CN110632025B - 一种具有低频检测性能的分布式光纤气体检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有低频检测性能的分布式光纤气体检测装置，包括依次连接的第一激光器、第一隔离器、声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二激光器、激光控制器、锁相放大器；环形器的第三端口依次连接第一耦合器、延迟光纤、第二耦合器、第一光电探测器、信号采集卡、脉冲发生器，脉冲发生器的控制端接声光调制器；信号采集卡的输出端连接信号处理及显示单元；本发明利用弱光纤光栅反射点融合自相干检测的测量系统，实现低频检测性能的分布式光纤气体检测，空芯光子晶体光纤作为传感光纤，传感光纤中熔接了弱光纤光栅作为固定反射点，结合多个探测器实现低频信号的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体检测装置及方法，具体涉及一种连续分布式光纤气体检测的装置及方法。
背景技术
以光纤作为传感和传输介质的分布式光纤传感器，整条光纤在传输信息的同时兼具传感元件的作用，可以实现对光纤沿线的全分布式的监测。与传统监测技术相比，分布式光纤传感器具有多项优势，一经出现就受到极大的重视，得到各个领域研究者的关注。因此，研制各种高灵敏度、快速响应、可远程定位检测的光纤气体传感器势在必行，已成为当今传感技术领域的主要研究内容。目前，报道的光纤气体传感器主要集中在基于普通或者光子晶体光纤的点式光纤气体传感器上，不能够实现远距离的在线气体检测，因此，充分利用光子晶体光纤在气体检测中的优势，研究分布式光纤气体传感器技术具有非常重要的学术价值和应用价值。
2014年李刚等提出了一种分布式气体传感系统及其控制方法，专利申请号为201410708072.1，通过主控板控制多路光开关，实现了一个激光器控制多路进行气体检测，大大降低了系统成本。2 0 1 5年，郑光辉等提出了分布式光纤传感器，专利申请号为201510071655.2，利用光纤将气体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，出射激光以及反射激光均通过光纤在上述两者之间传播，适合于远距离的站点气体传感检测。2015年，靳伟等研究人员提出了基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统，申请号为201510005210.4，采用泵浦和探测双激光方案进行检测，方法简单而实用，可以实现极小的光斑面积，大大提高了光功率密度，从而使光热信号强度得到增强。现有技术公开的发明所探测的频率范围主要为几十Hz到几百Hz级别，不能实现更低频信号的定量测量。
发明内容
本发明目的在于，提供一种具有低频检测性能的分布式光纤气体检测装置及方法，不仅能够克服现有气体检测技术的缺点与不足，实现分布式气体浓度的光纤气体检测，而且能够实现赫兹量级的低频信号的定量测量要求，易于实现等优点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有低频检测性能的分布式光纤气体检测装置，包括依次连接的第一激光器、第一隔离器、声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二激光器、激光控制器、锁相放大器；环形器的第三端口即3#端口依次连接第一耦合器、延迟光纤、第二耦合器、第一光电探测器、(第二光电探测器、第三光电探测器)、信号采集卡、脉冲发生器，脉冲发生器的控制端接声光调制器；信号采集卡的输出端连接信号处理及显示单元；
第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入声光调制器，声光调制器将激光信号调制成脉冲信号，脉冲信号进入第一掺铒光纤放大器中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器的1#端口，从环形器的2#端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器的2#端口进入环形器，从环形器的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第一耦合器，第一耦合器将背向瑞利散射信号分成并联的两束信号，第一束信号直接进入第二耦合器，第二束信号经延迟光纤后进入第二耦合器，第二耦合器将背向瑞利散射信号进入光电探测器转换成电信号、电信号输入到信号采集卡中；信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器的2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息，脉冲发射器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动光调制器工作，脉冲发射器(频率范围0-330MHz)输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器处在同步状态，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。
第二耦合器将背向瑞利散射信号分成三束信号，三束信号分别进入并联的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器后转换成三束电信号，三束电信号的作用是实现信号的自相干检测，降低信号的相位噪声，提高检测系统的灵敏度，电信号输入到信号采集卡中。
所述第一激光器和第二激光器均为波长和功率可调谐的激光器，所述传感光纤为光子带隙型空芯光子晶体光纤。
传感光纤沿光纤表面利用飞秒加工技术制作均匀分布或非均匀分布的小孔作为气体进入空芯光纤的通道，且光纤晶体光纤每隔一定间隔处连接弱反射光栅。传感光纤是2500m的光子晶体光纤，利用飞秒加工技术在传感光纤上间隔50m制作一个圆孔，圆孔的直径为7.0μm，且在传感光纤上从左向右连接3个弱光纤光栅，弱光纤光栅的间隔为100m，反射率分别为-34.8dB、-33.2dB和-36.3dB，反射中心波长都为1550.12nm。
