CN109186739B - 一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法，装置包括激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、雪崩光电二极管、信号采集卡、脉冲发生器、传感光纤，同时还公开了一种基于具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置的方法。本发明能够在不降低系统频率响应范围的前提下，实现空间分辨率与振动作用范围的匹配，达到系统性能最优化。

Description

一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，许多大型基础设施已经入大规模建设阶段。加上已经建成的基础设施，对这些长距离、大规模的基础设施的结构健康状态的可靠监测有迫切的需求。寻找有效的监测系统已成为研究的热点。分布式光纤传感系统由于具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感、体积小、易于安装埋设等优点，已经应用到很多结构健康检测领域。

对于需要检测振动的应用，例如结构健康监测和入侵检测，由于具有高灵敏度、快速响应和高灵敏度的特性，对于这些应用敏感的相位敏感型光时域反射计(phase-sensitive optical time domain reflectometer，Φ-OTDR)越来越受到人们的关注。在Φ-OTDR传感系统中，空间分辨率(spatial resolution，SR)被定义为可以区分的两个相邻振动事件之间的最短距离。在幅度检测型Φ-OTDR感测系统中，由于背向瑞利散射光的随机性质，Φ-OTDR信号容易衰落，并且其信噪比(signal to noise ratio，SNR)也容易受空间与时间影响。与幅度检测型Φ-OTDR相比，相位检测型Φ-OTDR显著提高了对弱振动事件的敏感性，并具有重建振动事件波形的能力。因此，相位检测型Φ-OTDR近年来一直是研究的热点。较高的信噪比意味着更可靠的信号，而信噪比实际上与空间分辨率和振动区域的长度有关。由于无法预知振动区域长度，不可能匹配合适的空间分辨率来实现最佳测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术在同一个传感系统中难以同时实现高信噪比的不同长度振动区域测量方面的问题，而提供一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置，可以同时实现对不同长度的振动区域的高信噪比的测量，对单一未知长度振动也能匹配到相对较佳的信噪比，测量结果更可靠。

首先，研究了空间分辨率与Φ-OTDR性能之间的关系，并通过实验验证了空间分辨率(SR)和信噪比(SNR)的关系模型。然后，设计了基于三脉冲频分复用的具有多空间分辨率性能的传感装置，可以在单次测量中获得多空间分辨率(multi-spatial resolution，MSR)的测量结果。通过使用这种提出的MSR传感系统，SR和振动区域的长度可以尽可能地匹配。因此，可以在不降低检测频率范围的情况下获得Φ-OTDR传感系统的性能优化。

一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置，包括激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第二耦合器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光学滤波器、光纤环形器、雪崩光电二极管、信号采集卡、脉冲发生器、传感光纤；其中，激光器和第一耦合器相连，将连续的窄线宽激光输出至第一耦合器；第一耦合器分别和第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器相连，将窄线宽激光分成三路分别输入第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器，脉冲发生器分别和第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器相连，给后三者提供调制脉冲，第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器对窄线宽激光进行调制产生脉冲光，并将脉冲光分别输入至分别与三个声光调制器相连的第二耦合器；第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、传感光纤依次顺序相连，第二耦合器将探测脉冲光传递给掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入的脉冲光进行放大然后输出至光学滤波器，光学滤波器对输入的脉冲光进行滤波并传递给光纤环形器，光纤环形器将输入的脉冲光传递给传感光纤，传感光纤产生背向散射光，并将背向散射光回传给光纤环形器；光纤环形器还与雪崩光电二极管相连，将背向散射光传递给雪崩光电二极管，雪崩光电二极管和信号采集卡相连，将背向散射光信号转换成电信号传递给信号采集卡；脉冲发生器与信号采集卡相连，给其提供同步触发脉冲。

作为本发明所述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置进一步优化方案，所述系统在同一根光纤上实现了对振动区域能提供多种空间分辨率的同时测量。

作为本发明所述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置进一步优化方案，所述激光器为窄线宽激光器。

作为本发明所述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置进一步优化方案，所述声光调制器产生的三个脉冲移频不同，且相互之间的延迟分别为1:2:3的关系，以实现等步长增长的空间分辨率。

