CN110440900B - 一种光纤分布式声波传感系统 - Google Patents

一种光纤分布式声波传感系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110440900B
CN110440900B CN201910743754.9A CN201910743754A CN110440900B CN 110440900 B CN110440900 B CN 110440900B CN 201910743754 A CN201910743754 A CN 201910743754A CN 110440900 B CN110440900 B CN 110440900B
Authority
CN
China
Prior art keywords
active phase
excitation light
shift grating
phase shift
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910743754.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110440900A (zh
Inventor
王晨
尚盈
赵文安
李常
曹冰
黄胜
倪家升
王昌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Laser Institute of Shandong Academy of Science
Original Assignee
Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Laser Institute of Shandong Academy of Science filed Critical Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority to CN201910743754.9A priority Critical patent/CN110440900B/zh
Priority to US16/567,339 priority patent/US11248952B2/en
Priority to FR1910074A priority patent/FR3099952B1/fr
Publication of CN110440900A publication Critical patent/CN110440900A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110440900B publication Critical patent/CN110440900B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
    • G01D5/35387—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques using wavelength division multiplexing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

本申请公开一种光纤分布式声波传感系统，包括正向泵浦源、波分复用器、有源相移光栅阵列、反向泵浦源、数据解调与处理装置；有源相移光栅阵列包括在同一光纤中刻入的若干有源相移光栅，各个有源相移光栅具有相同的激发光波长；有源相移光栅阵列，用于接收正向泵浦脉冲以及从反向泵浦源入射的反向泵浦光脉冲，以使每个有源相移光栅中生成正向激发光和反向激发光，并且在同一脉冲时间内使相邻两个有源相移光栅产生激发光自干涉；数据解调与处理装置，用于对相邻两个有源相移光栅之间的光纤相位进行干涉检测，以测量作用于所述光纤的声波信号。本申请所述系统是采用主动激发光干涉替代被动反射光干涉，激发光信号强度大且稳定性高，环境适应性高。

Description

一种光纤分布式声波传感系统
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤分布式声波传感系统。
背景技术
声波检测技术是对声波信号进行检测和监控的传感技术，可以对快速可变的声波振动进行振频、相位和振幅的实时采集。基于光纤传感的声波检测技术具有频带宽、灵敏度高、耐高温和不受电磁场干扰等优点，广泛应用于天然气和石油开采开发，民用设施如桥梁、大型建筑等土木工程的健康监测，以及军事、国防等领域，其中光纤分布式声波传感技术因大范围、高性价比、高信息获取效率等优势逐渐成为光纤传感研究的重点。
根据传感光纤的不同，现有光纤分布式声波检测系统主要分为两大类：一种是将窄线宽的分布式反馈光纤激光器(DFB-FL，Distributed Feedback-Fiber Laser)作为光源，利用光纤内后向瑞利散射，不同时刻返回的瑞利散射光对应着探测光纤上的不同位置，通过相位解调获取不同位置处外声场信息；另一种是将窄线宽的分布式反馈光纤激光器(DFB-FL，Distributed Feedback-Fiber Laser)作为光源，利用无源全同弱光纤光栅，在光纤中插入大量反射率不足千分之一的无源全同弱光纤光栅替代瑞利散射，使得后向散射光稳定性显著增强。
