CN110806259A - 一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置，传统光时域反射系统对传感距离，定位精度，测频范围有很大提升，但依然无法识别更高频率的扰动信号。本发明针对现有技术难以实现对高频扰动事件的频率检测，提出利用相干光时域反射技术与干涉仪技术相结合的方法，同时实现对扰动点的定位与高频信号的检测。第一激光器和第二激光器分别发出波长为λ1和λ2的连续光，通过波分复用技术同时注入传感光纤，λ1，λ2两种波长的干涉中携带扰动信息与频率信息。对λ1波长的干涉信号进行正交解调，得到信号的幅度信息，然后对λ1波长的干涉信号做方差处理得到外界扰动的位置信息；对λ2波长的干涉信号进行相位解调得到外界扰动的频率信息。

Description

一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感器的高频扰动事件探测和定位的装置，具体涉及一种相干光时域反射与马赫-曾德干涉仪相融合的波分/频分复用光纤传感系统，该技术可通过相干光时域反射光路实现扰动点的高分辨率空间定位，可通过马赫-曾德干涉仪光路实现高频扰动波形的检测。
背景技术
光纤传感器以光纤作为信息传输的媒介与传感元件本身，具有其他传感器无法比拟的优点，如灵敏度高、抗电磁干扰能力强、防爆防水、绝缘性好、重量轻体积小易于集成，便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点，被广泛应用于电力系统，石油化工，航空航天，生医生化等方面。而分布式光纤传感器能够实现对沿光纤分布的物理量进行测量，从而获得被测物理量在时间和空间上的信息分布，因此被更广泛的应用在围栏报警，管道泄漏，测井技术，建筑物健康监测等领域。它是利用外界干扰温度，压力，弯曲，辐射等改变光纤中光的振幅，波长，相位，偏振态和频率等信息，通过对变化的光信号的探测来判断外界的干扰信息。
分布式光纤传感器的主要分为两大类：基于光时域反射技术OTDR结构的分布式传感系统和基于干涉仪原理的分布式传感系统。高性能激光器窄线宽，极小频率漂移的使用，提高了OTDR类对扰动点的定位能力，可以达到很高的空间分辨率，是目前研究最多，应用最广的传感方法。然而在实际应用中，通常采用平均法来提高灵敏度，虽然提高了定位的信噪比，但是会急剧降低系统可探测的频率范围。干涉仪传感系统中，由于基于相位调制原理，干涉信号中携带有信号的频率信息及信号的作用位置信息，为了从中分离出信号的位置信息，提出了采用复合干涉结构实现定位的干涉型分布式光纤传感系统。干涉仪系统是灵敏度最高，最前沿的方法。对于更优越性能的传感系统的需求被不断提出。
在传统的光时域反射系统中，通过频分复用，相干检测，滑动平均等技术，系统的性能在传感距离，定位精度，测频范围都有很大提升，但是依然无法识别更高频率的扰动信号。在干涉仪传感系统中，已经实现了对钢桥等建筑物的初期裂纹的高频识别，但关于扰动点的定位大多是两种干涉仪结合的系统，信号解调复杂，分辨率不高。因此，提出了利用相干光时域反射技术与干涉仪技术相结合的结构方法，用以实现对扰动点的定位与高频信号的检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有传感技术难以实现对高频扰动事件的频率检测，提出同时实现高频检测与定位的传感装置。
本发明采用的技术方案为：
一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置，包括：第一激光器1，第一耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，第一可调谐衰减器5，第一波分复用器6，第二波分复用器7，第二激光器8，第二耦合器9，第二可调谐衰减器10，环形器11，传感光纤12，布拉格光纤光栅13，第三耦合器14，光平衡探测器15，数据采集卡16和计算机17；
其光路结构如下：第一激光器1发出波长为λ1的连续光，经过第一耦合器2分为两路功率不同的光信号，较大功率的一路经过声光调制器3产生一系列的脉冲光，脉冲光再经掺铒光纤放大器4放大，经第一可调谐衰减器5衰减后到达第一波分复用器6；较小功率的一路则作为参考臂输入第二波分复用器7；同时第二激光器8发出波长为λ2的连续光，经过第二耦合器9分为两路，一路经第二可调谐衰减器10衰减后到达第一波分复用器6，在第一波分复用器6中与λ1波长的脉冲光进行波分复用；另一路作为参考臂输入第二波分复用器7，在第二波分复用器7中与λ1波长的参考臂进行波分复用；经第一波分复用器6合波后的光信号经环形器11和传感光纤12进入到布拉格光纤光栅13；布拉格光纤光栅13将合波后的光信号中λ2波长的光反射回来，并将λ1波长的光透射出去；λ1产生的后向瑞利散射光与λ2的反射光经过环形器11输入第三耦合器14，在第三耦合器14中与第二波分复用器7合波后的光信号进行干涉，干涉后的光信号通过光平衡探测器15将光信号转换为电信号，并放大以及做外差检测，实现微弱信号的检测，数据采集卡16将电信号采集到计算机17，在计算机17中做信号处理分析，得到外界扰动的位置信息和频率信息。
所述第一耦合器2的分光比为90:10；第二耦合器9的分光比为50:50；
所述计算机17中做信号处理分析具体为：
对数据采集卡16采集的电信号进行滤波，分离出λ1和λ2两种波长的干涉信号；对λ1波长的干涉信号进行正交解调，得到信号的幅度信息，然后对λ1波长的干涉信号做方差处理，即可得到外界扰动的位置信息；对λ2波长的干涉信号进行相位解调，即可得到外界扰动的频率信息。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)由于采用了相干光时域反射与干涉仪传感结合的系统，可以实现对混凝土建筑物，钢桥等裂纹的高频识别，同时可以实现对电力电缆局放的声发射信号的检测，频率可以达到几十kHz，甚至是几百kHz，而不只是局限于围栏报警，管道泄漏等低频方面。
(2)提出的基于波分复用的分布式光纤传感系统是利用波分复用技术将不同波长的两路信号复用，从而形成两路互不干扰的干涉系统，使不同波长的光信号分别相干，实现了信号检测的互不影响。
(3)采用单端有源的结构，方便铺设，环境适用性强。
附图说明
图1是本发明具体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明。
如图1，本发明一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置，包括：第一激光器1，第一耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，第一可调谐衰减器5，第一波分复用器6，第二波分复用器7，第二激光器8，第二耦合器9，第二可调谐衰减器10，环形器11，传感光纤12，布拉格光纤光栅13，第三耦合器14，光平衡探测器15，数据采集卡16和计算机17；
其光路结构如下：第一激光器1发出波长为λ1的连续光，经过第一耦合器2分为两路功率不同的光信号，分光比为90:10，较大功率的一路经过声光调制器3产生一系列的脉冲光，脉冲光再经掺铒光纤放大器4放大，经第一可调谐衰减器5衰减后到达第一波分复用器6；较小功率的一路则作为参考臂输入第二波分复用器7；同时第二激光器8发出波长为λ2的连续光，经过第二耦合器9分为两路，分光比为50:50，一路经第二可调谐衰减器10衰减后到达第一波分复用器6，在第一波分复用器6中与λ1波长的脉冲光进行波分复用；另一路作为参考臂输入第二波分复用器7，在第二波分复用器7中与λ1波长的参考臂进行波分复用；经第一波分复用器6合波后的光信号经环形器11和传感光纤12进入到布拉格光纤光栅13；布拉格光纤光栅13将合波后的光信号中λ2波长的光反射回来，并将λ1波长的光透射出去；λ1产生的后向瑞利散射光与λ2的反射光经过环形器11输入第三耦合器14，在第三耦合器14中与第二波分复用器7合波后的光信号进行干涉，干涉后的光信号通过光平衡探测器15将光信号转换为电信号，并放大以及做外差检测，实现微弱信号的检测，数据采集卡16将电信号采集到计算机17，计算机17对数据采集卡16采集的电信号进行滤波，分离出λ1和λ2两种波长的干涉信号；对λ1波长的干涉信号进行正交解调，得到信号的幅度信息，然后对λ1波长的干涉信号做方差处理，即可得到外界扰动的位置信息；对λ2波长的干涉信号进行相位解调，即可得到外界扰动的频率信息。