基于上述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置的探测方法，包括以下步骤：

步骤一、采用激光器产生连续模式窄线宽激光，该窄线宽激光经第一耦合器分成三路：三路都为探测光；

步骤二、设定脉冲发生器的脉冲宽度和脉冲周期，通过第一、第二以及第三声光调制器将连续模式窄线宽激光转换为移频不同且相对延迟不同的三路探测脉冲光，并通过掺铒光纤放大器将其放大；

步骤三、0.8nm带宽的光学滤波器用来抑制宽带放大器的自发发射噪声；

步骤四、放大滤波后的探测脉冲光通过光纤环形器的第1端口输入，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤中；

步骤五、传感光纤产生背向散射光，并将背向散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至雪崩光电二极管；

步骤六、将雪崩光电二极管探测到的信号输出至采集卡进行采集，探测器得到的三个差拍信号对应三个不同的空间分辨率。实现了对多处振动区域提供三种空间分辨率的同时测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：能够对振动事件实现同时多空间分辨率的测量；同时通过对探测得到的信号进行解调，发现空间分辨率不同时得到的信号信噪比不同，多种空间分辨率可以适应检测不同长度的振动区域并获得较好的信噪比的信号。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的原理框图。

图3a是推导的SNR与SR关系的模拟结果示意图。

图3b是测得SNR曲线随SR的变化图。

图4是本发明装置及方法测得三个探测脉冲的时域图。

图5是APD测得的一条背向瑞利散射曲线的时域和频谱图。

图6是本发明装置及方法测得40MHz带通滤波后Φ-OTDR相位角的瀑布图。

图7是40MHz带通滤波后PZT1的相位差变化信号的频谱图。

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：

如图1所示是本发明的系统结构图，包括激光器、第一耦合器、第一、第二以及第三声光调制器、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、雪崩光电二极管、信号采集卡、脉冲发生器、传感光纤；其中，激光器和第一耦合器相连，将连续的窄线宽激光输出至第一耦合器；第一耦合器分别和第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器相连，将窄线宽激光分成三路分别输入第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器，脉冲发生器分别和第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器相连，给后三者提供调制脉冲，第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器对窄线宽激光进行调制产生脉冲光，并将脉冲光分别输入至分别与三个声光调制器相连的第二耦合器；第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、传感光纤依次顺序相连，第二耦合器将探测脉冲光传递给掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入的脉冲光进行放大然后输出至光学滤波器，光学滤波器对输入的脉冲光进行滤波并传递给光纤环形器，光纤环形器将输入的脉冲光传递给传感光纤，传感光纤产生背向散射光，并将背向散射光回传给光纤环形器；光纤环形器还与雪崩光电二极管相连，将背向散射光传递给雪崩光电二极管，雪崩光电二极管和信号采集卡相连，将背向散射光信号转换成电信号传递给信号采集卡；脉冲发生器与信号采集卡相连，给其提供同步触发脉冲。

使用器件性能：激光器的型号为RIO激光器，其线宽和中心波长分别为3.7kHz和1550.12nm。；声光调制器的型号为Gooch&Housego，三个AOM的频移为150MHz，80MHz和40MHz；EDFA选用Amonics的放大器，中心频率在1550nm，恒功率增益可以达到23dBm；雪崩光电二极管(APD)的带宽为200M，增益为60dB。

结合实验参数的具体步骤如下：

步骤一、推导SNR与SR的关系。图3a是SNR与SR关系的模拟结果，图3b是设计实验测得结果，均证明系统SR不同可以影响信噪比，且SR与振动区域长度L相等时能得到最高信噪比的信号。

步骤二、激光器产生连续模式窄线宽激光，该窄线宽激光通过耦合器一分为三路，分别输入至第一、第二以及第三声光调制器。

步骤三、设定脉冲发生器的脉冲宽度和脉冲周期，脉冲宽度在100ns,周期为40us。声光调制器将三路连续光分别移频150M、80M、40M并转换为脉冲光，图4是三个探测脉冲光的时域图。然后通过掺铒光纤放大器将其放大，放大后的最终脉冲光滤波后通过光纤环形器，输出至传感光纤中。

步骤四、将三个圆柱形压电陶瓷(PZT)安装在传感光纤上，缠绕在压电陶瓷上的光纤长度分别是20米、30米和40米，即振动区域的长度分别为20米，30米和40米，精确的等于系统所能提供的三个空间分辨率。施加在三个PZT上的波形频率为1kHz。

