CN111486937B - 分布式光纤声波及振动融合式传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，包括激光器、1×2光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光纤滤波器、光纤环形器、第一光开关、光纤拉曼放大器、第二光开关、第二光纤滤波器、3×3光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集及处理单元、计算机、上位机软件。优点：该系统融合了振动及声波传感两种传感功能及模式，可满足不同的工作要求，有效的克服了常规分布式光纤传感设备只具备单一振动或声波传感的不足，节省成本，是分布式光纤传感领域的重要技术改进；能够根据不同使用要求及场景进行灵活切换，节省成本，使用方便；提出控制光开关的方式进行振动与声波传感模式的切换，操作灵活。

Description

分布式光纤声波及振动融合式传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是分布式光纤声波及振动融合式传感系统。

背景技术

光纤传感器由光源、探测光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其工作过程是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息，适用于许多应用场景，例如分布式光纤声波传感及分布式光纤振动传感系统的应用，分布式光纤振动传感系统能够对长距离的微小振动信号进行检测。

现有的分布式光纤声波传感系统和分布式光纤振动传感系统，只具备单一声波或振动传感功能，例如，文献《Optics Communications 346(2015)172-177》2015.2.23发表，提出利用3×3耦合器的光纤传感回波信号接收方式，利用3×3耦合器与法拉第旋转镜组合的方式得到3路相位差为120°的干涉信号，该系统属于声波传感领域，不具备振动传感功能；文献《激光与光电子学进展》2011.1.13发表，提出了一种3×3耦合器进行传感光纤后向瑞利散射的接收，结合相关信号处理时限长距离振动传感，然而该系统属于振动传感领域，不具备声波传感功能；专利CN102628698B提出了一种分布式光纤传感器及其信息解调方法，主要包括光源，光纤耦合器，声光调制器，环形器，平衡探测器，数据采集卡和计算机，该发明利用外差探测方式，将激光器发出的本振光与光纤传感后向散射光进行外差探测，然后通过滤波及正交解调的方式解调出相位信息，然而，该发明只具备声波传感功能，不具备振动传感功能；专利CN104181635B提出了一种光强分布式解调系统及分布式传感光纤，包括分布式反馈半导体激光器、声光调制器、环形器、耦合器、分布式传感光纤、光电探测器和光强解调装置，分布式光纤由多个弱反射率光纤光栅串接而成，该发明能够进行声波监测，不具备振动监测功能。

发明内容

本发明为了克服常规分布式光纤传感设备只具备单一振动或声波传感的缺点，提供分布式光纤声波及振动融合式传感系统，融合振动与声波传感两种功能。

本发明的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其构成包括激光器、1×2光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光纤滤波器、光纤环形器、第一光开关、光纤拉曼放大器、第二光开关、第二光纤滤波器、3×3光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集及处理单元、计算机、上位机软件，

所述的激光器、1×2光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光纤滤波器、光纤环形器、第一光开关、光纤拉曼放大器通过单模光纤相连接，所述的光纤环形器、第二光纤滤波器、3×3光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器通过单模光纤相连接，所述的1×2光纤耦合器、第二光开关、3×3光纤耦合器通过单模光纤相连接，所述的声光调制器、第一光开关、第二光开关、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集及处理单元、计算机通过射频信号线相连接，

