CN107860461B - 基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器，属于分布式光纤传感领域。包括ECL激光器、耦合器、偏振控制器、声光调制器、信号发生器、循环器、对称表面芯待测光纤、平衡探测器、差分电路、低通滤波器、高频数据采集卡、计算机；利用对称双芯光纤在两束脉冲泵浦下，引入一定脉宽差，经差分处理，即可在一定程度上解决系统探测灵敏度和空间分辨率矛盾问题，同时利用差动探测方法还可以消除光源频率不稳或者频率漂移问题，获得高探测灵敏度、高空间分辨率、稳定性好、小型化的光时域反射计；解决了原有位相敏感光时域反射计探测灵敏度矛盾与空间分辨率的问题，可以在保证较高测量灵敏度同时提高空间分辨率。

Description

基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器

技术领域

本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器。

背景技术

国境、军事基地、发电厂、机场、核设施及监狱等高危敏感的地方，亟需可以识别入侵行为，如进入限制区域，攀爬、翻越围墙，并具有实时定位、大面积覆盖能力的入侵式振动探测传感器。另外一方面，环境特殊建筑健康检测系统包括：能够应用于长距离的天然气管道、石油管道裂纹监控的安全监测设备；可用于如大型电力变压器、高压电力网、地铁隧道、石油煤气管道、垃圾处理现场等超大或超长设备的应变及泄露分布监测的振动传感器。最早的入侵时探测器--位相敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是由传统的光时域反射计(OTDR)发展而来的。传统的光时域反射计(OTDR)是基于光纤中的瑞利散射效应的分布式光纤传感器件。利用一系列宽脉冲引入探测光纤中，通过探测光纤各处背向瑞利散射光强度的变化来获知折射率突变的信息，从而探测光纤长度或者是缺陷，例如断裂或熔接点。目前，各种精度的OTDR已经有商品化的产品。如果采用相干光脉冲做OTDR光源，则返回的瑞利散射波形会呈现锯齿样干涉波形，针对这种锯齿样波形，传统的OTDR一般利用更多不同频率的非相干光脉冲的叠加而消除，因而传统的OTDR往往采用的是宽达GHZ或者THZ宽带长脉冲来消除这种锯齿样波形，造成OTDR探测系统的空间分辨率很低。1993年，Taylor在传统的OTDR基础上提出了位相敏感光时域反射计(Φ-OTDR)。与传统的OTDR系统不同，Φ-OTDR恰恰是利用了瑞利散射这种锯齿样干涉波形。采用相干窄脉冲激光器作为光源，结合相干探测技术组成的Φ-OTDR探测系统，探测入射脉冲的前后瑞利散射中心之间将产生干涉现象，该干涉信号会受到光纤传输途中外界扰动信号影响而产生位相调制，通过检测瑞利相干波形的变化，就可以检测到外界扰动信号位置及频率信息。因而被用在军事要地、边境国防等安全要求很高的领域作为入侵者探测器。由于相干瑞利散射信号较弱,往往采用较宽脉冲以保证注入脉冲的足够高能量,例如1us脉冲探测，该系统的空间分辨率仅为100m，信噪比达到3.3dB。目前高空间分辨率位相敏感光时域反射计(Φ-OTDR)由于技术上存在一些困难因而仍处在研究阶段。本专利采用基于对称双芯光纤双脉冲双差动Φ-OTDR探测装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进现有光时域反射计探测灵敏度与空间分辨率矛盾问题，可以提高系统探测灵敏度、空间分辨率，克服光源的频率不稳或者漂移所带来的系统不稳定问题，大大增加原有系统稳定性的基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器。

其原理利用相干瑞利散射时域波形出现突变位置来判断外界扰动信号的位置，改进现有光时域反射计探测灵敏度与空间分辨率矛盾问题，该装置集发射、接收于一体，装置紧凑，是一种新型特种光纤传感器。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器主要基于瑞利散射原理，利用脉冲序列注入到待测光纤中，由前后相邻脉冲所产生的瑞利散射光脉冲在空间相遇，相互交叠而产生相干波形，如果探测光纤某处遇到外界扰动，将在该位置产生位相突变从而导致该处相干波形突变，我们将前后瑞利散射波形相减，那么相减后瑞利散射波形在突变的位置就会呈现波峰，根据这个波峰在瑞利散射时域波形中位置，就可以获得外界扰动产生的空间位置。