然而，上述第一种方案，光纤瑞利散射的缺点在于其本质上仍是一种随机过程，强度非常微弱，且存在随机涨落等问题，虽然通过相位解调技术可以提高解调稳定性，但仍受偏振衰落等问题的困扰；而上述第二种方案，无源全同弱光纤光栅的缺点在于其反射波长易受局部温度、应力影响而发生漂移，在入射光波长不变的前提下，容易造成光纤上某些位置反射光出现“空洞”，则这些位置的外声场信号就无法被采集和解调出来，使得此方案的环境适应性较差。因此，亟需一种信号强度大、信号稳定且环境适应性高的光纤分布式声波传感系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供一种光纤分布式声波传感系统。
本申请提供一种光纤分布式声波传感系统，包括正向泵浦源、波分复用器、有源相移光栅阵列、反向泵浦源、数据解调与处理装置；所述波分复用器用于接收从正向泵浦源入射的正向泵浦脉冲，将所述正向泵浦脉冲传输至有源相移光栅阵列，并将有源相移光栅阵列反馈的激发光信号传输至数据解调与处理装置；所述有源相移光栅阵列包括在同一光纤中刻入的若干有源相移光栅，各个有源相移光栅具有相同的激发光波长；
所述有源相移光栅阵列，用于接收所述正向泵浦脉冲以及从反向泵浦源入射的反向泵浦光，以使每个有源相移光栅中生成正向激发光和反向激发光，并且在同一脉冲时间内使相邻两个有源相移光栅产生激发光自干涉；
所述数据解调与处理装置，用于对相邻两个有源相移光栅之间的光纤相位进行干涉检测，以测量作用于所述光纤的声波信号。
可选地，所述正向泵浦脉冲的理论长度l大于所述有源相移光栅阵列中各有源相移光栅的间距Δl；其中，l＝cw/2nf，c为真空中的光速，w为所述正向泵浦脉冲的脉冲宽度，nf为所述光纤的折射率。
可选地，所述激发光自干涉包括：
当第i个与第i+1个有源相移光栅的透射窗口交叠或部分交叠时，第i个与第i+1个有源相移光栅的反向激发光发生干涉，1﹤i≦N，N为所述有源相移光栅阵列中包括的有源相移光栅的总数。
可选地，所述激发光自干涉包括：
当第i个与第i+1个有源相移光栅的透射窗口不存在交叠时，第i个有源相移光栅的反向激发光与第i+1个有源相移光栅反射回的第i个有源相移光栅的正向激发光发生干涉，1﹤i≦N，N为所述有源相移光栅阵列中包括的有源相移光栅的总数。
可选地，所述数据解调与处理装置包括耦合器、干涉仪、三个主探测器和数据采集处理模块；所述主探测器的输入端与所述耦合器的第一侧端口连接，所述干涉仪与所述耦合器的第二侧端口连接，所述数据采集处理模块与主探测器的输出端连接；所述耦合器用于将有源相移光栅阵列反馈的激发光信号耦合至干涉仪，并将干涉仪反射回的光信号耦合至所述主探测器；所述主探测器用于对所述干涉仪反射回的光信号进行测量，所述数据采集处理模块用于采集所述主探测器的测量结果，并计算所述声波信号的声压。
可选地，所述数据解调与处理装置还包括偏振监控探测器，所述偏振监控探测器的输入端与所述耦合器的第二侧端口连接，所述偏振监控探测器的输出端与数据采集处理模块连接；所述偏振监控探测器用于根据所述干涉仪反射回的光信号，获取所述干涉仪的偏振状态，并将所述干涉仪的偏振状态发送至数据采集处理模块。
可选地，所述系统还包括调制器，所述调制器用于将所述正向泵浦源发出的正向泵浦光调制为正向泵浦脉冲。
可选地，所述数据解调与处理装置还包括放大器、滤波器和环形器，所述放大器的输入端与所述波分复用器连接，所述放大器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述耦合器的第一侧端口连接，所述环形器的第三端口与一个主探测器连接。
可选地，所述系统还包括若干串接的级联结构，每个所述级联结构包括一个合束器、一个附加的反向泵浦源和多个附加的有源相移光栅，所述合束器与所述附加的反向泵浦源连接，相邻两个级联结构的合束器之间连接多个附加的有源相移光栅
本申请具备的有益效果如下：本申请采用具有相同激发光波长的全同有源相移光栅阵列，来替代现有的普通光纤/被动的无源全同弱光纤光栅，同时，在光源上利用泵浦源替代窄线宽分布反馈光纤激光器，同时设置正向泵浦源和反向泵浦源。正向泵浦源可以是脉冲泵浦源，或者，使正向泵浦源输出的正向泵浦光经过调制器调制为正向泵浦脉冲，而反向泵浦源发出的反向泵浦光则为连续光。当存在泵浦脉冲入射有源相移光栅时，有源相移光栅会主动生成高相干激发光，并且同一脉冲时间内使相邻两个有源相移光栅产生激发光自干涉，从而可通过相位解调检测声波信号。本申请替代现有的被动反射光干涉的检测模式，相较于瑞利散射，激发光信号强度大且稳定性高；相较于无源全同弱光纤光栅，本申请激发光波长可以随环境变化，不会出现空洞，提高了环境适应性，提高了光纤分布式声波检测的可靠性和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例示出的光纤分布式声波传感系统结构示意图；
