CN108548600B - 基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感系统，更具体地，涉及基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，包括有第一脉冲发生器，第一脉冲发生器输出端与第一光源、反相器和第一数据采集模块连接；反相器连接有第二脉冲发生器，第二脉冲发生器连接有第二光源，第一光源和第二光源通过光耦合器与光环行器的第一端口连接，光环行器连接有传感光纤，光环行器将散射光通过第三端口传输到光波分复用器；所述光波分复用器通过检偏器与光电探测器连接，光电探测器与第一数据采集模块连接。本发明具有更高的振动传感灵敏度，同时具有较高的系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感系统，更具体地，涉及基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统。
背景技术
基于POTDR传感技术的光纤振动传感系统是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感器，由于其能够检测出微弱的应力变化，具有广泛的应用前景。
随着城市高压线缆从空中向地下铺设工程的实施，目前城市输电线路基本采用地下隧道的形式运输电力。对城市输电网络进行安全健康监测、及时发现故障、确保社会的正常运行越来越重要。但是电缆隧道现场环境十分恶劣，常规安防报警设备完全无法应用。现场环境状况：1) 地下电缆沟长时间使用后，容易积水、积淤泥，常规电子设备无法在如此恶劣的环境内长期工作；2) 电缆隧道内无220VAC供电电源，常规电子设备无法供电，且由于地下电缆沟内环境恶劣，长距离220VAC供电也容易引起漏电危险。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，具有更高的振动感灵敏度，同时具有较高的系统稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其中，包括有第一脉冲发生器，第一脉冲发生器输出端与第一光源、反相器和第一数据采集模块连接；反相器连接有第二脉冲发生器，第二脉冲发生器连接有第二光源，第一光源和第二光源通过光耦合器与光环行器的第一端口连接，光环行器连接有传感光纤，光环行器将散射光通过第三端口传输到光波分复用器；所述光波分复用器通过检偏器与光电探测器连接，光电探测器与第一数据采集模块连接。
本发明中，包括有第一脉冲发生器，第一脉冲发生器的输出口连接第一光源的输入端口、反相器的输出端口以及第一数据采集模块的触发端口，反相器的输出端口与第二脉冲发生器的触发端口相连，第二脉冲发生器的输出端口连接第二光源的输入端口，第一光源的输出端口与光耦合器的第一输入端口以单模光纤相连。第二脉冲发生器连接有第二光源，第二光源的输出端口与光耦合器的第二输入端口以单模光纤相连。反相器用于将第一脉冲发生器发来的脉冲信号的相位反转180度，使得输入所述第一光源与第二光源的脉冲光信号的相位相差180度，降低了光纤耦合连接端面被叠加的光脉冲打坏的风险，提高了光纤传感系统中各光纤耦合连接部位的可靠性。光耦合器用于将第一光源和第二光源的将两个脉冲光信号耦合到一根光纤中，光耦合器与光环行器的第一端口连接。光波分复用器通过检偏器与光电探测器连接，同时光电探测器与第一数据采集模块连接。在第一脉冲发生器发出脉冲信号的同时，第一数据采集模块开始采集数据。
在一个实施方式中，光环行器通过端口连接有传感光纤，光环行器将脉冲光发向传感光纤，并将收到的瑞利散射光发向光波分复用器。
光环行器通过端口连接有传感光纤，传感光纤用于对光纤受到的应力影响与温度影响并传输前向脉冲光与后向散射光，光环行器将收到的瑞利散射光发向分光器。
优选地，传感光纤为单模光纤，传感光纤在光纤末端设有斜断面或在光纤末端连接有暴露于空气的APC端面的连接器插芯，用于降低光在光纤断面的反射。
在一个实施方式中，检偏器为双偏振态检偏器，双偏振态检偏器连接有两个光电探测器。