光源采用外腔式激光(ECL)1，它具有20KHZ的超窄线宽，同时具有较低频率抖动。其输出波长为1548nm。由该光源所产生的连续激光首先由第一耦合器一分为四，其中第一泵浦光和第二泵浦光两路光将作为连续本振光，第三泵浦光和第四泵浦光经由偏振控制器保偏控制后，利用信号发生器及声光调制器调制成脉冲序列输出，两路脉冲序列注入对称双芯的两个纤芯，将在这两路纤芯中产生背向相干瑞利散射信号，两路携带待测光纤路径中的扰动信息相干信号经由循环器返回，进入耦合器，和本振光进行混频并相干放大，输出信号经由差分电路进行电信号差分处理，再经低通滤波器滤掉高频成分，由高频数据采集卡纪录，最后由计算机纪录并适时处理，监测探测时域波形突变的位置及强度，从而获得外界扰动信号的位置及频率信息。

本发明的有益效果在于：

一、采用光纤双芯离空气界面较近，因而可以建立更强的倏逝场，而获得更强的振动传感效应。

二、采用双光路双脉冲注入，每路泵浦脉冲宽度可以较宽，就可以产生更强背向瑞利散射信号，提高装置的探测灵敏度。

三、由于引入的双脉冲保持较窄脉宽差，利用差分探测可以获得更高的空间分辨率。

这样可以解决原有探测系统探测灵敏度和空间分辨率矛盾问题，可以在保证较高的探测灵敏度的同时，提高空间分辨率。

四、利用差分检测技术还可以消除原有Φ-0TDR探测系统由于光源频率不稳或频率漂移带来的探测不稳定问题。

附图说明

图1：对称双芯光纤双脉冲差动位相敏感光时域反射计装置及方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图中标识：1、ECL激光器；2、第一耦合器；3、第一偏振控制器；4、第二偏振控制器；5、第一声光调制器；6、第二声光调制器；7、信号发生器；8、第一循环器；9、对称表面芯待测光纤；10、第二循环器；11、第二耦合器；12、第一平衡探测器；13、第三耦合器；14、第二平衡探测器；15、差分电路；16、低通滤波器；17、高频数据采集卡；18、计算机。

实施例一：

由ECL激光器1输出连续激光输入到第一耦合器2输入端口，由第一耦合器2第一耦合器2将输入连续激光一分为四，第一输出端口输出的第一泵浦光2-1输入到第二耦合器11第一输入端口，由第一耦合器2的第二输出端口输出的第二泵浦光2-2输入到第三耦合器13，这两路将作为相干检测的本振光，由第一耦合器2的第三输出端口输出的第三泵浦光2-3输入到第一偏振控制器3输入端口，第一耦合器2的第四输出端口输出的第四泵浦光2-4输入到第二偏振控制器4输入端口，这两路将作为探测光路，第三泵浦光2-3经由第一偏振控制器3后进入第一声光调制器5，成为第一路探测光路；第四泵浦光2-4由第二偏振控制器4后进入第二声光调制器6，成为第二路探测光路，由信号发生器7同时控制第一声光调制器5和第二声光调制器6，将两路连续泵浦光调制为有一定脉宽差的两列脉冲序列，其中第一路脉冲序列由第一循环器8的第一端口进入，经第一循环器8第二端口输出，注入到对称双芯待测光纤的9第一纤芯，沿路所产生的背向瑞利散射光序列将由第一循环器8第三端口输出，进入第二耦合器11第二输入端口，与连续本振光2-1经第二耦合器11混频并相干放大后输入到第一平衡探测器12中；第二路探测脉冲序列由第二循环器10的第一端口输入，经第二循环器10第二端口输出，注入到对称双芯待测光纤9第二纤芯，沿路所产生的背向瑞利散射光将由第二循环器10第三端口输出，与连续本振光2-2经第三耦合器13混频并相干放大后进入到第二平衡探测器14中，由第一平衡探测器12、14输出的电信号进入差分电路15进行信号差分处理，差分电路15输出差分信号经低通滤波器16滤掉高频成分，最后由高频数据采集卡17记录，输出到计算机18保存并适时处理，监测探测时域波形变化并适时发现外界扰动信息。