Claims (3)

1.一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置，包括：第一激光器(1)，第一耦合器(2)，声光调制器(3)，掺铒光纤放大器(4)，第一可调谐衰减器(5)，第一波分复用器(6)，第二波分复用器(7)，第二激光器(8)，第二耦合器(9)，第二可调谐衰减器(10)，环形器(11)，传感光纤(12)，布拉格光纤光栅(13)，第三耦合器(14)，光平衡探测器(15)，数据采集卡(16)和计算机(17)；
其特征在于，其光路结构如下：第一激光器(1)发出波长为λ1的连续光，经过第一耦合器(2)分为两路功率不同的光信号，较大功率的一路经过声光调制器(3)产生一系列的脉冲光，脉冲光再经掺铒光纤放大器(4)放大，经第一可调谐衰减器(5)衰减后到达第一波分复用器(6)；较小功率的一路则作为参考臂输入第二波分复用器(7)；同时第二激光器(8)发出波长为λ2的连续光，经过第二耦合器(9)分为两路，一路经第二可调谐衰减器(10)衰减后到达第一波分复用器(6)，在第一波分复用器(6)中与λ1波长的脉冲光进行波分复用；另一路作为参考臂输入第二波分复用器(7)，在第二波分复用器(7)中与λ1波长的参考臂进行波分复用；经第一波分复用器(6)合波后的光信号经环形器(11)和传感光纤(12)进入到布拉格光纤光栅(13)；布拉格光纤光栅(13)将合波后的光信号中λ2波长的光反射回来，并将λ1波长的光透射出去；λ1产生的后向瑞利散射光与λ2的反射光经过环形器(11)输入第三耦合器(14)，在第三耦合器(14)中与第二波分复用器(7)合波后的光信号进行干涉，干涉后的光信号通过光平衡探测器(15)将光信号转换为电信号，并放大以及做外差检测，实现微弱信号的检测，数据采集卡(16)将电信号采集到计算机(17)，在计算机(17)中做信号处理分析，得到外界扰动的位置信息和频率信息。
2.根据权利要求1所述的用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置，其特征在于，第一耦合器(2)的分光比为90:10；第二耦合器(9)的分光比为50:50。
3.根据权利要求1所述的用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置，其特征在于，计算机(17)中做信号处理分析具体为：
对数据采集卡(16)采集的电信号进行滤波，分离出λ1和λ2两种波长的干涉信号；对λ1波长的干涉信号进行正交解调，得到信号的幅度信息，然后对λ1波长的干涉信号做方差处理，即可得到外界扰动的位置信息；对λ2波长的干涉信号进行相位解调，即可得到外界扰动的频率信息。
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