CN110673202A - 一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感探测技术领域，特别涉及一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，包括复合光路结构、泵浦源、传输光缆和光纤激光传感器，其特征在于：所述复合光路结构由两个波分复用器WDM和一个隔离器ISO组成，所述两个波分复用器WDM型号为980/1550nm、包括WDM2和WDM3；所述泵浦源为980nm泵浦源，980nm泵浦源的输出端连接WDM1的980端口，WDM1的Com端连接传输光缆的一端，传输光缆的另一端连接复合光路结构的WDM2的Com端。本发明的有益效果为：有效减小由于远距离传输引起的瑞利散射对光纤激光传感器的影响，抑制其相干坍塌的产生，保证传感器正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及传感探测技术领域，特别涉及一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统。
背景技术
为缓解我国油气供应不足的现状，进一步寻找油气资源成为当务之急。为了寻找深埋在地下几千米的油气田资源，人们经过多年来不断的试验和总结，吸取和引用其他学科的技术、理论，建立了完整的油气资源勘探方法和技术体系。然而随着油气勘探工作的不断深入，埋藏较浅、表层地质条件简单的构造油气田大多己被发现和开采，因此勘探目标越来越隐蔽，越来越复杂，勘探任务的难度日益增加，亟待于提高勘探技术。
分布反馈式光纤激光器（DFB-FL）具有单模工作稳定、线宽窄、相干长度长、尺寸小、易组网、可波分复用、结构稳定等优点，所以基于分布反馈光纤激光器（DFB-FL）技术的光纤激光地震检波器具有极高的灵敏度以及天然的波分复用特性，有望减小传感器体积，简化阵列结构。大规模远距离光纤激光传感阵列成为光纤激光传感器的主要发展趋势。
在井下石油勘探方面，井深可达数千米，其温度可达150℃以上，意味着需要在光纤激光传感器前面有几千米的传输光缆。目前关于光纤激光传感器的专利已经很多，申请号为200910087349.2的发明专利公开了一种用于陆地及水下的光纤激光传感器，申请号为201010231239.1的发明专利公开了一种光纤激光井下检波器，用于解决井下石油勘探所面临的数千米传输光缆连接强度保证需要、以及井下泥浆环境恶劣的问题。
但是目前仍存在的一个问题是光纤激光传感器所能实现的探测深度，因为有远程传输光纤中的瑞利散射对光纤激光传感器的影响，现有技术还没法实现其长距离大规模传感，现有的光纤激光传感器无法远距离传输、大规模探测。
光纤激光传感器阵列常采用远程泵浦方式，进一步增加了阵列中传输光纤的长度。由于传输光纤的瑞利散射会产生腔外反馈光，反馈强度随着光纤长度增加不断累积，传输光纤的相干坍塌阈值长度决定了光纤激光传感器阵列稳定工作的最大阵列长度，成为当前限制阵列复用容量的主要因素。常规单模光纤 SM28 的瑞利散射强度约为-72d B/m，仅考虑单根传输光纤的瑞利散射时，对称结构 DFB 光纤激光器发生相干坍塌的传输光纤阈值长度为 130m。假设阵列中泵浦端与阵列中首个激光器基元间的传输光纤长度为 100m，相邻基元的间距为 1m，则阵列的最大复用容量仅为 30。当基元间距增大时，阵列的复用容量将进一步减小。
陈智浩等曾在文献《Long distance (2.1km) DFB fiber laser hydrophonesystem》指出，当采用980nm激光抽运时，DFB光纤激光器传导光纤的最大长度为40~50m；当采用1480nm激光抽运时，传导光纤的长度可达135~250m。在该文章中提出一种方法，在靠近DFB激光器一侧弯曲一段光纤以增加衰减，这样进入激光腔的反射强度降低，因此反射非常弱而不至于产生影响。
2013年，法国的R. Bouffaron等人报道了全光纤双通道12基元的DFB光纤激光水下检测系统，通过抑制远程泵浦传输光纤中瑞利散射的影响，使得阵列长度超过4公里，但并未对其光路结构进行详细说明。
为此，需要设计一种可以解决远距离传输光纤中瑞利散射引起的相干坍塌，可有效增加光纤激光传感器在井下的探测深度，实现更深层的探测需求的系统。
发明内容
本发明为了弥补现有技术中光纤激光传感器由于瑞利散射产生的影响无法正常工作的不足，提供了一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，包括复合光路结构、泵浦源、传输光缆和光纤激光传感器，其特征在于：
所述复合光路结构由两个波分复用器WDM和一个隔离器ISO组成，所述两个波分复用器WDM型号为980/1550nm、包括WDM2和WDM3，WDM2的980端与WD3的980端连接，WDM3的Com端与DFB检波器连接，WDM3的1550端连接隔离器ISO的输入端，隔离器ISO的输出端连接WDM2的1550端，WDM2、WDM3和隔离器ISO构成闭合回路；
