CN110986814A - 一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，具体为：可调谐激光器和窄线宽激光器输出的连续光经光纤耦合器分别分为两路，其中一路耦合在一起，通过任意函数发生器驱动声光调制器调制产生脉冲探测光，再通过掺铒光纤放大器补偿光功率的损耗后经光纤环形器将脉冲探测光注入传感光纤中，产生的散射光经环形器的输出，再分为两路散射光；另一路输出的连续光作为本地光，分别经偏振控制器调节偏振态后分别与两路散射光通过光纤耦合器耦合，再用平衡探测器进行光电转化，用数据采集卡的两个通道同时采集，最后用上位机进行后期处理。本发明是一种设计简单，高精度、高稳定性的动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统。

Description

一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统
技术领域
本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统。
背景技术
分布式光纤传感技术在近年来，随着油气管道、高铁、大型建筑等的高速发展，其安全越来越受到各界关注，而分布式光纤传感技术由于其本身大量的优点，使得其成为长距离、恶劣环境下进行外界信息感知的关键技术。而相位敏感光时域反射技术正是众多分布式光纤传感技术中很重要的一项技术。其主要应用于油气管道，结构健康监测，周界防护，地震监测，分布式声波探测等领域。传统的相位敏感光时域反射技术通过测量反射信号的强度随着外界环境的变化来对声波、振动等进行定性测量(仅能实现分布式定位，不能定量测量)，近年来，研究发现散射信号的相位与外界参量具有线性对应关系，通过解调相位并分析相位变化与外界扰动(声波、振动等动态应变)可以定量分析外界信号，以实现真正的模式识别。基于此，很多研究人员在基于相位解调的相位敏感光时域反射技术上做了大量研究。尽管如此，受限于散射相位超高的灵敏度
Figure BDA0002313164210000011
而要实现准确的定量分析，动态应变所引起的连续相位变化不能超过π，这一限制大大制约了相位敏感光时域反射技术的应用领域。目前的相位敏感光时域反射系统仅能应用在分布式声波探测，对于分布式周界防护等监测具有极高的误报率和错报率。为了提高在类似应用场景的准确性，亟需突破这一限制条件(即：提高相位敏感光时域反射技术的动态应变测量范围)。目前，在提高基于相位解调的相位敏感光时域反射技术的动态测量范围方面没有任何相应的技术手段。
发明内容
鉴于现有技术在动态测量中的测量范围不够的缺点，本发明的目的是提供一种简单，高精度、高稳定性的动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，解决基于相位解调的相位敏感光时域反射技术在实际应用中的不足。
本发明的一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，具体结构为：可调谐激光器输出的连续光经9:1的光纤耦合器一后分为两路，同时窄线宽激光器输出的连续光也经9:1的光纤耦合器二分为两路，光纤耦合器一和光纤耦合器二的90％输出臂的连续光再经由1:1的光纤耦合器三将两路连续光耦合在一起，耦合在一起的双波长连续光通过任意函数发生器驱动声光调制器调制产生脉冲探测光，再通过掺铒光纤放大器补偿光功率的损耗后经光纤环形器将脉冲探测光注入传感光纤中，光纤中产生的散射光经环形器的3口输出，输出的连续光通过分光比为1:1的光纤耦合器四分为两路；光纤耦合器一和光纤耦合器二的10％输出臂输出的连续光作为本地光，分别经偏振控制器一和偏振控制器二调节偏振态后分别与光纤耦合器四两个输出臂输出的连续散射光通过光纤耦合器五和光纤耦合器六耦合，耦合后的连续光分别用平衡探测器一和平衡探测器二进行光电转化，两个探测器输出的电信号用数据采集卡的两个不同通道同时采集，最后用上位机进行后期处理。
进一步的，系统采用两个波长的探测光进行外界参量的感知，并且系统的灵敏度通过调节两个激光器的波长差来调节，具体为：
Figure BDA0002313164210000021
式中，
Figure BDA0002313164210000022
为外界动态应变引起的相位变化量，n为光纤的有效折射率，λ1和λ2为两个激光器的波长，Δz为外界变量引起的光纤长度的变化。
进一步的，系统采用相干探测的方式探测光信号，通过探测器的带宽限制来控制平衡探测器一和平衡探测器二获取对应波长的外界感知信号。
进一步的，系统不需要任何光滤波器，仅需在上位机处理时对数据进行数字滤波即可实现系统的高信噪比。
进一步的，数据采集卡采用双通道采集卡，并且两个通道同步采集数据。
本发明相比现有技术的有益技术效果为：
(1)系统简单，虽然系统采用的是两个具有不同波长的激光器作为探测光，但是系统高度集成，很简单、易实现、易调节；
(2)由于整个系统采用了双波长探测光，使得系统的灵敏度可以通过调节激光器的波长(波长间隔)来调节系统灵敏度，极大地提高动态应变可测量范围；
(3)整个链路基于相干探测，在不需要采用任何光滤波器的情况下，获得极高的信噪比。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为采用传统相位解调相位敏感光时域反射系统和本发明装置测试效果图的对比，其中：a)两条相位响应曲线为传统相位解调相位敏感光时域反射技术解调获得的相位值；b)我们提出的系统方案测得的外界振动引起的相位变化。
图3为随着外界动态应变增加系统测得的振动信号图，其中：a)为随着外界动态应变增加所获得的时域曲线；b)为图a对应的频谱；c)为所测得的相位峰峰值与外界振动之间的关系图。
图4为改变两激光器波长测量相同应变的结果图，其中：a)随着波长间隔增加，测得的正弦动态应变的时域相位信号；b)图a对应的频谱图；c)随着波长间隔增加，测得的三角动态应变的时域相位信号；d)图c对应的频谱图；e)随着波长间隔增加测量相同动态应变获得的相位峰峰值；f)图e的归一化结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统结构如图1所示，系统由光路和电路两部分组成。
可调谐激光器1输出的连续光经9:1的光纤耦合器一3后分为两路，同时窄线宽激光器2输出的连续光也经9:1的光纤耦合器二4分为两路，光纤耦合器一3和光纤耦合器二4的90％输出臂的连续光再经由1:1的光纤耦合器三5将两路连续光耦合在一起，耦合在一起的双波长连续光通过任意函数发生器6驱动声光调制器7调制产生脉冲探测光，再通过掺铒光纤放大器8补偿光功率的损耗后经光纤环形器9将脉冲探测光注入传感光纤10中，光纤中产生的散射光经环形器9的3口输出，输出的连续光通过分光比为1:1的光纤耦合器四13分为两路；光纤耦合器一3和光纤耦合器二4的10％输出臂输出的连续光作为本地光，分别经偏振控制器一11和偏振控制器二12调节偏振态后分别与光纤耦合器四13两个输出臂输出的连续散射光通过光纤耦合器五14和光纤耦合器六15耦合，耦合后的连续光分别用平衡探测器一16和平衡探测器二17进行光电转化，两个探测器输出的电信号用数据采集卡18的两个不同通道同时采集，最后用上位机19进行后期处理。
本发明是基于如下分析提出方案和实现的：
光路采用双波长探测光来感知外界环境的变化，接收端采用相干探测将光信号转换为电信号，其原理分析如下：
传统基于相位解调的相位敏感光时域反射技术的相位与外界动态应变的关系为：
Figure BDA0002313164210000031
式中，
Figure BDA0002313164210000032
为外界动态应变引起的相位变化量，n为光纤的有效折射率，λ为激光器的波长，Δz为外界变量引起的光纤长度的变化。
通过采用我们所提出的双波长提升方案，获得相位与外界动态应变之间的关系为：
Figure BDA0002313164210000041
其中，λ1和λ2为两个激光器的波长。显然，通过采用我们提出的方案，相同的应变值引起的相位变化值大大减小，这使得大动态应变也可以准确测量。
通过以上分析可知，本发明从原理上是可行的。通过所提出的方案可以突破传统基于相位解调相位敏感光时域反射技术的相位解调范围以及测量范围小的限制。
实施时，平衡探测器一16和平衡探测器二17电域带宽通常仅选择几百兆Hz。带宽需大于声光调制器的频移值；并且需要小于本地光与另一波长之间的频差(通常该值为几十GHz到几十THz)。
图2为采用传统相位解调相位敏感光时域反射系统和本发明装置测试效果图的对比，如图所示采用1.7km光纤进行测试，图2-a中两条相位响应曲线为传统相位解调相位敏感光时域反射技术解调获得的相位值，图2-b为采用我们提出的系统方案测得的外界振动所引起的相位变化。
图3为随着外界动态应变增加所提出的系统测得的振动信号，图3-a为随着外界动态应变增加所获得的时域曲线；图3-b为对应的频谱；图3-c为所测得的相位峰峰值与外界振动之间的关系图。
图4为改变两激光器波长测量相同应变的结果图，其中：a)随着波长间隔增加，测得的正弦动态应变的时域相位信号；b)图a对应的频谱图；c)随着波长间隔增加，测得的三角动态应变的时域相位信号；d)图c对应的频谱图；e)随着波长间隔增加测量相同动态应变获得的相位峰峰值；f)图e的归一化结果。