步骤五、传感光纤产生背向散射光，并将背向散射光输入至光纤环形器的第2端口，并由光纤环形器的第3端口输出至雪崩光电二极管，图5是APD测得的一条背向瑞利散射曲线的时域和频谱图，APD的输出包含三个拍频信号，频率为40MHz，70MHz和110MHz。

步骤六、设计了三个通过频率为70MHz，40MHz和110MHz的数字带通滤波器来提取这三个差拍信号。可以使用希尔伯特变换提取三个差拍信号的包络和相位差变化。以PZT1为例，包裹在PZT1上的光纤长度为30米。基于上述结论，30m SR最适合检测和恢复振动区域为30m的振动。图6中给出了在30m的SR的相位角的瀑布图。矩形框中标记的区域是施加在三个PZT上的振动事件。可以看出，振动区域的长度不同，PZT1的振动区域最明显。

步骤七、PZT1的相位差变化信号的频谱如图7所示。第一个峰值的频率为1kHz，这与施加到PZT1上的波形的频率一致。继续分析发现对于每个PZT，当SR精确等于振动区域的长度时，可以获得载噪比(carrier to noise ratio，CNR)和谐波抑制比(harmonicrejection ratio，HRR)的最佳值。三个PZT的CNR改善分别为16.77dB，10.49dB，10.22dB。通过MSR分析，还可以降低HRR，从而可以高保真地重建振动事件。每个PZT的HRR改善为20.88dB，17.95dB和11.15dB。结果表明，合适的SR可以有效地优化Φ-OTDR系统的性能。

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，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。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代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置，其特征在于：包括激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、雪崩光电二极管、信号采集卡、脉冲发生器、传感光纤；其中，激光器和第一耦合器相连，将连续的窄线宽激光输出至第一耦合器；第一耦合器分别和第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器相连，将窄线宽激光分成三路分别输入第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器，脉冲发生器分别和第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器相连，给后三者提供调制脉冲，第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器对窄线宽激光进行调制产生脉冲光，并将脉冲光分别输入至分别与三个声光调制器相连的第二耦合器；第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、传感光纤依次顺序相连，第二耦合器将探测脉冲光传递给掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入的脉冲光进行放大然后输出至光学滤波器，光学滤波器对输入的脉冲光进行滤波并传递给光纤环形器，光纤环形器将输入的脉冲光传递给传感光纤，传感光纤产生背向散射光，并将背向散射光回传给光纤环形器；光纤环形器还与雪崩光电二极管相连，将背向散射光传递给雪崩光电二极管，雪崩光电二极管和信号采集卡相连，将背向散射光信号转换成电信号传递给信号采集卡；脉冲发生器与信号采集卡相连，给其提供同步触发脉冲。

2.根据权利要求1所述一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器产生的三个脉冲移频不同，且相互之间的延迟为1:2:3的关系，使返回的三个差拍信号分别对应了三种空间分辨率。

3.根据权利要求1所述一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述激光器为窄线宽激光器。

4.一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：产生连续模式窄线宽激光并分成三路；

S2：设定脉冲发生器的脉冲宽度和脉冲周期，通过第一、第二以及第三声光调制器，将三路连续模式窄线宽激光转换为移频不同且相对延迟不同的三路探测脉冲光，并进行放大；

S3：对脉冲光信号进行滤波去噪；

S4：放大滤波去噪后的探测脉冲光传递给传感光纤，传感光纤产生背向散射光并传递给雪崩光电二极管；

S5：雪崩光电二极管将探测到的信号输出至信号采集卡进行信号采集。

5.根据权利要求4所述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感方法，其特征在于所述步骤S2中的移频相互之间的延迟为1:2:3的关系。

6.根据权利要求4所述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感方法，其特征在于所述步骤S3里采用光学滤波器对脉冲光信号进行滤波且光学滤波器的带宽为0.8nm。

7.根据权利要求4所述的一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感方法，其特征在于所述步骤S4中放大滤波去噪后的探测脉冲光经过光纤环形器再传递到传感光纤，传感光纤产生的背向散射光先回传至光纤传感器再传递给雪崩光电二极管。

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