其位置关系如下：

所述的激光器的输出端口接所述的1×2光纤耦合器的输入端口，所述的1×2光纤耦合器的第一输出端口接所述的声光调制器的第一输入端口，所述的声光调制器的输出端口接所述的掺铒光纤放大器的输入端口，所述的掺铒光纤放大器的输出端口接所述的第一光纤滤波器的输入端口，所述的第一光纤滤波器的输出端口接所述的光纤环形器的第一端口，所述的光纤环形器的第二端口接所述的第一光开关的第一输入端口，所述的第一光开关的第一输出端口接探测光纤，所述的第一光开关的第二输出端口接所述的光纤拉曼放大器的输入端口，所述的光纤拉曼放大器的输出端口接探测光纤，所述的光纤环形器的第三端口接所述的光纤滤波器10的输入端口，所述的光纤滤波器10的输出端口接所述的3×3光纤耦合器的第一输入端口，所述的1×2光纤耦合器的第二输出端口接所述的第二光开关的第一输入端口，所述的第二光开关的输出端口接所述的3×3光纤耦合器的第二输入端口，所述的3×3光纤耦合器的第一输出端口接所述的第一光电探测器的输入端口，所述的3×3光纤耦合器的第二输出端口接所述的第二光电探测器的输入端口，所述的3×3光纤耦合器的第三输出端口接所述的第三光电探测器的输入端口，所述的第一光电探测器的输出端口接所述的数据采集及处理单元的第一输入端口，所述的第二光电探测器的输出端口接所述的数据采集及处理单元的第二输入端口，所述的第三光电探测器的输出端口接所述的数据采集及处理单元的第三输入端口，所述的第二光开关的第二输入端口接所述的计算机的第一输出端口，所述的数据采集及处理单元的输出端口接所述的计算机的输入端口，所述的声光调制器的第二输输入端口接所述的计算机的第二输出端口，所述的第一光开关的第二输入端口接所述的计算机的第三输出接口，所述的上位机软件安装于所述的计算机中。

进一步地，所述的激光器为窄线宽激光器。

具体地，所述的1×2光纤耦合器的功率分光比为1:99，所述的1×2光纤耦合器的第一输出端口输出功率比例为99％，所述的1×2光纤耦合器的第二输出端口输出功率比例为1％。

进一步地，所述所述的第一光纤滤波器、第二光纤滤波器的中心通过波长与所述的激光器输出的激光波长相同。

具体地，所述的3×3光纤耦合器的分光比为1:1:1。

进一步地，所述的上位机软件控制所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统有两种工作模式：振动传感模式与声波传感模式。

本发明的光纤传感自差接收装置有如下优点：

1.该系统融合了振动及声波传感两种传感功能及模式，可满足不同的工作要求，有效的克服了常规分布式光纤传感设备只具备单一振动或声波传感的不足，节省成本，使用方便，是分布式光纤传感领域的重要技术改进；

2.该系统能够根据不同使用要求及场景进行灵活切换，节省成本，使用方便；

3.提出控制光开关的方式进行振动与声波传感模式的切换，操作灵活。

附图说明

图1为本发明分布式光纤声波及振动融合式传感系统示意图。

其中，1-激光器、2-第一光纤耦合器、3-声光调制器、4-掺铒光纤放大器、5-第一光纤滤波器、6-光纤环形器、7-第一光开关、8-光纤拉曼放大器、9-第二光开关、10-第二光纤滤波器、11-第二光纤耦合器、12-第一光电探测器、13-第二光电探测器、14-第三光电探测器、15-数据采集及处理单元、16-计算机、17-上位机软件。

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，多属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明的一种分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其结构包括激光器1、1×2光纤耦合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、第一光纤滤波器5、光纤环形器6、第一光开关、光纤拉曼放大器8、第二光开关9、第二光纤滤波器10、3×3光纤耦合器11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、第三光电探测器14、数据采集及处理单元15、计算机16、上位机软件17；

所述的激光器1、1×2光纤耦合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、第一光纤滤波器5、光纤环形器6、第一光开关、光纤拉曼放大器8通过单模光纤相连接，所述的光纤环形器6、第二光纤滤波器10、3×3光纤耦合器11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、第三光电探测器14通过单模光纤相连接，所述的1×2光纤耦合器2、第二光开关9、3×3光纤耦合器11通过单模光纤相连接，所述的声光调制器3、第一光开关、第二光开关9、第一光电探测器12、第二光电探测器13、第三光电探测器14、数据采集及处理单元15、计算机16通过射频信号线相连接；

