CN110411553A - 基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种基于随机光栅的分布式光纤传感系统，其结构上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述的窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器的端口1，该环形器的端口2连接传感光纤，环形器的端口3连接至光电探测器，探测器连接滤波器和解调器；在传感光纤上刻有多组随机光栅，随机光栅间隔为Δz；脉冲调制器为调制出两个频率差为Δf的脉冲对或多个不同频差的脉冲对，间隔为ΔT，ΔT为2倍的随机光栅间隔；解调器接收经过Δf的带通滤波器滤波后同Δf的本振进行相位解调。本发明的新型分布式光纤声波传感系统能够大幅提高系统信噪比及响应线性度。

Description

基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统

技术领域

本发明涉及到光学设备，特别涉及到一种新型的分布式光纤声波传感系统。

背景技术

干涉仪作为比较成熟、经典的测量系统有着比较高的性能，包括精度、线性度、信噪比、动态范围等。但是，在很多应用中我们需要多个干涉仪，甚至大量的干涉仪，这样就催生出了干涉仪的复用系统，包括波分复用(使用多个波长的激光器分别对应不同的干涉仪)；空分复用(使用耦合器或者光开关复用多个通道)；时分复用(使用脉冲在时间上区分多个干涉仪系统)等，以及他们的结合系统。

DAS(Distributed fiber Acoustic Sensing，DAS)系统即为一种时分复用干涉仪的变种，其采用分布式瑞利背向散射(RBS)替代了传统系统中使用反射镜的反射信号形成的干涉，这样的优点是：(1)真的分布式，理论上可以采集任何一点的信号，并且都是不同位置之间相互无关；(2)去除了传统干涉仪系统中的耦合器和镜子等器件，这样大大减少了光纤链路中的损耗，提高了可测量距离；(3)光纤不用特殊处理。但是分布式光纤声波传感系统具有这些优点存的同时也带来了一些不足：(1)普通单模光纤中，RBS的强度量级约为入射信号的-82dB，相比于原来的反射镜，信号弱了很多。(2)对于短距离的测量，要保证信噪比等，也不能采用太短的脉宽，这样就导致了在短距离上DAS相对难做到比较高的空间分辨率。(3)DAS中的干涉仪其实是在脉宽对应的光纤段里的所有瑞利背向散射信号成分之间的干涉形成的，这个本质就决定了系统对外界信号的响应线性度不够。

发明内容

本发明专利的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新型的分布式光纤传感系统。本发明的新型分布式光纤传感系统能够大幅提高系统信噪比及响应线性度。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

第一种技术方案：

一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述的窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器端口1，该环形器的端口2连接至传感光纤，在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，环行器的端口3连接至光电探测器上，所述的探测器连接滤波器和解调器；所述的随机光栅间隔为Δz；所述脉冲调制器为AOM，其调制出两个频率分别为f1和f2的脉冲，其中两个频率的频差为Δf；或者调制出多个不同频差的脉冲对，间隔为ΔT，ΔT为2倍的随机光栅间隔2Δz；所述解调器接收经过Δf的带通滤波器滤波后同Δf的本振进行相位解调。

第二种技术方案：

一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述的窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器端口1，该环形器的端口2连接至传感光纤、端口3连接至一个2*2耦合器；在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；所述的2*2耦合器的一臂设有ΔL的延迟光纤，然后再由一个3*3耦合器进行相位解调，ΔL为2倍的随机光栅间隔。

第三种技术方案：

一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、耦合器、脉冲调制器、环形器、传感光纤，所述的窄线宽激光器的输出端连接至耦合器，耦合器的一臂连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器的端口1；所述环形器的端口2连接传感光纤，在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；所述环形器的端口3同所述耦合器的另一臂通过另外一个耦合器一起连接至平衡探测器。

在本发明基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统中，所述随机光栅的反射率在-40～-50dB，以避免两个随机光栅之间的腔体效应及多次反射的影响。

上述的随机光栅利用飞秒激光进行制作，其制作过程是：

第一步，所述传感光纤上的随机光栅利用飞秒激光进行制作，将飞秒激光经光束整形后聚焦在光纤的纤芯中，飞秒激光脉冲的高瞬时能量可以将光纤的纤芯中材料电离从而在光纤中形成可以控制的折射率调制；

