CN112432696A - 一种基于φ-OTDR的复合光纤振动传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于
的复合光纤振动传感系统，该系统在以单模光纤为传感介质的基础上使用多模光纤与单模光纤混合为敏感元件，实现光纤远程敏感。传感过程为高功率激光脉冲经环行器入射到多模光纤，然后通过模式转换器流入单模光纤，这样的传感介质有效避免高功率探测脉冲直接流入单模光纤造成调制不稳定，受激布里渊效应等非线性效应导致的探测距离不敏感；还可以避免探测距离的前端因光电探测器产生饱和现象而导致的前端区域不敏感，同时避免只用多模光纤造成传输距离不远，基于复合多模—单模光纤实现30km远程敏感。
Description
技术领域
本发明涉及分布式反射传感技术领域，尤其是涉及一种基于
的复合光纤振动传感系统。
背景技术
分布式光纤传感器与其它传感技术相比具有探测距离远，灵敏度高，响应速度快等优点。因此被广泛应用于周界安防，油气管道监测，轨道交通等众多领域，已成为目前较为理想的大型设施无损检测技术。
目前，应用最广泛的分布式光纤传感技术主要有相位敏感光时域反射仪，其使用探测脉冲在光纤中的瑞利散射光进行分布式传感。通过检测散射光的相位变化来实现对扰动信号的传感，这种技术已应用于分布式振动传感中。然而随着对传感距离的增加，简单的单模光纤传感距离受到限制，导致传感距离不足。高功率脉冲会导致探测距离的前端因光电探测器产生饱和现象而导致的不敏感区域；高功率脉冲还会导致单模光纤传感的非线性效应，探测距离出现不敏感的区域，不能实现测量前端扰动信号。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于
的复合光纤振动传感系统，该系统通过将多模光纤与单模光纤相结合，解决了高功率脉冲对探测距离的前端因光电探测器产生饱和现象而导致的不敏感区域现象，且具有良好实现光纤传感远程敏感，结构容易实现等优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于
的复合光纤振动传感系统，包括窄线宽激光器、多模光纤环行器、多模光纤、单模光纤、平衡光探测器、数据采集卡、工控机、两个模式转换器、两个掺饵光纤放大器、两个衰减器和两个滤波器，窄线宽激光器、声光调制器、第一掺饵光纤放大器、第一衰减器、第一滤波器依次连接，第一滤波器的输出端连接多模光纤环行器，所述多模光纤环行器的一端与所述多模光纤连接，所述多模光纤通过第一模式转换器连接单模光纤，所述多模光纤环行器的另一端连接第二模式转换器，第二模式转换器连接第二掺饵光纤放大器，第二掺饵光纤放大器与第二衰减器、第二滤波器、平衡光探测器依次连接，所述平衡光探测器的输出端与数据采集卡和工控机依次连接。
所述第一滤波器的输出端与所述多模光纤环行器的一号端口连接，所述多模光纤环行器的二号端口与所述多模光纤连接，所述多模光纤环行器的三号端口与所述第二模式转换器连接。
所述窄线宽激光器的信号经过声光调制器调制成脉冲信号，并经过第一掺饵光纤放大器进行功率放大，功率放大后的信号经过第一衰减器调制脉冲功率后，通过第一滤波器输入多模光环行器的一号端口，并由二号端口输出至多模光纤后，通过第一模式转换器流至单模光纤，产生的瑞利背向散射光由多模光环行器的二号端口输入并由三号端口输出，三号端口输出的瑞利背向散射光通过第二模式转换器将多模信号转换为单模信号，并经过第二掺饵光纤放大器，由第二衰减器调制信号功率，经第二滤波器滤波后，将平衡光探测器接收到瑞利背向散射光进行光电转换，并将电信号传输至数据采集卡进行模数转换，将数字信号传递至工控机进行信号处理。
进一步地，所述窄线宽激光器采用波长为1550nm，输出功率为10mW，线宽为3kHz的激光器。
进一步地，所述声光调制器的调制带宽为100MHz，上升沿时间为30ns。
进一步地，所述第一掺饵光纤放大器和所述第二掺饵光纤放大器的放大增益为25dB。
进一步地，所述多模光纤采用5km的多模光纤。
进一步地，所述单模光纤采用25km的单模光纤。
进一步地，所述平衡光探测器采用低噪声PIN光电二极管。
进一步地，所述数据采集卡采用采样频率为20M/S的数据采集卡。
相较于现有技术，本发明提供的基于
的复合光纤振动传感系统，至少包括如下有益效果：
