CN111811636A - 基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及方法 - Google Patents

基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及方法，第一种测量系统包括多波长弱反结构传感光纤和多波长光源，多波长光源依次与第一波分复用器、声/光调制器、光放大器和环形器的第一端口连接，环形器的第二端口和第三端口分别与多波长弱反结构传感光纤和第二波分复用器连接；第二波分复用器的输出与相位解调模块连接。第二种测量系统包括多波长弱反结构传感光纤和脉冲光源，脉冲光源与若干环形器的第一端口连接，每个环形器的第二端口与多波长弱反结构传感光纤连接，所有环形器的第三端口均与相位解调模块连接。两种形式的测量系统都提高了脉冲重复频率，实现在光纤长度一定时有效提高振动测量的频率响应范围，提高了系统性能。

Description

基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及方法。
背景技术
近年来，随着油气管道、油井、大型工业和建筑等的高速发展，其安全越来越受到各界关注，尤其是对长距离基础设施的健康进行监测。因分布式光纤传感技术的诸多优点，使其能实现大范围获取光纤上随时间和空间变化的被测量分布信息的能力。分布式光纤传感振动测量目前有马赫曾德尔干涉仪技术、相位敏感光时域反射(OTDR)技术、频分复用技术和白光干涉技术，且经过研究，相位敏感的OTDR技术是在振动测量中最常被应用的，该技术为避免后向瑞利散射信号之间发生串扰，要求每个测量周期只能发生一个光脉冲，在传感光纤很长时，光脉冲反射来回时间增加，使得光脉冲的重复频率较小，可测量的振动频率范围就越窄。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及方法可以提高脉冲重复率，扩展振动可测量的频率范围，提高系统性能，。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统，其包括多波长弱反结构传感光纤和多波长光源，多波长光源依次与第一波分复用器、声/光调制器、光放大器和环形器的第一端口连接，环形器的第二端口和第三端口分别与多波长弱反结构传感光纤和第二波分复用器连接；第二波分复用器的输出与相位解调模块连接。
第二方面，提供一种振动宽频测量系统的测量方法，其包括：
将多波长光源发出的n个不同波长的连续光经第一波分复用器合成一路信号，并采用光调制器调制成脉冲光；
脉冲光经过光纤放大器后，通过环形器的第一端口进入，经环形器的第二端口注入多波长弱反结构传感光纤；
向多波长弱反结构传感光纤注入放大后脉冲光的同时，在多波长弱反结构传感光纤的任一位置施加一振动信号；
每个波长在经过其对应的多波长弱反结构传感光纤后，其反射信号经环形器的第三端口进入第二波分复用器解复用后，将反射信号分为n路进行相位解调，得到振动频率响应范围。
第三方面，提供一种基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统，其包括多波长弱反结构传感光纤和脉冲光源，脉冲光源与若干环形器的第一端口连接，每个环形器的第二端口与多波长弱反结构传感光纤连接，所有环形器的第三端口均与相位解调模块连接。
第四方面，提供一种基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统的测量方法，其包括：
将脉冲光源发出的n个波长的脉冲光分别对应进入n个独立环形器的第一端口，经环形器第二端口注入n根多波长弱反结构传感光纤；
向多波长弱反结构传感光纤注入放大后脉冲光的同时，在多波长弱反结构传感光纤的任一位置施加一振动信号；
每个波长在经过其对应的多波长弱反结构传感光纤后，其每根传感光纤反射信号经各自连接的环形器第三端口进入相位解调模块，得到振动信号频率响应范围。
本发明的有益效果为：
本方案采用的多波长弱反结构传感光纤的反射远强于瑞利散射，本方案第一种形式的振动宽频测量系统的多波长光源同时发出不同波长(λ1，λ2…λn)的光，且每个波长的光只对应含有该波长的传感光纤中被反射，即发出的λ1只被第一段经折射率调制后反射中心波长为λ1的这段光纤反射，其余波长的光不会被该段光纤反射，同理λ2、λ3…λn波长的光也只被相对应的一段光纤反射，不同波长的光反射不会产生干扰，因此，传感光纤的有效距离被缩短了，即提高了脉冲重复率，实现了在光纤长度一定时有效提高振动测量的频率响应范围。
本方案第二种形式的振动宽频测量系统的脉冲光源发出n个不同波长(λ1，λ2…λn)的脉冲光，每个波长的光进入单独的环形器，且只对含有该波长的多波长弱反结构传感光纤反射，即发出的λ1的光只反射对应第一根0～L1区域的反射波长为λ1的光纤反射，同理λ2、λ3…λn只对含有该波长的单根微结构传感光纤反射，每根光纤的每段占用的长度短，提高了脉冲重复率，n路反射信号经环形器第三端口后进入相位解调模块。由于每个环形器各自独立，n路反射信号互不干扰，在相位解调模块单独探测解调，提高系统性能。
附图说明
图1为基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及其方法第一种形式的原理框图。
图2为图1示出的振动宽频测量系统的测量方法的流程图。