所述光电探测器是平衡探测器或其它PIN光电探测器。
包括依次连接的第一激光器200、第一隔离器201、声光调制器202、第一掺铒光纤放大器203、环形器204、传感光纤205、第二掺铒光纤放大器206、第二隔离器207、第二激光器208、激光控制器209、锁相放大器210、第一耦合器211、延迟光纤212、第二耦合器213、第一光电探测器214、第二光电探测器215、第三光电探测器216、信号采集卡217、脉冲发生器218、信号处理及显示单元219。
第一激光器200发出的激光信号经第一隔离器201进入声光调制器202，声光调制器将激光信号调制成脉冲信号，脉冲信号进入第一掺铒光纤放大器203中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器204的1#端口，从环形器2042#端口输出进入传感光纤205，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号，背向2瑞利散射信号通过环形器1042#端口进入环形器204，从环形器2043#端口输出的背向瑞利散射信号进入第一耦合器211，第一耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，第一束信号进入第二耦合器213，第二束信号经延迟光纤212后进入第二耦合器213，第二耦合器213将背向瑞利散射分成三束信号，三束信号分别进入第一光电探测器214、第二光电探测器215和第三光电探测器216后转换成三束电信号，电信号输入到信号采集卡217中，信号采集卡217输出的一路信号进入到锁相放大器210，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器209，激光控制器的输出信号驱动第二激光器208，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器207进入第二掺铒光纤放大器206，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器206输出的信号，产生相位调制现象，从环形器2042#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息，脉冲发射器218产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动光调制器202工作，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡217的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器处在同步状态，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元219，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。
为达上述目的，一种具有低频检测性能的分布式光纤气体检测的方法，包括下列步骤：第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入声光调制器，声光调制器将激光信号调制成脉冲信号，脉冲信号进入第一掺铒光纤放大器中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器1#端口，从环形器2#端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第一耦合器，第一耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，第一束信号进入第二耦合器，第二束信号经延迟光纤后进入第二耦合器，第二耦合器将背向瑞利散射分成三束信号，三束信号分别进入第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器后转换成三束电信号，电信号输入到信号采集卡中，信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器的2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息，脉冲发射器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动光调制器工作，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器处在同步状态，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。脉冲发生器为Agilent81110A，输出信号的频率为0-330MHz，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡和声光调制器处在同步状态，最后显示的数据的时候需要事先标定浓度与相位大小的关系。在测量过程中，在测量过程中，采用查找表来进行相位解调技术，以消除解调过程中带来的噪声，提高分布式光纤气体检测系统的低频信号测量精度。
在空芯光子晶体光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体进入空芯光纤的通道，即光子带隙型PBG型光子晶体光纤；同时，传感光纤中熔接了(弱)光纤光栅作为固定反射点，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息，在测量过程中，在测量过程中，采用查找表来进行相位解调技术。
本发明利用弱光纤光栅反射点融合自相干检测的测量系统，实现低频检测性能的分布式光纤气体检测，空芯光子晶体光纤作为传感光纤，是检测气体与光相互作用的区域，传感光纤中熔接了弱光纤光栅作为固定反射点，结合多个探测器实现低频信号的准确测量。第二激光器发出的信号作为泵浦光在传感光纤中与气体相互作用，气体吸收泵浦光后产生周期性的调制特性，第一激光器发出的探测信号与周期性调制的气体相互作用，使得探测信号的相位产生变化，探测脉冲信号在传感光纤中产生背向瑞利散射信号，通过检测反射的瑞利散射信号相位信息，得到传感光纤沿线上气体的浓度和成分信息。本发明方法简单，对多种气体检测具有相同的适用性。