1)将多模光纤与单模光纤相结合作为传感介质，通过将脉冲在多模光纤中传播，产生多个模式的瑞利向后散射信号后，经过模式转换器变成单模信号，功率损失较大，不会导致光电探测器出现饱和现象，解决了高功率脉冲对探测距离的前端因光电探测器产生饱和现象而导致的不敏感区域现象；
2)多模光纤具有更高的非线性阈值水平以及更高的散射光捕获率，本发明使用多模光纤与单模光纤相结合作为传感光纤，能够解决高功率脉冲导致的单模光纤出现的非线性效应问题，受激布里渊效应，能够良好地实现光纤传感远程敏感，进而实现测量远端扰动信号，可使光纤传感实现在功率为240mW的高功率探测脉冲下30km的远程探测距离；
3)本发明采用常规光电器件组合，技术方案简单，结构容易实现。
附图说明
图1为实施例中基于
的复合光纤振动传感系统的结构框图；
图2为实施例中典型的输出功率与背向瑞利散射之间的数值关系图；
图3为实施例中复合光纤下输出功率与背向瑞利散射之间的数值关系图；
图4为实施例中在低功率脉冲下多模-单模中探测的有效距离；
图5为实施例中在高功率脉冲下多模-单模光纤中探测的有效距离；
图1中标号所示：
1、窄线宽激光器，2、声光调制器，3、第一掺饵光纤放大器，4、第一衰减器，5、第一滤波器，6、多模光纤环行器，7、多模光纤，8、第一模式转换器，9、单模光纤，10、第二模式转换器，11、第二掺饵光纤放大器，12、第二衰减器，13、第二滤波器，14、平衡光探测器，15、数据采集卡，16、工控机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种基于
的复合光纤振动传感系统，该系统应用探测脉冲经传感光纤返回的瑞利背向散射光的变化来判断扰动点的位置。如图1所示，该系统包括窄线宽激光器(DFB(Distributed Feedback Laser)激光器)1，声光调制器(AOM，acousto-opticmodulator)2，两个掺饵光纤放大器(EDFA，Erbium Doped Fiber Application Amplifier)3、11，两个衰减器(OA)4、12，两个滤波器(OF)5、13，多模光纤环行器(OC)6，多模光纤(MFM)7，两个模式转换器(MC)8、10，单模光纤(SFM)9，平衡光探测器(PD)14，数据采集卡(DAQ)15和工控机(IPC)16。
窄线宽激光器1、声光调制器2、第一掺饵光纤放大器3、第一衰减器4、第一滤波器5依次连接。第一滤波器5的输出端连接多模光纤环行器6，多模光纤环行器6的一端与多模光纤7连接，多模光纤7通过第一模式转换器8连接单模光纤9；多模光纤环行器6的另一端连接第二模式转换器10，该第二模式转换器10连接第二掺饵光纤放大器11。第二掺饵光纤放大器11与第二衰减器12、第二滤波器13、平衡光探测器14依次连接。平衡光探测器14的输出端与数据采集卡15和工控机16依次连接。
本实施例中系统各部分器件说明如下：
窄线宽激光器1，本实施例采用RIO公司生产的波长为1550nm，输出功率为10mW，线宽为3kHz的激光器。该激光器具有非常低的相位噪声和相对强度噪声，可靠性高。
声光调制器2，用于将激光器发出的连续光调制为脉冲光，同时让激光脉冲获得固定频率的移频，声光调制器与电光调制技术相比具有更高的消光比，性能更稳定，设置调制带宽100MHz能够使系统有更高的空间分辨率。本实施例设置调制带宽100MHz，上升沿时间为30ns。
第一掺饵光纤放大3、第二掺饵光纤放大器11，用于放大脉冲信号，本实施例方案放大增益是25dB，能够满足系统传感需要。
第一衰减器4、第二衰减器12，根据实际需要调节输入功率大小。
第一滤波器5、第二滤波器13，用于对EDFA放大器的自发射噪声进行滤波，有效降低系统的噪声水平。
多模光纤环行器6，为一个三端口光纤环行器，其光学特征是从一号端口输入光信号只能从二号端口输出，三号端口输出从二号端口返回的光信号，本发明中，多模光纤环行器6的一号端口输入传感探测光并从二号端口输出，从二号端口接收返回的背向瑞利散射光从三号端口输出。具体地：第一滤波器5的输出端与多模光纤环行器6的一号端口连接，多模光纤环行器6二号端口与多模光纤7相连，三号端口与第二模式转换器10连接。
多模光纤7，多模光纤适用于高功率脉冲的传感，不易产生非线性效应，调制不稳定现象，可以作为短距离的传感介质，本实施例中采用5km的多模光纤作为传感介质。
