感介质。激光器发射窄线宽的脉冲激光沿传感光纤传输，同时不断产生向后传输的瑞利散射光，且这些瑞利散射光发生多光束干涉。当传感光纤受到外界的振动干扰时，背向的瑞利散射光相位会发生变化，并引起多光束干涉的强度分布发生变化。光电转换装置探测到这些干涉光强度分布的变化，并解调为振动信号。这就是DVS能探测外界振动的原因。

脉冲激光沿光纤传输时会逐渐衰减，导致返回的瑞利散射光强度随传输距离增大而逐渐减弱。当传输距离增大到一极限值时，返回的瑞利散射光强度十分微弱，以至于无法和背景噪声区分开，则此距离的振动信号无法被探测到。因此，目前行业内的同类产品的单通道有效探测距离基本都在25公里以内。

而对于某些大范围、长距离的工程项目，这一有效探测距离难以满足应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种增加分布式光纤振动传感系统探测距离的方法，通过拉曼放大器对光纤中传输的光信号强度做分布式放大，以此补偿光信号的传输衰减，从而增加DVS的有效探测距离。

为了解决上诉问题，本发明是通过以下方案实现的：一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统, 分布式光纤振动传感系统包括脉冲光源，所述脉冲光源与一分路器连接，所述分路器的两个输出端分别连接一个探测通道，其特征在于每个通道的光路中加入了一个拉曼放大器，所述拉曼放大器与合波器的一个输入端连接，合波器的另一输入端外接40~60公里长的测试光缆，合波器的输出端通过环路器连接探测通道的信号处理电路。

根据本发明的优选实施例，所述环路器的第一端与分路器连接，环路器的第二端与合波器的输出端连接，环路器的第三端则依次与掺铒光纤放大器、滤波器、可调光衰减器模块和APD电路连接。

根据本发明的优选实施例，所述脉冲光源包括依次连接的连续波激光源、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器，所述滤波器的输出端与环路器连接。

根据本发明的优选实施例，所述测试光缆的长度优选为40~50km。

本发明通过合波器将拉曼放大器融合到传感光纤中，因受激拉曼散射和入射光的传输方向无关，故传感光纤中的脉冲激光和反向瑞利散射光都得到分布式放大。本发明通过拉曼放大器对光纤中传输的光信号强度做分布式放大，以此补偿光信号的传输衰减，从而增加DVS的有效探测距离。在长距离的工程项目（如石油管线、高铁沿线防入侵）应用时，单个DVS的探测距离越大，工程需要的DVS主机数量越少。从而能够降低设备成本，以及施工和维护成本。

本发明的优点在于将拉曼放大器集成到原有DVS系统中，显著提高了系统的有效探测距离；拉曼放大器为模块式，易于集成，且系统其它部分均保持不变，因而改动成本小，技术风险低；改进后的光学系统对信号光做分布式放大，有助于抑制光纤中的各种非线性效应，从而提高系统的信噪比。

附图说明

图1为拉曼放大器结构示意图。

图2为本发明改进后的DVS光学结构图。

图3为DVS没集成拉曼放大器时探测到的振动信号图。

图4为DVS集成拉曼放大器之后探测到的振动信号图。

具体实施方式

拉曼放大器的主要组成有：大功率半导体泵浦光源(LD)、合波器(WDM)、隔离器(ISO)等。图1为拉曼放大器结构示意图。所述拉曼放大器包括第一合波器，所述第一合波器的输入端与若干个大功率半导体泵浦光源的输出端连接，第一合波器的输出端与第二合波器的输入端连接，第二合波器的输入端与光纤信号输入端连接，第二合波器的输出端为信号输出端，所述光纤信号输入端还设置有隔离器。

在光学介质中，波长较短的泵浦光将一小部分入射功率转移到另一波长较长的光束，二者波长之差由介质的振动模式决定，这一过程称为受激拉曼散射效应。在量子力学中，这一过程可以描述为入射光波的一个光子被介质分子散射为另一个低频光子，称为斯托克斯波(Stokes)的频移光，剩余的能量被介质以分子振动（光学声子）的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。或者一个光子吸收一个声子，产生另一个高频光子，称为反斯托克斯光波(anti-Stokes)。

拉曼放大器利用受激拉曼散射效应，将波长较短的泵浦光的一部分能量转移到光纤中传输的信号光，以抵消光纤本身造成的信号光衰减。

拉曼放大器以传输光纤为增益介质，对信号光分布式放大，具有结构简单，易与现有系统相融合等优点。与掺铒光纤放大器（EDFA）等分立式集中放大形式不同，分布式放大可最大限度抑制光纤中的各种非线性现象，降低系统噪声。

图2为一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统, 分布式光纤振动传感系统包括依次连接的连续波激光源1、声光调制器2、掺铒光纤放大器3、第一滤波器4，所述第一滤波器4的输出端与一分路器5（该分路器为50:50分路器）连接，所述分路器5的两个输出端分别连接一个探测通道，其特征在于每个通道的光路中加入了一个拉曼放大器8，所述拉曼放大器8与合波器7的一个输入端连接，合波器7的另一输入端外接40~60公里长的测试光缆9，合波器7的输出端通过环路器6连接探测通道的信号处理电路。

根据本发明的优选实施例，所述环路器6的第一端与分路器7连接，环路器6的第二端与合波器7的输出端连接，环路器6的第三端则依次与掺铒光纤放大器10、滤波器11、可调光衰减器模块12和APD电路13连接。

APD为雪崩光电二极管，本发明中涉及的各模块为现有技术，在此不再赘述。

本发明通过合波器将拉曼放大器融合到传感光纤中，因受激拉曼散射和入射光的传输方向无关，故传感光纤中的脉冲激光和反向瑞利散射光都得到分布式放大。

在集成拉曼放大器前后，对DVS系统做了如下测试：单通道接入近41公里长的一卷传感光纤（裸光纤），轻轻拍打这一卷传感光纤，则整个通道41公里长的范围都产生了振动，用DVS配套软件观察振动信号（能量曲线图）。

图3显示了在没集成拉曼放大器时的整个通道的振动信号（图中空间分辨率为10m/Point，因此4000 Points对应长度距离为40公里），可以看到DVS探测较远端的振动信号十分微弱。这种情况下，远端的入侵事件难以被探测到。

图4 显示了在相同测试条件下，DVS系统集成了拉曼放大器之后探测到的振动信号。对比图3可以看到，此时远端的振动信号有了显著增强，说明信号光在整个41公里长的光纤中传输时没有明显减弱，即拉曼放大器补偿了光纤造成的衰减。这种情况下，系统很容易探测到通道远端发生的入侵事件。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统, 分布式光纤振动传感系统包括脉冲光源，所述脉冲光源与一分路器连接，所述分路器的两个输出端分别连接一个探测通道，其特征在于每个通道的光路中加入了一个拉曼放大器，所述拉曼放大器与合波器的一个输入端连接，合波器的另一输入端外接40~60公里长的测试光缆，合波器的输出端通过环路器连接探测通道的信号处理电路。

2.如权利要求1所述的一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统，其特征在于所述环路器的第一端与分路器连接，环路器的第二端与合波器的输出端连接，环路器的第三端则依次与掺铒光纤放大器、滤波器、可调光衰减器模块和APD电路连接。

3.如权利要求1所述的一种增加探测距离的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述脉冲光源包括依次连接的连续波激光源、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器，所述滤波器的输出端与环路器连接。