图3为基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统及其方法第二种形式的原理框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，振动测量系统包括发出多波长光源的光源发生器，光源发生器依次与第一波分复用器、声/光调制器、光放大器和环形器的第一端口连接，环形器的第二端口和第三端口分别与多波长弱反结构传感光纤和第二波分复用器连接；第二波分复用器的输出与相位解调模块连接。
其中，光源发生器为发出n个不同波长光信号的多波长窄线宽激光器，光放大器为掺铒光纤放大器，声/光调制器为声光调制器或电光调制器。
图2为图1示出的振动宽频测量系统的测量方法的流程图，该测量方法该方法S包括步骤S1至步骤S4。
在步骤S1中，将多波长光源发出的n个不同波长的连续光经第一波分复用器合成一路信号，并采用光调制器调制成脉冲光；
在步骤S2中，脉冲光经过光纤放大器后，通过环形器的第一端口进入，经环形器的第二端口注入多波长弱反结构传感光纤；
实施时，本方案选择的多波长分布式弱反结构的传感光纤是用飞秒激光器对其进行连续折射率调制，每个波长的调制区域的反射光谱带大于1nm，为避免温度变化引起的反射强度变化，劣化测量精度。
在步骤S3中，向多波长弱反结构传感光纤注入放大后脉冲光的同时，在弱反布拉格传感光纤的任一位置施加一振动信号；
在步骤S4中，每个波长在经过其对应的多波长弱反结构传感光纤后，其反射信号经环形器的第三端口进入第二波分复用器解复用后，将反射信号分为n路进行相位解调，得到振动频率响应范围。
实施时，本方案优选连续折射率调制的多波长弱反结构传感光纤采用飞秒激光刻写。
本方案将长距离的传感光纤进行连续的折射率调制，得到含不同波长的多波长弱反结构传感光纤，该传感光纤的反射远强于瑞利散射，采用本方案的测量方法可提高脉冲重复率，扩展振动可测量的频率范围，可实现长距离的宽频振动测量。
本实施例以一段含3个不同波长的传感光纤接入振动测量系统来阐释，多波长窄线宽激光器光源发出3个不同波长的连续光，经过第一波分复用器后合成一路信号，被光调制器调制为脉冲光，经光纤放大器放大进入环形器的第一端口，从环形器的第二端口注入多波长弱反结构传感光纤。
多波长弱反结构传感光纤是经连续折射率调制后含3个不同反射中心波长，分别为λ1、λ2和λ3，λ1、λ2、λ3对应的传感光纤长度均可达公里级。该传感光纤的反射远强于瑞利散射，因此，仅考虑λ1、λ2和λ3的反射光。
光源发出的3个不同波长的脉冲光同时进入传感光纤，传感光纤中折射率调制反射中心波长为λ1、λ2和λ3的光纤分别反射λ1、λ2和λ3波长的光。由于折射率调制反射中心波长为λ1段光纤不反射λ2和λ3，折射率调制反射中心波长为λ2段光纤不反射λ1和λ3，折射率调制反射中心波长为λ3段光纤不反射λ2和λ1，反射光的波长互不干扰。
之后利用第二波分复用器解复用分开λ1、λ2和λ3，最终得到传感光纤时域的反射光谱，反射光λ1、λ2和λ3经相位解调得振动响应信号。可用基于3*3耦合器的光纤相位解调算法得相位，最终解得振动信号。
如图3所示，本方案还提供了另外一种形式的基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统，其包括多波长弱反结构传感光纤和脉冲光源，脉冲光源与若干环形器的第一端口连接，每个环形器的第二端口与多波长弱反结构传感光纤连接，所有环形器的第三端口均与相位解调模块连接。
如图3所示，脉冲光源发生器产生的每个波长的光进入一个独立的环形器和一根多波长弱反结构传感光纤。每根多波长弱反结构传感光纤划分为n段，分别为0～L1、L1～L2、…Ln-1～Ln，第1根多波长弱反结构传感光纤的调制区域为0～L1的反射中心波长为λ1，第2根多波长弱反结构传感光纤的调制区域为L1～L2的反射中心波长为λ2，…第n根多波长弱反结构传感光纤的调制区域为Ln-1～Ln的反射中心波长为λn。
本方案还提供了一种图3示出的基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统的测量方法，其包括步骤A1至步骤A3：
在步骤A1中，将脉冲光源发出的n个波长的脉冲光分别对应进入n个独立环形器的第一端口，经环形器第二端口注入n根多波长弱反结构传感光纤；
在步骤A2中，向多波长弱反结构传感光纤注入放大后脉冲光的同时，在多波长弱反结构传感光纤的任一位置施加一振动信号；
在步骤A3中，每个波长在经过其对应的多波长弱反结构传感光纤后，其每根传感光纤反射信号经各自连接的环形器第三端口进入相位解调模块，得到振动信号频率响应范围。
图3示出的振动宽频测量系统，通过将n根并行的多波长弱反结构传感光纤接入振动宽频测量系统，每根多波长弱反结构传感光纤占用的长度缩短，提高脉冲重复率，实现长距离宽频振动测量，提高系统性能。
本实施例选用3根多波长分布式弱反结构的传感光纤，每根光纤长为L，都分为0～L1段、L1～L2段、L2～L段，第一根光纤对0～L1段进行连续折射率调制后波长为λ1，第二根光纤对L1～L2段进行连续折射率调制后波长为λ2，第三根光纤对L2～L段进行连续折射率调制后波长为λ3。
脉冲光源发出3个不同波长的光：λ1、λ2和λ3，分别进入对应3个环形器的第一端口，经第二端口注入到3根传感光纤，因该多波长弱反结构传感光纤的反射远大于瑞利散射，只考虑反射光。
第一根传感光纤的0～L1段光纤反射λ1波长的光，第二根传感光纤的L1～L2段光纤反射λ2波长的光，同理，第三根传感光纤的L2～L段光纤反射λ3波长的光，3路信号的反射光互不干扰，可单独探测信号，提高系统探测性能，每段多波长弱反结构传感光纤占用长度缩短，提高脉冲重复率。
之后3路反射信号经分别经3个环形器第三端口后进入相位解调模块解调，解得振动信号。