第二步，使用步进电机使得光纤沿着光纤轴向方向移动，移动的间隔和速度可以通过程序控制；

第三步，通过多次多位置的折射率调制，就形成了光纤随机光栅。在加工的过程中，可以将光纤沿其轴向进行旋转，实现光纤径向折射率调制的可控；

第四步，在加工的过程中使用CCD及光谱仪进行在线的监测，以进行在线的过程控制，制作需要的反射率、反射率的纹波。

基于上述技术方案，本发明专利的新型分布式光纤声波传感系统经过实践应用取得了如下技术效果：

1.本发明中随机光栅是在光纤中进行折射率调制，但是调制的周期是完全随机的，将形成了一系列光纤中位置随机的反射点，这样结果就是随机光栅对光信号的反射和透射都是宽谱的，不存在类似于光纤布拉格光栅具有的对外界环境敏感的特征波长，可以等效于反射率比较弱的反射镜，我们利用光纤中一序列的随机光栅实现时分复用(TDM)的干涉仪，任意相邻的两个随机光栅和他们中间的光纤形成一个干涉仪。

2.在本发明中我们控制随机光栅的反射率在-40～-50dB之间，这样可以避免两个随机光栅之间的腔体效应及多次反射的影响。从而整个系统就变成了经典的TDM干涉仪阵列系统。

3.本发明通过随机光栅的应用，探测的对象就简简单单的是两点之间的相位变化，理论上对线性度造成影响的就是栅区的长度，但是那只有mm量级；同时由于随机光栅的反射率比RBS强很多(30～40dB)，信号信噪比提高很多；并且随机光栅反射谱为宽谱，不会出现像弱光栅一样的波长漂移；随机光栅本身不是偏振选择性器件，反射信号的偏振选择性可以忽略。

附图说明

图1是现有技术中分布式光纤声波传感系统的组成示意图。

图2是现有技术中分布式光纤声波传感系统中常规FBG反射谱图。

图3是替换为随机光栅后实现TDM的干涉仪的反射谱图。

图4是分布式光纤声波传感系统中替换了随机光栅的组成示意图。

图5是本发明一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统实施例1的结构示意图。

图6是本发明一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统实施例2的结构示意图。

图7是本发明一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的新型分布式光纤声波传感系统做进一步的详细描述，以求更为清楚明了地理解其技术特征和工作方式，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。

图1为经典的时分复用干涉仪系统，其中传感光纤上有许多耦合器，耦合器将光纤中的信号分离一部分出来到反射镜(图中的FRM)，这样任意两个相邻的反射镜就形成了一个干涉仪，通过入射的脉冲对可以实现任意两个相邻反射镜之间光纤的相位变化测量。而现有的分布式光纤振动传感系统(DAS)只是图1的一种变种，其去除了传感光纤上的耦合器及反射镜，直接使用光纤中存在的瑞利背向散射作为反射镜的替代，只不过瑞利背向散射是光纤沿线任意位置都存在的、并且相对强度十分弱。这样就实现了现有的商用DAS系统，可以进行长距离、分布式的振动测量。但是由于RBS自身的特征，DAS系统整体信噪比及线性度相对经典的TDM干涉仪系统都相差很多。

现有技术存在一些用于提高信号强度的手段等，比如使用TDM的弱光栅系统，也可以实现比较高性能的测量，但是弱光栅系统由于本身为光纤布拉格光栅，其反射特征为一个对于外界环境敏感的反射峰，如图2，这样在实际的工程应用中，反射峰的漂移会使得系统不可用；并且相邻的弱光栅之间由于其比较窄的特征反射峰容易产生串扰现象。

而随机光栅也是在光纤中进行折射率调制，但是调制的周期是完全随机的，可以认为是光纤中的一系列弱反射点，这样结果就是随机光栅对光信号的反射和透射都是宽谱的，如图3，不存在某个对外界环境敏感的特征波长，可以等效于就是反射率比较弱的反射镜。

本发明专利中拟利用光纤中一系列的随机光栅实现TDM的干涉仪阵列系统，如图4所示。任意两个相邻的随机光栅的反射就形成了一个干涉仪，图中光纤链路上的所有随机光栅就形成了一系列的干涉仪阵列，通过入射的高相干脉冲(对)就能实现对整个干涉仪阵列的相位解调。光纤随机光栅由于其制作过程中没有形成FBG那种相干特征，所以其反射谱并没有一个主要的反射峰，这样虽然其也会受到外界温度及应力的影响，但是其反射率能够保证在一个较大的波长范围内的一致性，从而保证测量系统中不同环境下的适应型。

以下是几个基于随机光栅的分布式光纤传感系统的结构类型：

实施例1

本实施例是一种基于随机光栅的新型分布式光纤传感系统。如图5所示，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述的窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器AOM上，脉冲调制器的输出端连接至环形器端口1，该环形器的端口2连接传感光纤，端口3通过光纤信号放大器及窄线宽光纤滤波器后连接至光电探测器，所述的光电探测器将光信号转变为电信号后，入射至相位解调系统；在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；所述脉冲调制器为AOM，其调制出两个频率(f1/f2，频差为Δf)的脉冲对，间隔为ΔT，ΔT为2倍的随机光栅间隔2Δz。