双偏振态检偏器用于检测光的两个不同偏振态并分别发向两个不同的光电探测器，光电探测器将将光信号转化为电信号，供数据采集模块采集数据，可以获得相较于单一偏振态检偏更为稳定的振动传感灵敏度。
优选地，光波分复用器分别连接有第一双偏振态检偏器和第二双偏振态检偏器；第一双偏振态检偏器通过光电探测器与第一数据采集模块连接；第二双偏振态检偏器通过光电探测器连接有第二数据采集模块，第二数据采集模块与第二脉冲发生器连接。
双偏振态检偏器设有两个，第一双偏振态检偏器和第二双偏振态检偏器均与光波分复用器连接，第一双偏振态检偏器通过光电探测器与第一数据采集模块连接，用于对第一光源出射脉冲光在传感光纤中产生瑞利散射信号抵达时间计时，用于检测振动发生的距离或传感用单模光纤断纤发生的距离。第二双偏振态检偏器通过光电探测器连接有第二数据采集模块，同时第二数据采集模块与第二脉冲发生器连接，第二脉冲发生器发出脉冲时触发第二数据采集模块，第二数据采集模块开始进行数据采集。
优选地，双偏振态检偏器的两个待检偏振态夹角为45度。
优选地，反相器与第二数据采集模块的触发端口连接，对超过阈值的瑞利散射信号抵达时间计时，用于检测振动发生的距离或传感用单模光纤断纤发生的距离。
优选地，第一光源和第二光源为窄带光源，且为半导体激光器，反相器为CMOS反相器。CMOS反相器具有更小的漏电电流，功耗更低。
本发明与现有技术相比，采用两束不同波长的光复用到传感光纤中，在针对部分形态的光进行某个夹角的双偏振态检偏时存在仍然效果不好的问题时具有一定弥补作用。同时两束波长完全不同且时序互补的脉冲光耦合在同一光纤中分时探测振动事件，使得两束脉冲光不在光纤内叠加，避免叠加产生过大的瞬时光功率，在保证传感距离的同时防止了光纤耦合端面被打坏的风险发生。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图1所示，本发明提供基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，通过第一脉冲发生器11发射脉冲信号到第一光源41和第一数据采集模块31以及反相器2。第一光源41将脉冲信号转化为脉冲光并发向光耦合器5，第一数据采集模块31接收到脉冲信号后动作，开始数据采集。第一脉冲发生器11用于向第一光源41、反相器2和第一数据采集模块31发出脉宽为W脉冲，脉冲的占空比小于0.5。
反相器2的输出端口与第二脉冲发生器12的触发端口相连，第二脉冲发生器12的输出端口连接第二光源42的输入端口，第二光源42将脉冲信号转化为脉冲光并发向光耦合器5。
反相器2用于将第一脉冲发生器11发来的脉冲信号的相位反转180度，使得输入所述第一光源41与第二光源42的脉冲光信号的相位相差180度。光耦合器5用于将第一光源41和第二光源42的将两个脉冲光信号耦合到一根光纤中，光耦合器5与光环行器6的第一端口连接。两个脉冲光信号被耦合在同一光纤中时，为时分复用同一根光纤资源。当两个脉冲光信号为了具有更远的探测距离采用最大功率时，由于时分复用，其脉冲光信号的能量不被叠加产生超出光纤链路的耦合部位无法承受的高能量光脉冲。降低了光纤耦合连接端面被叠加的光脉冲打坏的风险，提高了光纤传感系统中各光纤耦合连接部位的可靠性。
如图1所示，光耦合器5的输出端口与光环行器6的第一端口相连，光环行器6的第二端口与传感光纤相连，传感光纤用于传感光纤受到的应力影响并传输前向脉冲光与后向散射光，光环行器6的第三端口与光波分复用器7的输入端口以单模光纤相连。
光环行器6用于将其第一端口收到的脉冲光送至第二端口发向传感光纤，并将第二端口收到的瑞利散射光送至第三端口发向光波分复用器7。光环行器6为三端口光环行器6，其光环行走向为第一端口至第二端口至第三端口。
本实施例中，检偏器为双偏振态检偏器，双偏振态检偏器连接有两个光电探测器。双偏振态检偏器用于检测光的两个不同偏振态并分别发向两个不同的光电探测器，光电探测器将将光信号转化为电信号，供数据采集模块采集数据，可以获得相较于单一偏振态检偏更为稳定的振动传感灵敏度。