所述泵浦源为980nm泵浦源，980nm泵浦源的输出端连接WDM1的980端口，WDM1的Com端连接传输光缆的一端，传输光缆的另一端连接复合光路结构的WDM2的Com端。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述WDM1的1550端通过另一个隔离器连接Michelson干涉仪输入端，Michelson干涉仪输出端连接波分复用器，波分复用器连接解调系统。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述泵浦源更换为1480nm泵浦源时，980/1550nmWDM更换为1480/1550nmWDM，WDM的端口对应原有连接方式相互连接。
增加传输光纤并更改光路结构后的一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，包括波分复用器WDM、泵浦源、传输光缆和光纤激光传感器，其特征在于：
所述波分复用器WDM的型号为980/1550nm，WDM的980端连接980隔离器，980隔离器通过传输光缆的一根光纤连接980nm泵浦源，WDM的Com端连接光纤激光传感器，WDM的1550端连接1550隔离器，1550隔离器通过另一根传输光纤连接Michelson干涉仪输入端，Michelson干涉仪输出端连接波分复用器，波分复用器连接解调系统。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述泵浦源更换为1480nm泵浦源时，980/1550nmWDM更换为1480/1550nmWDM，980隔离器更换为1480隔离器，WDM与隔离器的端口对应原有连接方式连接。
本发明的有益效果是：
本发明的光路结构可以有效降低远距离传输光纤中的瑞利散射噪声对光纤激光传感器的输出光信号的影响，这是因为在远距离传输光纤中，携带传感信息的光信号虽然在光纤中产生瑞利散射并多次反射，但加入WDM2与WDM3和隔离器ISO后，该组合结构只允许泵浦光进入光纤激光传感器，而传输光纤中的瑞利散射光被ISO隔离，无法进入到光纤激光传感器内，从而消除瑞利散射光的影响。
同时，该结构可以用于实现远距离的大规模检波器阵列探测。由于光纤激光传感器具有极高的灵敏度以及波分复用特性，同时可以加入空分复用和时分复用构成混合复用，而大规模成阵后，传感阵列内部的传输光纤也存在瑞利散射，通过该结构消除了传输光纤的影响后，就不会因为传输光纤长度而影响阵列规模，因此可大规模增加传感阵列的数目或是增加传输阵列的间距，实现更大规模更大范围的探测。
在采用该结构的前提下，可采用低瑞利散射光纤，更大程度降低瑞利散射的影响。
附图说明
图1为本发明基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统的第一种传输光路结构示意图；
图2为本发明基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统的第二种传输光路结构示意图；
图3为使用本发明的光路结构测得的干涉条纹图像；
图4为没有使用本发明的光路结构测得的干涉条纹图像；
图5为使用本发明的光路结构和非本发明光路结构测得的远距离传感系统输出相位噪声对比图。
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、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
由于传输光纤的瑞利散射大小与光纤长度成正比，传输光纤越长，累积的瑞利散射越大，越容易使光纤激光器发生相干坍塌。传输光纤的瑞利散射由于不能通过某种手段予以消除，因此对光纤激光传感器的性能影响无法忽略，且传输光纤长度越长，累积的瑞利散射强度越大，因此光纤激光传感器的相位噪声随光纤长度的增加而不断上升。为保证光纤激光传感器的正常工作，必须消除瑞利散射对传感器的影响，消除瑞利散射引起的相干坍塌。
图1为本发明的第一种具体实施例，该实施例为一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，在传输光纤的远端靠近光纤激光传感器的位置，利用两个波分复用器WDM（980/1550或是1480/1550）和一个隔离器ISO组成复合光路结构，实现检波器的远程探测。以980泵浦源为例，在输出端，980泵浦光源的输出连接WDM1的980端口，其Com端连接传输光缆的一端，传输光缆的另一端与WDM2的Com端连接，其980端与WDM3的980端连接，WDM3的Com端与DFB检波器连接，WDM3的1550端连接隔离器的输入端，隔离器输出端连接WDM2的1550端，构成闭合回路。
根据上述光路结构，泵浦光经传输光缆到达WDM2的Com端，然后经WDM2的980端输出进入WDM3的980端，再经WDM3的Com端进入光纤激光传感器，产生的信号光携带传感信息经WDM3的Com端到达WDM3的1550端，然后经过隔离器ISO，进入WDM2的1550端后从WDM2的Com输出至传输光缆，经传输光缆到达WDM1的Com端，再从1550端输出经隔离器ISO进入Michelson干涉仪，然后Michelson干涉仪的输出信号经波分复用器分光后进行解调，并进行信号分析处理。
该结构同样适用于1480光源泵浦的情况，将980/1550的WDM替换为1480/1550的WDM即可，对应端口相互连接。
该结构可有效降低远距离传输光纤中的瑞利散射噪声对DFB检波器的输出光信号的影响，这是因为在远距离传输光纤中，携带传感信息的光信号虽然在光纤中产生瑞利散射并多次反射，但加入WDM2与WDM3和隔离器ISO后，该组合结构只允许泵浦光进入检波器，而传输光纤中的瑞利散射光被ISO隔离，无法进入到光纤激光传感器内，从而消除瑞利散射光的影响。