实施例2

本实施例是一种基于随机光栅的分布式光纤传感系统。如图6所示，该新型分布式光纤声波系统在结构组成上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述的窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器端口1，该环形器的端口2连接传感光纤、端口3连接至一个2*2耦合器上；在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；所述的2*2耦合器的一臂设有ΔL的延迟光纤，然后再入射至一个3*3耦合器进行相位解调。

实施例3

本实施例是一种基于随机光栅的分布式光纤传感系统。如图7所示，该新型分布式光纤传感系统在结构组成上包括有窄线宽激光器、耦合器、脉冲调制器、环形器、传感光纤，所述的窄线宽激光器的输出端连接至耦合器、耦合器一臂连接至脉冲调制器AOM，另一笔作为参考臂，脉冲调制器AOM的输出端连接至环形器端口1并通过端口2连接至传感光纤，在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；传感光纤反射会的信号通过环行器端口3和耦合器的参考臂耦合并由一个平衡探测器(BPD)接收进行相位解调。

上述随机光栅利用飞秒激光进行制作，其制作过程是：

第一步，所述传感光纤上的随机光栅利用飞秒激光进行制作，将飞秒激光经光束整形后聚焦在光纤的纤芯中，飞秒激光脉冲的高瞬时能量可以将光纤的纤芯中材料电离从而在光纤中形成可以控制的折射率调制；

第二步，使用步进电机使得光纤沿着光纤轴向方向移动，移动的间隔和速度可以通过程序控制；

第三步，通过多次多位置的折射率调制，就形成了光纤随机光栅。在加工的过程中，可以将光纤沿其轴向进行旋转，实现光纤径向折射率调制的可控；

第四步，在加工的过程中使用CCD及光谱仪进行在线的监测，以进行在线的过程控制，制作需要的反射率、反射率的纹波。

毫无疑问，以上只是本发明基于随机光栅的分布式光纤式传感系统的几种常见的实现形式，重点在于在传感光纤上加入了随机光栅，完全实现了系统的质变，当然还可以有其他实现的结构形式来更换。总而言之，本发明专利申请的保护范围还包括其他对于本领域技术人员来说显而易见的变换和替代。

Claims (5)

1.一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器的端口1，该环形器的端口2连接至传感光纤，在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，环行器的端口3连接至所述的探测器上，所述的探测器连接滤波器和解调器；所述的随机光栅间隔为Δz；所述脉冲调制器为AOM，其调制出两个频率分别为f1和f2的脉冲，其中两个频率的频差为Δf；或者调制出多个不同频差的脉冲对，间隔为ΔT，ΔT为2倍的随机光栅间隔2Δz；所述解调器接收经过Δf的带通滤波器滤波后同Δf的本振进行相位解调。

2.一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、脉冲调制器、环形器、传感光纤和探测器，所述的窄线宽激光器的输出端连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器的端口1，该环形器的端口2连接至传感光纤、端口3连接至一个2*2耦合器；在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；所述的2*2耦合器的一臂设有ΔL的延迟光纤，然后再由一个3*3耦合器进行相位解调，ΔL为2倍的随机光栅间隔。

3.一种基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，该分布式光纤声波传感系统结构上包括有窄线宽激光器、耦合器、脉冲调制器、环形器、传感光纤，所述的窄线宽激光器的输出端连接所述的耦合器，所述耦合器的一臂连接至脉冲调制器上，脉冲调制器的输出端连接至环形器的端口1，所述环形器的端口2连接传感光纤，在所述的传感光纤上刻有多组随机光栅，所述的随机光栅间隔为Δz；所述环形器的端口3同所述耦合器的另一臂通过另外一个耦合器一起连接至平衡探测器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述随机光栅的反射率在-40～-50dB。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于随机光栅的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述传感光纤上随机光栅的制作流程如下：

第一步，所述传感光纤上的随机光栅利用飞秒激光进行制作，将飞秒激光经光束整形后聚焦在光纤的纤芯中，飞秒激光脉冲的高瞬时能量可以将光纤的纤芯中材料电离从而在光纤中形成可以控制的折射率调制；

第二步，使用步进电机使得光纤沿着光纤轴向方向移动，移动的间隔和速度可以通过程序控制；

第三步，通过多次多位置的折射率调制，就形成了光纤随机光栅。在加工的过程中，将光纤沿其轴向进行旋转，实现光纤径向折射率调制的可控；

第四步，在加工的过程中使用CCD及光谱仪进行在线的监测，以进行在线的过程控制，制作需要的反射率及其纹波特性。