Claims (9)

1.一种基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统，其特征在于，包括多波长弱反结构传感光纤和多波长光源，所述多波长光源依次与第一波分复用器、声/光调制器、光放大器和环形器的第一端口连接，环形器的第二端口和第三端口分别与多波长弱反结构传感光纤和第二波分复用器连接；所述第二波分复用器的输出与相位解调模块连接。
2.根据权利要求1所述的振动宽频测量系统，其特征在于，所述多波长弱反结构传感光纤是经过连续折射率调制成的含有n个不同波长的光的多波长分布式弱反结构。
3.根据权利要求2所述的振动宽频测量系统，其特征在于，经连续折射率调制后的多波长弱反结构传感光纤每个波长的反射光谱的带宽大于1nm。
4.根据权利要求3所述的振动宽频测量系统，其特征在于，连续折射率调制的多波长弱反结构传感光纤采用飞秒激光刻写。
5.一种权利要求1-4任一所述的振动宽频测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
将多波长光源发出的n个不同波长的连续光经第一波分复用器合成一路信号，并采用光调制器调制成脉冲光；
脉冲光经过光纤放大器后，通过环形器的第一端口进入，经环形器的第二端口注入多波长弱反结构传感光纤；
向多波长弱反结构传感光纤注入放大后脉冲光的同时，在多波长弱反结构传感光纤的任一位置施加一振动信号；
每个波长在经过其对应的多波长弱反结构传感光纤后，其反射信号经环形器的第三端口进入第二波分复用器解复用后，将反射信号分为n路进行相位解调，得到振动频率响应范围。
6.一种基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统，其特征在于，包括多波长弱反结构传感光纤和脉冲光源，所述脉冲光源与若干环形器的第一端口连接，每个环形器的第二端口与多波长弱反结构传感光纤连接，所有环形器的第三端口均与相位解调模块连接。
7.根据权利要求6所述的振动宽频测量系统，其特征在于，脉冲光源发出的每个脉冲光进入一个独立的环形器和一根多波长弱反结构传感光纤。
8.根据权利要求6所述的振动宽频测量系统，其特征在于，每根多波长弱反结构传感光纤划分为n段，分别为0～L1段、L1～L2段、…Ln-1～Ln段，第1根多波长弱反结构传感光纤的调制区域为0～L1段的反射中心波长为λ1，第2根多波长弱反结构传感光纤的调制区域为L1～L2段的反射中心波长为λ2，…第n根多波长弱反结构传感光纤的调制区域为Ln-1～Ln段的反射中心波长为λn。
9.一种权利要求6-8任一所述的基于多波长弱反结构传感光纤的振动宽频测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
将脉冲光源发出的n个波长的脉冲光分别对应进入n个独立环形器的第一端口，经环形器第二端口注入n根多波长弱反结构传感光纤；
向多波长弱反结构传感光纤注入放大后脉冲光的同时，在多波长弱反结构传感光纤的任一位置施加一振动信号；
每个波长在经过其对应的多波长弱反结构传感光纤后，其每根传感光纤反射信号经各自连接的环形器第三端口进入相位解调模块，得到振动信号频率响应范围。
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