同时，该结构可以用于实现远距离的大规模检波器阵列探测。由于DFB检波器具有极高的灵敏度以及波分复用特性，同时可以加入空分复用和时分复用构成混合复用，而大规模成阵后，传感阵列内部的传输光纤也存在瑞利散射，通过该结构消除了传输光纤的影响后，就不会因为传输光纤长度而影响阵列规模，因此可大规模增加传感阵列的数目或是增加传输阵列的间距，实现更大规模更大范围的探测。
上述实施例1只需一根传输光纤即可实现光纤激光传感器的大规模远距离传输。此外，可增加传输光纤的数目，更改光路结构，也可达到同样的效果。光路结构如图2所示。
图2为本发明的第二种具体实施例，以980nm泵浦源为例，泵浦源光经传输光纤传输至远端后经980隔离器进入980/1550 WDM的980端，然后经Com端输出进入光纤激光传感器激发信号光，携带传感信息的光信号返回至WDM的Com端，然后从1550端输出，经过1550隔离器后经传输光纤传输至Michelson干涉仪，Michelson干涉仪的输出信号经波分复用器分光后进行解调，并进行信号分析处理。图2中的传输光缆1、传输光缆2可为两根光缆，也可为同一传输光缆中的两根光纤。
同样，该结构适用于1480泵浦光源的情况，泵浦为1480泵浦光，器件为1480隔离器，1480/1550的WDM，1550隔离器不变。
图3、图4和图5为本实施例1测得的对照试验数据图，传输光纤长度均为5km，分别考察利用实施例1中提及的复合光路结构以及未利用实施例1提及的光路结构的传感系统，两种情况下系统输出的干涉条纹和相位噪声。
从图3和图4的测试结果可以看出，经过约5km的传输光纤后，利用本实施例1提及的复合光路结构后，其干涉条纹平滑稳定，传感器工作正常；但在没有复用光路的情况下，干涉条纹出现剧烈跳变，极不稳定，说明传感器的光信号受到瑞利散射的影响出现相干坍塌，导致其输出不稳定，无法正常工作。
同样在传输5km的情况下，从图5的测试结果可以看出，利用本实施例1提及的复合光路结构，系统输出相位噪声低（图中黑色实线），且在长时间测量过程中，相位噪声水平维持稳定，Michelson干涉仪能够对光纤激光传感器进行稳定的解调；而未使用复用光路的情况下，系统输出的本底噪声大幅升高（图中黑色虚线），且短时间内无法保持稳定，一直剧烈跳变，说明无法对传感器进行稳定解调，此时已经发生了相干坍塌。
由此可见，本发明提及的复用光路能有效减小由于远距离传输引起的瑞利散射对光纤激光传感器的影响，抑制其相干坍塌的产生，保证传感器正常工作。
我国海岸线辽阔，海洋是我国社会经济可持续发展的重要战略空间，也是国家安全的重要屏障。本实施例也可应用于光纤激光水听器的远程传输系统，有效增加水听器探测的离岸距离，可为防御警戒争取更充分的机动时间。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，包括复合光路结构、泵浦源、传输光缆和光纤激光传感器，其特征在于：
所述复合光路结构由两个波分复用器WDM和一个隔离器ISO组成，所述两个波分复用器WDM型号为980/1550nm、包括WDM2和WDM3，WDM2的980端与WD3的980端连接，WDM3的com端与DFB检波器连接，WDM3的155端连接隔离器ISO的输入端，隔离器ISO的输出端连接WDM2的1550端，WDM2、WDM3和隔离器ISO构成闭合回路；
所述泵浦源为980nm泵浦源，980nm泵浦源的输出端连接WDM1的980端口，WDM1的Com端连接传输光缆的一端，传输光缆的另一端连接复合光路结构的WDM2的Com端。
2.根据权利要求1所述的基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，其特征在于：所述WDM1的1550端通过另一个隔离器连接Michelson干涉仪输入端，Michelson干涉仪输出端连接波分复用器，波分复用器连接解调系统。
3.根据权利要求1所述的基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，其特征在于：所述泵浦源更换为1480nm泵浦源时，980/1550nmWDM更换为1480/1550nmWDM，WDM的端口对应原有连接方式相互连接。
4.一种基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，包括波分复用器WDM、泵浦源、传输光缆和光纤激光传感器，其特征在于：
所述波分复用器WDM的型号为980/1550nm，WDM的980端连接980隔离器，980隔离器通过传输光缆的一根光纤连接980nm泵浦源，WDM的Com端连接DFB检波器，WDM的1550端连接1550隔离器，1550隔离器通过另一根传输光纤连接Michelson干涉仪输入端，Michelson干涉仪输出端连接波分复用器，波分复用器连接解调系统。
5.根据权利要求4所述的基于光纤激光传感器的远距离大规模传感探测系统，其特征在于：所述泵浦源更换为1480nm泵浦源时，980/1550nmWDM更换为1480/1550nmWDM，980隔离器更换为1480隔离器，WDM与隔离器的端口对应原有连接方式连接。
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