图2为本申请实施例示出的当相邻两个有源相移光栅透射窗口交叠或部分交叠时，相邻两个全同有源相移光栅自干涉示意图；
图3为本申请实施例示出的当相邻两有源相移光栅透射窗口不交叠时，相邻两个全同有源相移光栅自干涉示意图；
图4为本申请另一实施例示出的另一种光纤分布式声波传感系统结构示意图；
图5(a)为本申请实施例示出的泵浦脉冲激发有源相移光栅阵列时的时域信号波形图；
图5(b)为本申请实施例示出的单个泵浦脉冲激发有源相移光栅的线宽频域谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请一实施例提供一种光纤分布式声波传感系统，所述系统包括正向泵浦源、波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)、有源相移光栅阵列、反向泵浦源、数据解调与处理装置。泵浦源为发出泵浦光的光源设备，正向泵浦源与反向泵浦源向有源相移光栅阵列泵浦光入射的泵浦光方向相反。有源相移光栅阵列是在同一掺铒光纤上每间隔Δl刻入有源相移光栅，即光栅间距为Δl，各个有源相移光栅具有相同的激发光波长。有源相移光栅(active phase-shifted fiber Bragg gratings，apsFBG)指在掺铒光纤上刻写作为谐振腔的相移光栅，有源相移光栅具有π相移，当存在泵浦光注入时，有源相移光栅将会形成高相干激发光。激发光与泵浦光波长不同，通过WDM进行耦合与分离。
可选地，正向泵浦源可以是脉冲泵浦源；或者，所述系统包括调制器，正向泵浦源与WDM之间通过调制器连接，调制器用于将正向泵浦源发出的正向泵浦光调制为正向泵浦脉冲。而反向泵浦源发出的反向泵浦光则为连续光。
有一束脉冲宽度为ω的泵浦脉冲入射到有源相移光栅阵列内，使有源相移光栅随时间逐个激发，每个有源相移光栅在激发时，同时产生正向激发光和反向激发光。在满足正向泵浦脉冲的理论长度l大于所述有源相移光栅阵列中各有源相移光栅的间距Δl时，(其中，l＝cw/2nf，c为真空中的光速，w为所述正向泵浦脉冲的脉冲宽度，nf为所述光纤的折射率)，如图2所示的激发光自干涉示例，当第i个与第i+1个有源相移光栅的透射窗口交叠或部分交叠时，第i个与第i+1个有源相移光栅的反向激发光可直接发生干涉；如图3所示的激发光自干涉示例，当第i个与第i+1个有源相移光栅的透射窗口不交叠时，第i+1个有源相移光栅可视为普通光纤光栅，第i+1个有源相移光栅将作为光栅反射镜反射第i个有源相移光栅的正向激发光，使得第i个有源相移光栅的正向激发光和反向激发光发生干涉。其中，1﹤i≦N，N为所述有源相移光栅阵列中包括的有源相移光栅的总数。
由图2和图3可知，在满足正向泵浦脉冲的理论长度l大于所述有源相移光栅阵列中各有源相移光栅的间距Δl时，本申请可以实现有源相移光栅阵列中每个有源相移光栅全同或不全同的情况下，同一脉冲时间内相邻两个有源相移光栅发生激发光自干涉，通过这种有源相移光栅阵列的自干涉机制，可以保证任意时刻始终都能够发生干涉。本实施例中出现的“全同”是指有源相移光栅阵列中各个有源相移光栅完全相同。
波分复用器接收从正向泵浦源入射的正向泵浦脉冲，将正向泵浦脉冲传输至有源相移光栅阵列；有源相移光栅阵列接收正向泵浦脉冲以及从反向泵浦源入射的连续反向泵浦光，以使每个有源相移光栅中生成正向激发光和反向激发光，并且如图2或图3，可实现在同一脉冲时间内使相邻两个有源相移光栅产生激发光自干涉；波分复用器将有源相移光栅阵列反馈的激发光信号传输至数据解调与处理装置；数据解调与处理装置，用于对相邻两个有源相移光栅之间的光纤相位进行干涉检测，以测量作用于所述光纤的声波信号。
本申请采用具有相同激发光波长的有源相移光栅阵列，来替代现有的普通光纤/被动的无源全同弱光纤光栅，同时，在光源上利用泵浦源替代窄线宽分布反馈光纤激光器，同时设置正向泵浦源和反向泵浦源。当存在泵浦脉冲入射有源相移光栅时，有源相移光栅会主动生成高相干激发光，这时的有源相移光栅相当于传感光纤内的“光源”，可以主动生成激发光，并且同一脉冲时间内使相邻两个有源相移光栅产生激发光自干涉，从而采用干涉测量相邻两有源相移光栅之间光纤中的相位变化，即可测量声波信号的声压。本方案相较于瑞利散射，激发光信号强度大且稳定性高；相较于无源全同弱光纤光栅的被动反射光干涉机制，本申请为主动激发光干涉机制，激发光波长可以随环境变化，不会出现空洞，提高了环境适应性，提高了光纤分布式声波检测的可靠性和准确性。
下面本系统声波信号的原理，声波实际上是压力波，处于声场中的光纤会受到压力的作用，即声压。当一束光沿光纤轴向传播L长的距离后，光波相位Φ为：
Figure BDA0002164876730000051
式中，nf为光纤的折射率，λ为入射光波长。当光纤受到压力作用时，会使在光纤中传播的光的相位发生变化，相位变化ΔΦ为：
Figure BDA0002164876730000052
式中，ΔL为压力产生应变引起光纤长度的变化，
Figure BDA0002164876730000053
表示光纤长度变化引起的相位移；Δnf为因光纤的弹光效应引起的折射率的变化，
Figure BDA0002164876730000054
表示传播常数的变化所引起的相位移。