本发明的有益效果是：本发明在空芯光子晶体光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体进入空芯光纤的通道，即光子带隙型PBG型光子晶体光纤；同时，传感光纤中熔接了(弱)光纤光栅作为固定反射点，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息，在测量过程中，在测量过程中，采用查找表来进行相位解调技术，以消除解调过程中带来的噪声，提高分布式光纤气体检测系统的低频信号测量精度。检测装置系统结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。本发明还采用三束电信号的作用是实现信号的自相干检测，降低信号的相位噪声，提高检测系统的灵敏度。在测量过程中，采用查找表来进行相位解调技术，以消除解调过程中带来的噪声，提高分布式光纤气体检测系统的低频信号测量精度。解调后的相位进行快速傅里叶变换的低频信号频谱图，能获得0.1Hz和1.0Hz的信号，即可以在低频范围内获得高信噪比的测量结果。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意框图；
图2为本发明的传感光纤结构示意图。
图3为本发明的相位查找算法示意图。
图4为本发明的低频信号的频谱图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。为了更了解本发明的技术内容，特举实施例并配合所附图式说明如下。
包括依次连接的第一激光器200、第一隔离器201、声光调制器202、第一掺铒光纤放大器203、环形器204、传感光纤205、第二掺铒光纤放大器206、第二隔离器207、第二激光器208、激光控制器209、锁相放大器210、第一耦合器211、延迟光纤212、第二耦合器213、第一光电探测器214、第二光电探测器215、第三光电探测器216、信号采集卡217、脉冲发生器218、信号处理及显示单元219。第一激光器(窄线宽外腔可调谐激光器ECDL)发出的激光信号经第一隔离器进入声光调制器，第一激光器为窄线宽外腔可调谐激光器ECDL，设置输出的检测信号波长为1550.60nm，输出功率为14dBm，声光调制器为Gooch&HouseGo M040，声光调制器将激光信号调制成脉冲信号，脉冲光的周期为T＝3.0μs，脉宽为w＝100ns，脉冲信号进入第一掺铒光纤放大器中，第一掺铒光纤放大器为KPS-BT2-C-30-PB-FA，输出功率范围为10-30dBm，设置输出功率为25dBm，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器1#端口，从环形器2#端口输出进入传感光纤，传感光纤的结构如图2所示，传感光纤是2500m的光子晶体光纤，利用飞秒加工技术在传感光纤上间隔50m制作一个圆孔，圆孔的直径为7.0μm，且在传感光纤上从左向右连接3个弱光纤光栅，弱光纤光栅的间隔为100m，反射率分别为-34.8dB、-33.2dB和-36.3dB，反射中心波长都为1550.12nm，传感光纤放在有乙炔(C2H2)气体的环境中，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第一耦合器(耦合比50:50)，第一耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，第一束信号进入第二耦合器(耦合比33:33:33)，第二束信号经延迟光纤后进入第二耦合器，延迟光纤为普通单模光纤，长度为100m，第二耦合器将背向瑞利散射分成三束信号，三束信号分别进入第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器后转换成三束电信号，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器都为平衡探测器，其带宽为350MHz，电信号输入到信号采集卡中，信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器为SR865A Lock-InAmplifier，信号采集卡为DAQPCIE 9081，其采样率为1.25GSa/s，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，第二激光器为DFB激光器，其中心波长为1527-1610nm，作为设置输出波长1530.371nm，输出功率为0dBm，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器为CEFA-CBO-HP系列C波段高功率连续掺铒光纤放大器，输出功率设置为25dBm，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息，脉冲发射器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动光调制器工作，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器处在同步状态，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。脉冲发生器为Agilent 81110A，输出信号的频率为0-330MHz，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡和声光调制器处在同步状态，最后显示的数据的时候需要事先标定浓度与相位大小的关系。在测量过程中，在测量过程中，采用查找表来进行相位解调技术，以消除解调过程中带来的噪声，提高分布式光纤气体检测系统的低频信号测量精度。相位查找算法如图3所示。图中最外围的圆环即为预先设置好的相位幅度对应表，圆环内的点即为气体吸收泵浦信号后产生相位变化附近反射点的幅度归一化后的坐标。理论上，圆环内的点的分布不一定与圆环位于一个平面，因此为了得到对应的相位值，则需要进行计算。计算幅度归一化后的坐标点到圆环上的最短距离，最短距离所对应的圆环上的点即为该幅度对应的相位值，采用这种方法可以直接通过三端口结构的三条幅度曲线获得相位，实现相位解调。图4为解调后的相位进行快速傅里叶变换的低频信号频谱图，图中获得的是0.1Hz和1.0Hz的信号，信号的峰峰值约为64.6dB和54.2dB，均大于50dB，说明本发明可以在低频范围内获得高信噪比的测量结果。