如图1所示，光波分复用器7连接有第一双偏振态检偏器81，第一双偏振态检偏器81连接有第一光电探测器91和第二光电探测器92，第一光电探测器91和第二光电探测器92与第一数据采集模块31连接。
本实施例中，光波分复用器7连接有第二双偏振态检偏器82，第二双偏振态检偏器82连接有第三光电探测器93和第四光电探测器94。第三光电探测器93和第四光电探测器94与第二数据采集模块32连接。第二数据采集模块32在第二脉冲发生器12发出脉冲信号时启动，开始采集数据。
光波分复用器7用于将后向散射光分离为中心波长为λ1和λ2的两束，并将中心波长为λ1的光束发向第一双偏振态检偏器81，将中心波长为λ2的光束发向第二双偏振态检偏器82，λ1和λ2之差的绝对值大于20nm。
第一数据采集模块31和第二数据采集模块32在受到脉冲信号的触发后开始时长为T的数据采集，采集时长T>光在传感光纤中往返耗费的时间，第一脉冲发生器11发出脉冲信号的周期时长大于T。
反相器2与第二数据采集模块32的触发端口相连，用于对超过阈值的瑞利散射信号抵达时间计时，用于检测振动发生的距离或传感用单模光纤断纤发生的距离。
实施例2:
本实施例中，第一光源41和第二光源42均为窄带光源，传感光纤为单模光纤，具体信号为G.652D，第一窄带光源出射光波长λ1和第二窄带光源出射光波长λ2分别为1310nm和1550nm。光波分复用器7的两个分用端口中心波长分别为1310nm和1550nm，其1310分用端口与第一双偏振态检偏器81输入端口相连，1550分用端口与第二双偏振态检偏器82输入端口相连。
传感光纤在远离光环行器6第二端口的末端被斜面切断，用于在光纤末端降低光在断面的反射。
本实施例中，各组件之间均采用单模光纤连接，进行信号传导。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，包括有第一脉冲发生器，所述第一脉冲发生器输出端与第一光源、反相器和第一数据采集模块连接；所述反相器连接有第二脉冲发生器，所述第二脉冲发生器连接有第二光源，第一光源和第二光源通过光耦合器与光环行器的第一端口连接，光环行器连接有传感光纤，光环行器将散射光通过第三端口传输到光波分复用器；光波分复用器分别连接有第一双偏振态检偏器和第二双偏振态检偏器；所述第一双偏振态检偏器通过第一光电探测器和第二光电探测器与第一数据采集模块连接；所述第二双偏振态检偏器通过第三光电探测器和第四光电探测器连接有第二数据采集模块，所述第二数据采集模块与第二脉冲发生器连接。
2.根据权利要求1所述的基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，光环行器通过第二端口连接有传感光纤，光环行器将脉冲光发向传感光纤，并将收到的瑞利散射光发向光波分复用器。
3.根据权利要求2所述的基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，传感光纤为单模光纤，传感光纤在光纤末端设有斜断面或在光纤末端连接有暴露于空气的APC端面的连接器插芯，用于降低光在光纤断面的反射。
4.根据权利要求1所述的基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，所述双偏振态检偏器的两个待检偏振态夹角为45度。
5.根据权利要求1所述的基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，所述反相器与第二数据采集模块的触发端口连接，对超过阈值的瑞利散射信号抵达时间计时，用于检测振动发生的距离或传感用单模光纤断纤发生的距离。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一光源和第二光源为窄带光源，且为半导体激光器。
7.根据权利要求1至5任一项所述的基于时分复用的偏振态光纤振动传感系统，其特征在于，所述反相器为CMOS反相器。
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