对于传播常数的变化所引起的相位移，可由下得出：逆介电张量的变化Δβm表示为：
Figure BDA0002164876730000055
式中，Q为弹光系数矩阵；S为光纤的应变分量，即为光纤各方向的应变。在光纤未受应力时，光纤为各向同性介质，其有6个运动维度，弹光系数矩阵Q表示为：
Figure BDA0002164876730000061
其中，
Figure BDA0002164876730000062
p11、p12和p44弹光系数矩阵分量。
当光纤受到声压P作用时，光纤的应变分量S可表示为：
Figure BDA0002164876730000063
其中，S1～S6是与弹光系数矩阵Q相对应的6个应变分量，E为光纤杨氏模量，μ为光纤泊松比，因此逆介电张量的变化Δβm可表示：
Figure BDA0002164876730000064
由关系式
Figure BDA0002164876730000065
Δnm为由某运动方向上逆介电张量的变化所引起的光纤折射率变化，其中m＝1～6，可求出折射率的变化：
Figure BDA0002164876730000066
其中，Δn1为第一维度对应的折射率变化，Δn2为第二维度对应的折射率变化。由于光沿轴向传播，所以总折射率变化Δnf为：Δnf＝Δn1+Δn2。
又因为光纤的轴向应变为S3＝2μP/E，则光纤长度变化ΔL＝2LμP/E，因此得到相位变化ΔΦ为：
Figure BDA0002164876730000067
对于石英光纤，p11＝0.13、p12＝0.28，nf＝1.46，E＝7.2×1010N/m2，μ＝0.17，λ＝1550nm，则单位长度光纤相位变化ΔΦL与声压P的响应关系为：
Figure BDA0002164876730000071
因此，在数据解调与处理装置中，通过相位解调获取相邻两全同有源相移光栅之间光纤中的相位变化，即可测量声波信号的声压。相位解调的基本原理为：光波在能量场传播过程中，相位变换发生在某段敏感的单模光纤内，利用被测能量场的作用和干涉测量技术，使相位变化转换成光强变化，从而还原出本申请需要检测的声压物理量。
如图4所示，本申请另一实施例提供一种光纤分布式声波传感系统，在前述系统结构的基础上，数据解调与处理装置包括耦合器、干涉仪、三个主探测器和数据采集处理模块。主探测器的输入端与所述耦合器的第一侧端口连接，干涉仪与所述耦合器的第二侧端口连接，数据采集处理模块与主探测器的输出端连接；耦合器用于将有源相移光栅阵列反馈的激发光信号耦合至干涉仪，并将干涉仪反射回的光信号耦合至所述主探测器；主探测器用于对干涉仪反射回的光信号进行测量，数据采集处理模块用于采集所述主探测器的测量结果，并计算所述声波信号的声压。本实施例的干涉仪，包括两个法拉第旋转镜(FaradayRotator Mirror，FRM)，分别代表干涉仪的传感臂和参考臂，两个FRM由两个不同长度的光纤连接至耦合器，光纤长度差为S，即半臂长差为S，从而构造成迈克尔逊干涉仪，干涉光束偏振态在干涉仪中随机涨落，偏振引起的信号衰减可以利用FRM反射镜来消除。
为解决常规相位解调过程中容易出现的偏振衰落的问题，作为本实例的可选方案，数据解调与处理装置还包括偏振监控探测器，偏振监控探测器的输入端与耦合器的第二侧端口连接，偏振监控探测器的输出端与数据采集处理模块连接；所述偏振监控探测器用于根据所述干涉仪反射回的光信号，获取所述干涉仪的偏振状态，并将所述干涉仪的偏振状态发送至数据采集处理模块。
图4中，给出的是采用三个主探测器的示例，分别为PD1、PD2和PD3，则对应采用3×3耦合器。3×3耦合器的第一侧(图4中为左侧)包括三个端口，分别连接PD1、PD2和PD3的输入端，PD1、PD2和PD3的输出端分别与数据采集处理模块连接，PD1～PD3与干涉仪分别位于3×3耦合器的两侧，干涉仪反射回的光信号从3×3耦合器分别进入3个探测器；3×3耦合器的第二侧(图4中为右侧)同样包括三个端口，分别连接迈克尔逊干涉仪的第一个FRM、第二个FRM以及PD4的输入端，PD4的输出端连接数据采集处理模块，干涉仪与PD4位于3×3耦合器的同一侧，PD4相当于偏振监控窗口，动态监控干涉仪内的偏振情况，从而为偏振回馈提供控制信息，通过监控偏振状态指导干涉仪的偏振控制，从而避免出现偏振衰落的问题，从而保证光纤分布式声波检测的可靠性和准确性。
作为本实施例的可选方案，所述数据解调与处理装置还包括放大器、滤波器和环形器，放大器用对有源相移光栅阵列的激发光信号进行放大处理，滤波器用于对放大后的激发光信号进行滤波处理，以便后续进行相位解调。需要说明的是，本实施例中还可根据实际应用要求，采用其他类型的元器件对信号进行处理，放大器、滤波器等信号处理元件的功能和应用等方面内容可参照现有相关技术，本实施例不再赘述。环形器是一个多端口器件，使信号沿单方向环形传输，反方向是隔离的。放大器的输入端与WDM连接，所述放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与环形器的第一端口连接，环形器的第二端口与耦合器的第一侧的一个端口连接，环形器的第三端口与一个主探测器连接。