虽然本发明以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (3)
1.一种具有低频检测性能的分布式光纤气体检测装置，其特征在于，包括依次连接的第一激光器、第一隔离器、声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二激光器、激光控制器、锁相放大器；环形器的第三端口即3#端口依次连接第一耦合器、延迟光纤、第二耦合器、第一光电探测器、信号采集卡、脉冲发生器，脉冲发生器的控制端接声光调制器；信号采集卡的输出端连接信号处理及显示单元；第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入声光调制器，声光调制器将激光信号调制成脉冲信号，脉冲信号进入第一掺铒光纤放大器中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器的1#端口，从环形器的2#端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器的2#端口进入环形器，从环形器的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第一耦合器，第一耦合器将背向瑞利散射信号分成并联的两束信号，第一束信号直接进入第二耦合器，第二束信号经延迟光纤后进入第二耦合器，第二耦合器将背向瑞利散射信号进入光电探测器转换成电信号、电信号输入到信号采集卡中；信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光 纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象， 从环形器的2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息，脉冲发射器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动光调制器工作，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器处在同步状态，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上气体浓度信息；
第二耦合器将背向瑞利散射信号分成三束信号，三束信号分别进入并联的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器后转换成三束电信号，电信号输入到信号采集卡中 ；
所述第一激光器和第二激光器均为波长和功率可调谐的激光器，所述传感光纤为空芯光子晶体光纤；传感光纤沿光纤表面利用飞秒加工技术制作均匀分布或非均匀分布的小孔作为气体进入空芯光纤的通道，且光纤晶体光纤每隔一定间隔处连接弱反射光栅；
所述光电探测器是平衡探测器。
2.一种根据权利要求1所述的检测装置的分布式光纤气体检测方法，其特征在于，包括下列步骤：第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入声光调制器，声光调制器将激光信号调制成脉冲信号，脉冲信号进入第一掺铒光纤放大器中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器1#端口，从环形器2#端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器2#端口进入环形器， 从环形器3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第一耦合器，第一耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，第一束信号进入第二耦合器，第二束信号经延迟光纤后进入第二耦合器， 第二耦合器将背向瑞利散射分成三束信号，三束信号分别进入第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器后转换成三束电信号，电信号输入到信号采集卡中，信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器的2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息，脉冲发射器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动光调制器工作，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器处在同步状态，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息；
在测量过程中，采用查找表来进行相位解调技术，以消除解调过程中带来的噪声，提高分布式光纤气体检测系统的低频信号测量精度；
传感光纤是2500m的光子晶体光纤，利用飞秒加工技术在传感光纤上间隔50m制作一个圆孔，圆孔的直径为7 .0μm，且在传感光纤上从左向右连接3个弱光纤光栅，弱光纤光栅的间隔为100m，反射率分别为-34 .8dB、- 33 .2dB和-36 .3dB，反射中心波长都为1550.12nm。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在测量过程中，采用查找表来进行相位解调：根据预先设置好圆环状的相位幅度对应表，圆环内测量的点即为气体吸收泵浦信号后产生相位变化附近反射点的幅度归一化后的坐标。
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