第一模式转换器8、第二模式转换器10，用于将多模光纤的光信号转换为单模光纤的光信号。
单模光纤9，作为光信号的传感元件，但是光脉冲功率不易过高，否则会导致调制不稳定，存在感测的不敏感区域，本实施例采用25km的单模光纤通过第一模式转换器8接在多模光纤7之后。
平衡光探测器14，用于光电转换，本实施例采用低噪声PIN光电二极管，它集成了高线性度模拟PIN探测器和低噪声宽带跨阻三级放大器，具有高增益，高灵敏度，增益平坦等特点。
数据采集卡15，用于实现信号模数转换，采集平衡光探测器14输出的电信号，并转换其数字信号。本实施例使用采样频率为20M/S的数据采集卡。
工控机16，用于对数据采集卡15所采集的数字信号进行处理。本实施例采用LabView软件处理数据。
本发明系统基于探测信号在复合“多模—单模光纤”上的传感信号处理。使用多模光纤与单模光纤相结合作为传感光纤。若用手指敲击传感光纤来获得某一点的振动信号，所模拟的外界振动事件可以发生在整条传感光纤的任意位置。
本发明系统的工作原理为：
窄线宽激光器1经过声光调制器2被调制成脉冲信号，并经过第一掺饵光纤放大器3进行功率放大，在经过第一衰减器4适当的调制脉冲功率，经过第一滤波器5滤波被输入多模光环行器6的一号端口，并由二号端口输出到5km的多模光纤7，通过第一模式转换器8流入25km的单模光纤9，产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出。
三号端口的输出的瑞利背向散射光通过第二模式转换器10将多模信号转换为单模信号，经过第二掺饵光纤放大11，再由第二衰减器12适当的调制信号功率，经第二滤波器13滤波后，将平衡光探测器14接收到瑞利背向散射光进行光电转换，并把电信号传给数据采集卡15进行模数转换，将数字信号传递给工控机16进行信号处理。
当传感光纤上某一点发生振动，瑞利散射的背向散射光可分为两部分，其中一部分为光纤首端和扰动点之间，散射点没有被扰动干扰，光相位不变化。另一部分来自光纤末端与扰动点之间的散射点受到扰动点的影响，光相位发生变化。两部分散射的表达式分别为：
其中，α为光纤损耗，(i，j＝1，2，3···)为入射光在第i或j个散射中心产生的脉冲光的振幅大小；m表示第m个散射点，n表示第n个散射点。EA和Aα分别为扰动前的散射光强和幅度值，EB和Ab分别为扰动后的散射光强和幅度值，E0为首端探测脉冲光幅值，
和
分别是在扰动前某一点的散射光相位和扰动后某一散射点相位，zk为光纤中第k个散射点距离光纤首端的距离，第p个散射点为扰动发生位置，rk和
分别为第k个散射点的散射系数和散射光相位，
为扰动引起的光相位变化，总背向瑞利散射光强E(t)为：
总功率S(t)为：
当扰动发生时，会引起瑞利散射迹线的变化，通过扰动前后瑞利散射迹线的差分计算可获得扰动位置。
探测信号在复合“多模—单模光纤”上的传感信号处理。使用多模光纤与单模光纤相结合作为传感光纤，探测脉冲经过5km的多模光纤在流向单模光纤。由于多模光纤有更高的非线性阈值水平，可以使用更高能量的探测脉冲，从而产生更强的反向散射信号。流向单模光纤的脉冲既不会出现调制不稳定，又保证了在单模光纤上的传感距离，有效避免了高功率探测脉冲对单模光纤造成非线性效应，导致探测出现不敏感的区域，从采集卡上获取的传感信号传给工控机，在LabView软件中处理数据。因光探测器在高功率脉冲光下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降。而在本发明中，脉冲在多模光纤中传播，产生多个模式的瑞利向后散射信号，经过模式转换器变成单模信号，功率损失较大，没有导致光电探测器出现饱和现象，进而能够解决高功率脉冲对探测距离的前端因光电探测器产生饱和现象而导致一小段不敏感区域的问题。又因多模光纤有更高的非线性阈值水平以及更高的散射光捕获率，因此能够解决高功率脉冲导致的单模光纤出现的非线性效应问题，受激布里渊效应，能够良好地实现光纤传感远程敏感。
本实施例按照上述连接关系和工作原理对复合光纤的振动传感能力进行相同情况的对比实验。