图4中，激发光信号从WDM进入数据解调与处理装置后，依次经过放大器、滤波器和环形器的第一端口，再从环形器的第二端口进入耦合器，并将耦合器后分别进入干涉仪和PD4；对于干涉仪反射回来的光信号，第一支从耦合器第一侧第一个端口和环形器的第三端口进入PD1，第二支从耦合器第一侧第二个端口进入PD2，第三支从耦合器第一侧第三个端口进入PD3。本申请属于干涉型的光纤分布式声波传感系统，采用如图4所示的基于3×3光纤耦合器的被动相位解调方式，把光波相位的变化转换成光波强度的变化，可以实现无零差相位解调，具有测量范围大、便于判断方向、灵敏度高和易于全光纤化等优点。PD1、PD2和PD3分别探测3×3耦合器第一侧三个端口的输出光波的强度，PD1、PD2和PD3将探测结果I1、I2和I3分别发送至数据采集处理模块；数据采集处理模块采集I1、I2和I3，并对数据进行处理和计算，从而得到声压检测数据。需要说明的是，基于3×3光纤耦合器的被动相位解调方式为现有的一种相位调解方式，本领域技术人员可参照现有技术的记载获取相关技术内容，本实施例不再赘述。
由于正向泵浦脉冲与反向预泵浦是有损耗的，因此单个反向泵浦源可容纳的有源相移光栅数是受限的，从而导致系统可检测的距离受限，对此，在本实施例可选的方案中，采用级联的方式来扩大阵列中有源相移光栅的容量，具体参照图4，所述系统还包括若干串接的级联结构，每个所述级联结构包括一个合束器、一个附加的反向泵浦源和多个附加的有源相移光栅，所述合束器与所述附加的反向泵浦源连接，相邻两个级联结构的合束器之间连接多个附加的有源相移光栅。本申请单独一个级联结构中，通过一个合束器续接有多个源相移光栅及多个光栅对应的一个反向泵浦源，利用不断级联串接的方式，来为有源相移光栅阵列附加更多的光栅及反向泵浦源，达到扩大阵列中有源相移光栅容量、提高系统可监测距离的目的。
本实施例对有源相移光栅阵列的脉冲激发特性作了验证，连接两个全同有源相移光栅、其间距5m，采用两个激发光波长为1480nm泵浦源，分别作为正向泵浦源和泵浦源，正向脉冲泵浦重复频率为500kHz，脉冲宽度为50ns，通过调节光纤内铒离子浓度、均衡泵浦与自脉动效应，结果如图5(a)和图5(b)所示，验证了全同有源相移光栅阵列可以脉冲激发且保持窄线宽特性，单个脉冲线宽约50kHz，可以满足干涉探测的要求，从而实现声波检测。
本实施例中，本申请采用具有相同激发光波长的有源相移光栅阵列，来替代现有的普通光纤/被动的无源全同弱光纤光栅，同时，在光源上利用正向泵浦源和反向泵浦源来替代窄线宽分布反馈光纤激光器，从而实现主动激发光干涉，有源相移光栅阵列的自干涉机制，能够保证任意时刻干涉始终能够发生，并且激发光信号强度大且稳定性高，相较于传统的被动反射光干涉模式，不会出现空洞，可以保证外声场信号能够被采集和解调出来，从而提高了光纤分布式声波检测的可靠性和准确性，环境适应性更高。利用PD4实现偏振监控，能够动态监控干涉仪内的偏振情况，避免出现相位调解过程中干涉仪出现偏振衰落。利用级联方式，扩大阵列中有源相移光栅的容量，可以实现长距离声波检测。
需要说明的是，在图1所示系统结构的基础上，数据解调与处理装置的具体结构不限于图4所示，在实际应用中，可以对信号处理元件、干涉仪、相位调解相关装置等进行选取、增加、替换或组合。本实施例中，数据解调与处理装置中所涉及的各个元器件的功能、原理和工作模式等内容均可参照相关现有技术。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种光纤分布式声波传感系统，其特征在于，包括正向泵浦源、波分复用器、有源相移光栅阵列、反向泵浦源、数据解调与处理装置；所述波分复用器用于接收从正向泵浦源入射的正向泵浦脉冲，将所述正向泵浦脉冲传输至有源相移光栅阵列，并将有源相移光栅阵列反馈的激发光信号传输至数据解调与处理装置；所述有源相移光栅阵列包括在同一光纤中刻入的若干有源相移光栅，各个有源相移光栅具有相同的激发光波长；
所述有源相移光栅阵列，用于接收所述正向泵浦脉冲以及从反向泵浦源入射的反向泵浦光，以使每个有源相移光栅中生成正向激发光和反向激发光，并且在同一脉冲时间内使相邻两个有源相移光栅产生激发光自干涉；
所述数据解调与处理装置，用于对相邻两个有源相移光栅之间的光纤相位进行干涉检测，以测量作用于所述光纤的声波信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述正向泵浦脉冲的理论长度l大于所述有源相移光栅阵列中各有源相移光栅的间距Δl；其中，l＝cw/2nf，c为真空中的光速，w为所述正向泵浦脉冲的脉冲宽度，nf为所述光纤的折射率。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激发光自干涉包括：
当第i个与第i+1个有源相移光栅的透射窗口交叠或部分交叠时，第i个与第i+1个有源相移光栅的反向激发光发生干涉，1﹤i≦N，N为所述有源相移光栅阵列中包括的有源相移光栅的总数。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激发光自干涉包括：