所述的激光器1的输出端口接所述的1×2光纤耦合器2的输入端口，所述的1×2光纤耦合器2的第一输出端口接所述的声光调制器3的第一输入端口，所述的声光调制器3的输出端口接所述的掺铒光纤放大器4的输入端口，所述的掺铒光纤放大器4的输出端口接所述的光纤滤波器5的输入端口，所述的光纤滤波器5的输出端口接所述的光纤环形器6的第一端口，所述的光纤环形器6的第二端口接所述的第一光开关的第一输入端口，所述的第一光开关的第一输出端口接探测光纤，所述的第一光开关的第二输出端口接所述的光纤拉曼放大器8的输入端口，所述的光纤拉曼放大器8的输出端口接探测光纤，所述的光纤环形器6的第三端口接所述的光纤滤波器10的输入端口，所述的光纤滤波器10的输出端口接所述的3×3光纤耦合器11的第一输入端口，所述的1×2光纤耦合器2的第二输出端口接所述的第二光开关9的第一输入端口，所述的第二光开关9的输出端口接所述的3×3光纤耦合器11的第二输入端口，所述的3×3光纤耦合器11的第一输出端口接所述的第一光电探测器12的输入端口，所述的3×3光纤耦合器11的第二输出端口接所述的第二光电探测器13的输入端口，所述的3×3光纤耦合器11的第三输出端口接所述的第三光电探测器14的输入端口，所述的第一光电探测器12的输出端口接所述的数据采集及处理单元15的第一输入端口，所述的第二光电探测器13的输出端口接所述的数据采集及处理单元15的第二输入端口，所述的第三光电探测器14的输出端口接所述的数据采集及处理单元15的第三输入端口，所述的第二光开关9的第二输入端口接所述的计算机16的第一输出端口，所述的数据采集及处理单元15的输出端口接所述的计算机16的输入端口，所述的声光调制器3的第二输输入端口接所述的计算机16的第二输出端口，所述的第一光开关7的第二输入端口接所述的计算机16的第三输出接口，所述的上位机软件17安装于所述的计算机16中，

所述的激光器1为窄线宽激光器，

所述的1×2光纤耦合器2的功率分光比为1:99，所述的1×2光纤耦合器2的第一输出端口输出功率比例为99％，所述的1×2光纤耦合器2的第二输出端口输出功率比例为1％，

所述的第一光纤滤波器5、第二光纤滤波器10的中心通过波长与所述的激光器1输出的激光波长相同，

所述的3×3光纤耦合器11的分光比为1:1:1,

所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统有两种工作模式：振动传感模式与声波传感模式，

所述的振动传感模式的工作过程为：

S1：所述的上位机软件17设置为振动传感模式，

S2：所述的计算机16发出信号通过第一光开关的第二输入端控制所述的第一光开关，令所述的第一光开关的第一输入端口到第二输出端口通光，

S3：所述的计算机16控制所述的第二光开关9，令所述的第二光开关9关闭，

S4：所述的计算机16控制所述的数据采集及处理单元15，令所述的数据采集及处理单元15的工作模式为振动传感模式,

S5:所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统对所述的光纤拉曼放大器8的输出端口所接的传感光纤沿线的振动情况进行探测感知；所述振动情况影响后向散射光的强度，经光电探测器探测到后向散射光强度的变化，再经过解调算法，实现对振动信号的探测感知。

所述的声波传感模式的工作过程为：

T1：所述的上位机软件17设置为声波传感模式，

T2：所述的计算机16发出信号通过第一光开关的第二输入端控制所述的第一光开关，令所述的第一光开关的第一输入端口到第一输出端口通光，

T3：所述的计算机16控制所述的第二光开关9，令所述的第二光开关9通光，用于引入本振光，与后向散射光相干，完成声波探测；

T4：所述的计算机16控制所述的数据采集及处理单元15，令所述的数据采集及处理单元15的工作模式为声波传感模式；

T5:所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统对所述的第一光开关的第一输出端口所接的传感光纤沿线的声波情况进行探测感知；所述声波情况影响后向散射光的相位，经光电探测器探测到后向散射光相位的变化，再经过解调算法，实现对声波信号的探测感知。

实施例2：

与实施例1相比不同之处在于：所述的激光器1为窄线宽激光器。

其余内容与实施例1相同。

实施例3：

与实施例2相比不同之处在于：所述的1×2光纤耦合器2的功率分光比为1:99，所述的1×2光纤耦合器2的第一输出端口输出功率比例为99％，所述的1×2光纤耦合器2的第二输出端口输出功率比例为1％。