实施例二：

基于位相光时域反射计及光纤双脉冲差分式微扰探测器，包括ECL激光器1、第一耦合器2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4、第一声光调制器5、第二声光调制器6、信号发生器7、第一循环器8、对称表面芯待测光纤9、第二循环器10、第二耦合器11、第一平衡探测器12、第三耦合器13、第二平衡探测器14、差分电路15、低通滤波器16、高频数据采集卡17、计算机18；

ECL激光器1输出连续激光与第一耦合器2的输入端连接，第一耦合器2的第一输出端口与第二耦合器11第一输入端口连接，第一耦合器2的第二输出端口与第三耦合器13第一输入射端口相连，第一耦合器2的第三输出端口与第一偏振控制器3输入端口连接，第一耦合器2的第四输出端口与第二偏振控制器4输入端口连接，第一偏振控制器3的输出端口与第一声光调制器5的输入端口相连；

信号发生器7与第一声光调制器5相连，第一声光调制器5输出端口与第一循环器8的第一端口相连，第一循环器8第二端口与待测光纤的第一纤芯融接，第一循环器8第三端口与第二耦合器11的第二输入端口相连，第二耦合器11的输出端口与第一平衡探测器12输入端口连接，第一耦合器2第四个端口与第二偏振控制器4的输入端口相连，第二偏振控制器4的输出端口与第二声光调制器6的输入端口相连；

信号发生器7与第二声光调制器6相连，第二声光调制器6输出端口与第二循环器10的第一端口相连，第二循环器10第二端口与待测光纤的第二纤芯融接，第二循环器10的第三端口端口与第三耦合器13的第二输入端口相连，第三耦合器13的输出端口与第二平衡探测器14输入端口连接，第一平衡探测器12输出端口与差分电路15第一输入端口相连，第二平衡探测器14输出端口与差分电路15第二端口相连，差分电路15输出端口与低通滤波器16输入端口相连，低通滤波器16输出端口与高频数据采集卡17相连，其输出与计算机18相连；

其中，信号发生器7与第一声光调制器5、第二声光调制器6、差分电路15、低通滤波器16、高频数据采集卡17、计算机18之间为电连接，其余部分之间均为光纤连接。

所述ECL激光器1的输出波长为1548nm。

所述第一耦合器2为1×4、四个输出端口能量比为：25：25；25：25；第二耦合器11和第三耦合器13的耦合器均为2×1。

经过耦合器2输出的第一泵浦光和第二泵浦光为连续本振光，经过耦合器2输出的第三泵浦光、第四泵浦光调制为脉冲序列。

所述第三泵浦光经由第一偏振控制器3保偏控制后，由被信号发生器7控制的第一声光调制器5调制为脉冲序列，该脉冲序列经第一循环器8第一端口输入，后经第一循环器8第二端口输出并导入待测光纤第一纤芯组成第一路探测光路，由第二纤芯产生的背向相干瑞利散射光经第一循环器8第三端口输出并与第一本振光经第二耦合器11产生混频；以上除信号发生器7与第一声光调制器5之间为电相连外，其他所有部分之间均为光纤连接。

所述第四泵浦光经由第二偏振控制器4保偏控制后，由被信号发生器7控制的第二声光调制器6调制为脉冲序列，该脉冲序列由第二循环器10第一端口输入，经第二循环器10第二端口输出并导入待测光纤第二纤芯组成第二路探测光路，由第二纤芯产生的背向相干瑞利散射光由第二循环器10第三端口输出并与第二本振光经第三耦合器13产生混频；以上除信号发生器7与第二声光调制器6之间为电相连外，其他所有部分之间均为光纤连接。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于位相光时域反射计的光纤双脉冲差分式微扰探测器，包括ECL激光器(1)、第一耦合器(2)、第一偏振控制器(3)、第二偏振控制器(4)、第一声光调制器(5)、第二声光调制器(6)、信号发生器(7)、第一循环器(8)、对称表面芯待测光纤(9)、第二循环器(10)、第二耦合器(11)、第一平衡探测器(12)、第三耦合器(13)、第二平衡探测器(14)、差分电路(15)、低通滤波器(16)、高频数据采集卡(17)、计算机(18)；