当第i个与第i+1个有源相移光栅的透射窗口不存在交叠时，第i个有源相移光栅的反向激发光与第i+1个有源相移光栅反射回的第i个有源相移光栅的正向激发光发生干涉，1﹤i≦N，N为所述有源相移光栅阵列中包括的有源相移光栅的总数。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据解调与处理装置包括耦合器、干涉仪、主探测器PD1、主探测器PD2、主探测器PD3和数据采集处理模块；所述耦合器的第一侧包括三个端口，分别连接主探测器PD1、主探测器PD2和主探测器PD3的输入端；所述干涉仪与所述耦合器的第二侧端口连接，主探测器PD1、主探测器PD2和主探测器PD3的输出端分别与所述数据采集处理模块连接；所述耦合器用于将有源相移光栅阵列反馈的激发光信号耦合至干涉仪，并将干涉仪反射回的光信号分别耦合至主探测器PD1、主探测器PD2和主探测器PD3；主探测器PD1、主探测器PD2和主探测器PD3分别用于对所述干涉仪反射回的光信号进行测量，所述数据采集处理模块用于采集主探测器PD1、主探测器PD2和主探测器PD3的测量结果，并计算所述声波信号的声压。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据解调与处理装置还包括偏振监控探测器，所述偏振监控探测器的输入端与所述耦合器的第二侧端口连接，所述偏振监控探测器的输出端与数据采集处理模块连接；所述偏振监控探测器用于根据所述干涉仪反射回的光信号，获取所述干涉仪的偏振状态，并将所述干涉仪的偏振状态发送至数据采集处理模块。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括调制器，所述调制器用于将所述正向泵浦源发出的正向泵浦光调制为正向泵浦脉冲。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据解调与处理装置还包括放大器、滤波器和环形器，所述放大器的输入端与所述波分复用器连接，所述放大器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述耦合器的第一侧端口连接，所述环形器的第三端口与一个主探测器连接。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括若干串接的级联结构，每个所述级联结构包括一个合束器、一个附加的反向泵浦源和多个附加的有源相移光栅，所述合束器与所述附加的反向泵浦源连接，相邻两个级联结构的合束器之间连接多个附加的有源相移光栅。
CN201910743754.9A 2019-08-13 2019-08-13 一种光纤分布式声波传感系统 Active CN110440900B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910743754.9A CN110440900B (zh) 2019-08-13 2019-08-13 一种光纤分布式声波传感系统
US16/567,339 US11248952B2 (en) 2019-08-13 2019-09-11 Fiber distributed acoustic sensing system
FR1910074A FR3099952B1 (fr) 2019-08-13 2019-09-12 Système de détection acoustique distribuée à fibre optique

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910743754.9A CN110440900B (zh) 2019-08-13 2019-08-13 一种光纤分布式声波传感系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110440900A CN110440900A (zh) 2019-11-12
CN110440900B true CN110440900B (zh) 2021-06-04

Family

ID=68434927

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910743754.9A Active CN110440900B (zh) 2019-08-13 2019-08-13 一种光纤分布式声波传感系统

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11248952B2 (zh)
CN (1) CN110440900B (zh)
FR (1) FR3099952B1 (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111829584B (zh) * 2020-07-06 2023-08-01 山东省科学院 海洋温度及压力的连续空间同步监测装置
CN112255318A (zh) * 2020-10-16 2021-01-22 哈尔滨工程大学 复杂构型件缺陷光纤声检测系统及其检测和成像方法