Claims (5)

1.一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，具体结构为：可调谐激光器(1)输出的连续光经9:1的光纤耦合器一(3)后分为两路，同时窄线宽激光器(2)输出的连续光也经9:1的光纤耦合器二(4)分为两路，光纤耦合器一(3)和光纤耦合器二(4)的90％输出臂的连续光再经由1:1的光纤耦合器三(5)将两路连续光耦合在一起，耦合在一起的双波长连续光通过任意函数发生器(6)驱动声光调制器(7)调制产生脉冲探测光，再通过掺铒光纤放大器(8)补偿光功率的损耗后经光纤环形器(9)将脉冲探测光注入传感光纤(10)中，光纤中产生的散射光经环形器(9)的3口输出，输出的连续光通过分光比为1:1的光纤耦合器四(13)分为两路；光纤耦合器一(3)和光纤耦合器二(4)的10％输出臂输出的连续光作为本地光，分别经偏振控制器一(11)和偏振控制器二(12)调节偏振态后分别与光纤耦合器四(13)两个输出臂输出的连续散射光通过光纤耦合器五(14)和光纤耦合器六(15)耦合，耦合后的连续光分别用平衡探测器一(16)和平衡探测器二(17)进行光电转化，两个探测器输出的电信号用数据采集卡(18)的两个不同通道同时采集，最后用上位机(19)进行后期处理。
2.根据权利要求1所述的一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，所述系统采用两个波长的探测光进行外界参量的感知，并且系统的灵敏度通过调节两个激光器的波长差来调节，具体为：
Figure FDA0002313164200000011
式中，
Figure FDA0002313164200000012
为外界动态应变引起的相位变化量，n为光纤的有效折射率，λ1和λ2为两个激光器的波长，Δz为外界变量引起的光纤长度的变化。
3.根据权利要求1所述的一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，所述系统采用相干探测的方式探测光信号，通过探测器的带宽限制来控制平衡探测器一(16)和平衡探测器二(17)获取对应波长的外界感知信号。
4.根据权利要求1所述的一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，所述系统不需要任何光滤波器，仅需在上位机(19)处理时对数据进行数字滤波。
5.根据权利要求1所述的一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，所述数据采集卡(18)采用双通道采集卡，并且两个通道同步采集数据。
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