其余内容与实施例2相同。

实施例4：

与实施例3相比不同之处在于：所述的第一光纤滤波器5、第二光纤滤波器10的中心通过波长与所述的激光器1输出的激光波长相同。

本实施例中利用的光纤后向瑞利散射光进行振动或声波传感，后向瑞利散射光的波长与激光器发射波长相同，在光纤后向散射光中，还存在与激光器发射波长不同的拉曼散射光及布里渊散射光，为滤除不相关的后向散射光，得到后向瑞利散射光，提高系统信噪比，要求第一滤波器与第二滤波器透过波长与激光器发射波长相同。

其余内容与实施例3相同。

实施例5：

与实施例4相比不同之处在于：所述的3×3光纤耦合器11的分光比为1:1:1。

其余内容与实施例4相同。

实施例6：

与实施例5相比不同之处在于：所述的上位机软件控制所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统有两种工作模式，振动传感模式与声波传感模式。

其余内容与实施例5相同。

Claims (6)

1.分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其特征在于，其构成包括激光器、1×2光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光纤滤波器、光纤环形器、第一光开关、光纤拉曼放大器、第二光开关、第二光纤滤波器、3×3光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集及处理单元、计算机、上位机软件，

所述的激光器、1×2光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光纤滤波器、光纤环形器、第一光开关、光纤拉曼放大器通过单模光纤相连接，所述的光纤环形器、第二光纤滤波器、3×3光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器通过单模光纤相连接，所述的1×2光纤耦合器、第二光开关、3×3光纤耦合器通过单模光纤相连接，所述的声光调制器、第一光开关、第二光开关、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集及处理单元、计算机通过射频信号线相连接，

所述的激光器的输出端口接所述的1×2光纤耦合器的输入端口，所述的1×2光纤耦合器的第一输出端口接所述的声光调制器的第一输入端口，所述的声光调制器的输出端口接所述的掺铒光纤放大器的输入端口，所述的掺铒光纤放大器的输出端口接所述的第一光纤滤波器的输入端口，所述的第一光纤滤波器的输出端口接所述的光纤环形器的第一端口，所述的光纤环形器的第二端口接所述的第一光开关的输入端口，所述的第一光开关的第一输出端口接探测光纤，所述的第一光开关的第二输出端口接所述的光纤拉曼放大器的输入端口，所述的光纤拉曼放大器的输出端口接探测光纤，所述的光纤环形器的第三端口接所述的光纤滤波器10的输入端口，所述的光纤滤波器10的输出端口接所述的3×3光纤耦合器的第一输入端口，所述的1×2光纤耦合器的第二输出端口接所述的第二光开关的第一输入端口，所述的第二光开关的输出端口接所述的3×3光纤耦合器的第二输入端口，所述的3×3光纤耦合器的第一输出端口接所述的第一光电探测器的输入端口，所述的3×3光纤耦合器的第二输出端口接所述的第二光电探测器的输入端口，所述的3×3光纤耦合器的第三输出端口接所述的第三光电探测器的输入端口，所述的第一光电探测器的输出端口接所述的数据采集及处理单元的第一输入端口，所述的第二光电探测器的输出端口接所述的数据采集及处理单元的第二输入端口，所述的第三光电探测器的输出端口接所述的数据采集及处理单元的第三输入端口，所述的第二光开关的第二输入端口接所述的计算机的第一输出端口，所述的数据采集及处理单元的输出端口接所述的计算机的输入端口，所述的声光调制器的第二输输入端口接所述的计算机的第二输出端口，所述的第一光开关的第二输入端口接所述的计算机的第三输出接口，所述的上位机软件安装于所述的计算机中。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其特征在于，所述的激光器为窄线宽激光器。

3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其特征在于，所述的1×2光纤耦合器的功率分光比为1:99，所述的1×2光纤耦合器的第一输出端口输出功率比例为99％，所述的1×2光纤耦合器的第二输出端口输出功率比例为1％。

4.根据权利要求3所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其特征在于，所述所述的第一光纤滤波器、第二光纤滤波器的中心通过波长与所述的激光器输出的激光波长相同。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其特征在于，所述的3×3光纤耦合器的分光比为1:1:1。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统，其特征在于，所述的上位机软件控制所述的分布式光纤声波及振动融合式传感系统有两种工作模式：振动传感模式与声波传感模式。

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