首先是利用本发明复合光纤的设计与传统单模光纤的传感能力对比实验，该实验其他情况一致，图2表示在高功率探测脉冲下，基于单模光纤为传感介质的输出功率与背向瑞利散射之间的数值关系，由图2可知随着传输的距离的不断增加，功率就越来越小，且传感光纤的前端出现一段不敏感的区域。图3表示复合“多模—单模光纤”为传感介质的输出功率与背向瑞利散射之间的数值关系。由图3可知注入到多模光纤的功率更高，而传感光纤的前端没有不敏感的区域。
其次对低功率、高功率下本发明系统的复合光纤的振动传感能力进行实验验证，图4和图5中分别显示了在低功率和高功率下，轻轻拨动单模光纤的中间一段，扰动信号在光纤中响应。图4中振动信号的响应十分微弱，信噪比较低，已不能准确辨识振动信号，说明光纤传感在功率为120mW的低功率探测脉冲下探测距离为20km左右已经不太敏感了。而图5中振动信号的响应十分明显，信噪比较高，可以明显辨识振动信号，说明光纤传感在功率为240mW的高功率探测脉冲下探测距离已经可以达到了30km。可知本发明系统在高功率脉冲情况下可避免探测距离出现不敏感的区域的问题，可实现有效的传感距离，进而能够有效实现测量前端扰动信号。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、多模光纤环行器、多模光纤、单模光纤、平衡光探测器、数据采集卡、工控机、两个模式转换器、两个掺饵光纤放大器、两个衰减器和两个滤波器，窄线宽激光器、声光调制器、第一掺饵光纤放大器、第一衰减器、第一滤波器依次连接，第一滤波器的输出端连接多模光纤环行器，所述多模光纤环行器的一端与所述多模光纤连接，所述多模光纤通过第一模式转换器连接单模光纤，所述多模光纤环行器的另一端连接第二模式转换器，第二模式转换器连接第二掺饵光纤放大器，第二掺饵光纤放大器与第二衰减器、第二滤波器、平衡光探测器依次连接，所述平衡光探测器的输出端与数据采集卡和工控机依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一滤波器的输出端与所述多模光纤环行器的一号端口连接，所述多模光纤环行器的二号端口与所述多模光纤连接，所述多模光纤环行器的三号端口与所述第二模式转换器连接。
3.根据权利要求2所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述窄线宽激光器的信号经过声光调制器调制成脉冲信号，并经过第一掺饵光纤放大器进行功率放大，功率放大后的信号经过第一衰减器调制脉冲功率后，通过第一滤波器输入多模光环行器的一号端口，并由二号端口输出至多模光纤后，通过第一模式转换器流至单模光纤，产生的瑞利背向散射光由多模光环行器的二号端口输入并由三号端口输出，三号端口输出的瑞利背向散射光通过第二模式转换器将多模信号转换为单模信号，并经过第二掺饵光纤放大器，由第二衰减器调制信号功率，经第二滤波器滤波后，将平衡光探测器接收到瑞利背向散射光进行光电转换，并将电信号传输至数据采集卡进行模数转换，将数字信号传递至工控机进行信号处理。
4.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述窄线宽激光器采用波长为1550nm，输出功率为10mW，线宽为3kHz的激光器。
5.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述声光调制器的调制带宽为100MHz，上升沿时间为30ns。
6.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一掺饵光纤放大器和所述第二掺饵光纤放大器的放大增益为25dB。
7.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述多模光纤采用5km的多模光纤。
8.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述单模光纤采用25km的单模光纤。
9.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述平衡光探测器采用低噪声PIN光电二极管。
10.根据权利要求1所述的基于
的复合光纤振动传感系统，其特征在于，所述数据采集卡采用采样频率为20M/S的数据采集卡。
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