CN112504433B (zh) * 2020-12-18 2022-02-11 西北大学 温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置及方法
CN113188647B (zh) * 2021-04-12 2022-02-08 武汉理工大学 三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法
US20220326068A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-13 Wuhan University Of Technology Grating enhanced distributed vibration demodulation system and method based on three-pulse shearing interference
CN113702492B (zh) * 2021-07-27 2022-06-28 武汉理工大学 基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置及方法
CN114604289A (zh) * 2022-03-16 2022-06-10 武汉理工大学 一种光纤光栅阵列传感的无砟轨道板状态监测系统及方法
CN115235602B (zh) * 2022-07-15 2023-06-23 中国人民解放军海军工程大学 可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法
CN115388918B (zh) * 2022-08-10 2024-06-18 武汉理工大学 一种分布式温度和振动测量系统和方法
CN117030000B (zh) * 2023-10-10 2024-01-12 之江实验室 一种分布式声波传感偏振控制系统及偏振衰落抑制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6250625A (ja) * 1985-08-30 1987-03-05 Oki Electric Ind Co Ltd 光フアイバ音響センサ
US6285806B1 (en) * 1998-05-31 2001-09-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Coherent reflectometric fiber Bragg grating sensor array
CN103152097A (zh) * 2013-03-12 2013-06-12 电子科技大学 一种采用随机激光放大的长距离偏振及相位敏感光时域反射计
CN103411660A (zh) * 2013-08-29 2013-11-27 山东省科学院激光研究所 光纤分布式声波监测系统
CN109655149A (zh) * 2019-01-14 2019-04-19 深圳华中科技大学研究院 一种光纤激光矢量水听器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206695897U (zh) * 2017-02-06 2017-12-01 安徽师范大学 一种基于双波长光源的分布式光纤振动定位传感系统
US11566937B2 (en) * 2019-05-22 2023-01-31 Nec Corporation Rayleigh fading mitigation via short pulse coherent distributed acoustic sensing with multi-location beating-term combination
CN110160573B (zh) * 2019-07-08 2022-03-25 山东省科学院激光研究所 艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6250625A (ja) * 1985-08-30 1987-03-05 Oki Electric Ind Co Ltd 光フアイバ音響センサ
US6285806B1 (en) * 1998-05-31 2001-09-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Coherent reflectometric fiber Bragg grating sensor array
CN103152097A (zh) * 2013-03-12 2013-06-12 电子科技大学 一种采用随机激光放大的长距离偏振及相位敏感光时域反射计
CN103411660A (zh) * 2013-08-29 2013-11-27 山东省科学院激光研究所 光纤分布式声波监测系统
CN109655149A (zh) * 2019-01-14 2019-04-19 深圳华中科技大学研究院 一种光纤激光矢量水听器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