其特征在于：ECL激光器(1)输出连续激光与第一耦合器(2)的输入端连接，第一耦合器(2)的第一输出端口与第二耦合器(11)第一输入端口连接，第一耦合器(2)的第二输出端口与第三耦合器(13)第一输入射端口相连，第一耦合器(2)的第三输出端口与第一偏振控制器(3)输入端口连接，第一耦合器(2)的第四输出端口与第二偏振控制器(4)输入端口连接，第一偏振控制器(3)的输出端口与第一声光调制器(5)的输入端口相连；

信号发生器(7)与第一声光调制器(5)相连，第一声光调制器(5)输出端口与第一循环器(8)的第一端口相连，第一循环器(8)第二端口与待测光纤的第一纤芯融接，第一循环器(8)第三端口与第二耦合器(11)的第二输入端口相连，第二耦合器(11)的输出端口与第一平衡探测器(12)输入端口连接，第一耦合器(2)第四个端口与第二偏振控制器(4)的输入端口相连，第二偏振控制器(4)的输出端口与第二声光调制器(6)的输入端口相连；

信号发生器(7)与第二声光调制器(6)相连，第二声光调制器(6)输出端口与第二循环器(10)的第一端口相连，第二循环器(10)第二端口与待测光纤的第二纤芯融接，第二循环器(10)的第三端口端口与第三耦合器(13)的第二输入端口相连，第三耦合器(13)的输出端口与第二平衡探测器(14)输入端口连接，第一平衡探测器(12)输出端口与差分电路(15)第一输入端口相连，第二平衡探测器(14)输出端口与差分电路(15)第二端口相连，差分电路(15)输出端口与低通滤波器(16)输入端口相连，低通滤波器(16)输出端口与高频数据采集卡(17)相连，其输出与计算机(18)相连；

其中，信号发生器(7)与第一声光调制器(5)、第二声光调制器(6)、差分电路(15)、低通滤波器(16)、高频数据采集卡(17)、计算机(18)之间为电连接，其余部分之间均为光纤连接。

2.根据权利要求1所述的基于位相光时域反射计的光纤双脉冲差分式微扰探测器，其特征在于：所述ECL激光器(1)的输出波长为1548nm。

3.根据权利要求1所述的基于位相光时域反射计的光纤双脉冲差分式微扰探测器，其特征在于：所述第一耦合器(2)为1×4、四个输出端口能量比为：25：25；25：25；第二耦合器(11)和第三耦合器(13)的耦合器均为2×1。

4.根据权利要求1所述的基于位相光时域反射计的光纤双脉冲差分式微扰探测器，其特征在于：经过耦合器(2)输出的第一泵浦光和第二泵浦光为连续本振光，经过耦合器2输出的第三泵浦光、第四泵浦光调制为脉冲序列。

5.根据权利要求4所述的基于位相光时域反射计的光纤双脉冲差分式微扰探测器，其特征在于：所述第三泵浦光经由第一偏振控制器(3)保偏控制后，由被信号发生器(7)控制的第一声光调制器(5)调制为脉冲序列，该脉冲序列经第一循环器(8)第一端口输入，后经第一循环器(8)第二端口输出并导入待测光纤第一纤芯组成第一路探测光路，由第二纤芯产生的背向相干瑞利散射光经第一循环器(8)第三端口输出并与第一本振光经第二耦合器(11)产生混频；以上除信号发生器(7)与第一声光调制器(5)之间为电相连外，其他所有部分之间均为光纤连接。

6.根据权利要求4所述的基于位相光时域反射计的光纤双脉冲差分式微扰探测器，其特征在于所述第四泵浦光经由第二偏振控制器(4)保偏控制后，由被信号发生器(7)控制的第二声光调制器(6)调制为脉冲序列，该脉冲序列由第二循环器(10)第一端口输入，经第二循环器(10)第二端口输出并导入待测光纤第二纤芯组成第二路探测光路，由第二纤芯产生的背向相干瑞利散射光由第二循环器(10)第三端口输出并与第二本振光经第三耦合器(13)产生混频；以上除信号发生器(7)与第二声光调制器(6)之间为电相连外，其他所有部分之间均为光纤连接。