采用后向瑞利散射空间差分的周界安防分布式振动监测;尚盈 等;《红外与激光工程》;20180531;第47卷(第5期);第0522001-1至0522001-6页 *

Also Published As

Publication number Publication date
US11248952B2 (en) 2022-02-15
FR3099952B1 (fr) 2022-01-28
CN110440900A (zh) 2019-11-12
US20210048337A1 (en) 2021-02-18
FR3099952A1 (fr) 2021-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110440900B (zh) 一种光纤分布式声波传感系统
Kersey Distributed and multiplexed fiber optic sensors
CN109238355B (zh) 光纤分布式动静态参量同时传感测量的装置及方法
CN110160572B (zh) 基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统
Muanenda et al. Application of Raman and Brillouin scattering phenomena in distributed optical fiber sensing
JP5973552B2 (ja) 少数モードセンシング光ファイバを用いる分布ブリルアンセンシングシステム及び方法
Dakin Multiplexed and distributed optical fibre sensor systems
JP6211542B2 (ja) センシングシステム及びそのようなシステムに用いるための少数モード光ファイバ
CN103471701B (zh) 一种光纤声波传感器及光纤声波探测方法
JP3749646B2 (ja) 偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法
EP3066423B1 (en) Single-end brillouin optical distributed sensing device and method
CN110726468B (zh) 一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统
US5946429A (en) Time-division multiplexing of polarization-insensitive fiber optic michelson interferometric sensor
CN101634571A (zh) 光纤脉栅分布传感装置
Bahrampour et al. Optical fiber interferometers and their applications
CN113790792A (zh) 一种基于零差探测的分布式光纤声波传感装置及解调方法
Rogers Distributed optical fiber sensing
EP2861947B1 (en) A method and device for pressure sensing
Pang et al. Broadband high-sensitivity acoustic sensing based on Brillouin random fiber laser
Yang et al. Thousands of fiber grating sensor array based on draw tower: a new platform for fiber-optic sensing
JP3925202B2 (ja) 高速波長検出装置
Meng et al. Distributed optical fiber sensing system based on bidirectional sensing structure and filtering effect of unbalanced Mach–Zehnder interferometer
Bian et al. Vibration measurement technique for repeated fiber-optic hydrophone transmission cable system
Kersey et al. Fiber-optic multisensor networks
Guo et al. Research on multi-wavelength single-longitudinal mode optical fiber laser with FBG and FBG based Fabry-Perot filter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant