CN113758509A - 一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，属于分布式光纤传感技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：通过并联窄带滤波‑级联放大模块，将中心波长为1550nm的Φ‑OTDR、中心波长为1450nm和1660nm的R‑OTDR以及中心波段在1550nm附近的B‑OTDR结合，从而实现对光纤中温度、应变和振动三参量同时分布式传感检测；通过信号发生器分时强弱电压驱动的方式驱动声光调制器，进而产生高低峰值功率周期性相间的脉冲激光，利用这种时分复用的方式，避免光纤中后向瑞利散射信号、布里渊散射信号与拉曼散射信号间的相互干扰，实现Φ‑OTDR、B‑OTDR与R‑OTDR三者的有效协调运行；本发明应用于分布式测量。

Description

一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置

技术领域

本发明一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

近年来，传感技术受到越来越多研究者们的关注，同时各类传感器已经广泛地应用于众多产业领域中。光纤传感作为一种新型的传感技术，凭借其体积小、重量轻、传输速度快、耐腐蚀、不受电磁干扰、成本低等独特优势，受到了世界各国研究者们的青睐。光纤传感技术是利用在光纤中传输的光信号的振幅、相位、偏振态以及波长等对外界物理量比如温度、压力、振动等参量敏感的特性，通过一系列解调技术手段得到外界信息量。光纤既作为传输媒介，又作为感知介质，可实现全分布式传感，具有传统电传感器无法替代的优势。

随着工程实际应用需求的不断提高，人们不再满足于仅对单个物理量进行传感检测而是希望同时得到更多的外界参量信息，其中温度、应变、振动是最为基础又极其重要的三个参量，对多参量同时分布式测量的传感技术的研究成为光纤传感技术中的一大难题。一方面，多参量实时测量对激光器的一致性提出了更高的要求，其中拉曼光时域反射（R-OTDR）技术要求有足够高的入纤光功率，相位敏感光时域反射（Φ-OTDR）技术和布里渊光时域反射（B-OTDR）技术则要求使用窄线宽激光器，对于窄线宽激光器而言，过高的入纤光功率又会对光纤中的后向瑞利散射信号和布里渊散射信号产生较大的非线性效应影响，主要表现为散射信号的快速衰减；另一方面，多参量实时测量使用到的各类复用技术与分光技术对光纤中后向散射光信号提出更高的信噪比要求，而传统的光放大方案会造成对光信号的放大不均匀，且会产生较高的噪声系数，严重影响对后向散射信号的探测。

为此，本发明在窄线宽激光器的基础上，提出了一种并联窄带滤波-级联放大结构结合分时强弱电压驱动的方法，在同一根单模光纤上实现了三个系统的融合，并构建结合时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大的结构，对全光纤中光信号进行分布式均匀放大，从而实现了对外界温度、应变、振动三参量的同时分布式传感检测，不仅具有广泛的市场应用空间，而且对新型光纤传感技术的研究具有重要意义。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，包括脉冲激光产生模块、时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块、并联窄带滤波-级联放大模块、数据采集分析模块，所述脉冲激光产生模块通过1550nm窄线宽激光器采用分时强弱电压驱动方式产生高低峰值功率周期性相间的脉冲探测激光，其中高峰值功率脉冲激光用于在时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块的单模光纤中激发中心波长为1450nm和1660nm的后向拉曼散射信号，低峰值功率脉冲激光用于在时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块的单模光纤中激发中心波长为1550nm的后向瑞利散射信号和波长在1550nm附近的后向布里渊散射信号；

所述并联窄带滤波-级联放大模块用于将返回的后向散射信号分为包含1450nm、1550nm和1660nm不同的波段，并将不同波段的信号分别采集到数据采集分析模块，分别通过Φ-OTDR、B-OTDR与R-OTDR获取外界振动、应变和温度信息。

所述脉冲激光产生模块包括1550nm窄线宽激光器，所述1550nm窄线宽激光器发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光输入到第一光纤耦合器的输入端，第一光纤耦合器将1550nm激光分为两部分，一部分激光作为探测光从第一光纤耦合器的b端口输出，另一部分激光作为本地光从第一光纤耦合器的c端口输出；第一光纤耦合器的c输出端连接到第三光纤耦合器的a输入端；

从第一光纤耦合器的b端口输出的探测光输入到声光调制器的a输入端，信号发生器连接声光调制器的c输入端，并通过分时强弱电压驱动的方式驱动声光调制器，进而产生高低峰值功率周期性相间的脉冲探测激光；

声光调制器在信号发生器的驱动下将1550nm连续探测光调制成脉冲光，并产生200MHz的频移；调制后的探测脉冲光从声光调制器的b输出端输入到第一掺铒光纤放大器的输入端，第一掺铒光纤放大器对1550nm脉冲激光进行放大，放大后的脉冲激光从第一掺铒光纤放大器的输出端输入到环形器的a输入端。

所述时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块包括第二光纤耦合器、第一传感光纤、待测光纤、第二传感光纤、波分复用器、1455nm泵浦光源、第一半导体光放大器、第一光隔离器、1366nm泵浦光源、第二半导体光放大器、第二光隔离器、第三光隔离器；

1550nm脉冲激光从环形器的b输出端输入到第二光纤耦合器的b输入端，随后从第二光纤耦合器的c输出端输入到第一传感光纤的输入端；从第一传感光纤的输出端输出的1550nm脉冲激光输入到待测光纤的输入端，在待测光纤上施加温度、应变、振动信号，用于系统检测识别；从待测光纤输出的1550nm脉冲激光输入到第二传感光纤的输入端，其中第一传感光纤、待测光纤和第二传感光纤均为单模光纤；从第二传感光纤输出端输出的1550nm脉冲激光输入到波分复用器的a输入端，并从波分复用器的c输出端输入到第三光隔离器的输入端；

所述1455nm泵浦光源的输出端连接到第一半导体光放大器的输入端，第一半导体光放大器周期性的控制1455nm泵浦光源的通断；所述第一半导体光放大器的输出端连接到第一光隔离器的输入端；所述第一光隔离器的输出端连接到波分复用器的b输入端；

所述1366nm泵浦光源的输出端连接到第二半导体光放大器的输入端，第二半导体光放大器周期性控制1366nm泵浦光源的通断；所述第二半导体光放大器的输出端连接到第二光隔离器的输入端；所述第二光隔离器的输出端连接到第二光纤耦合器的a输入端；所述第二光纤耦合器的b输入端连接到环形器的b输出端。

所述并联窄带滤波-级联放大模块包括第四光纤耦合器、第一光滤波器、第二掺铒光纤放大器、第二光滤波器、第三掺铒光纤放大器、第三光滤波器、第四掺铒光纤放大器、第四光滤波器、第五掺铒光纤放大器；

所述环形器的c输出端连接到第四光纤耦合器的a输入端，所述第四光纤耦合器的b输出端连接到第一光滤波器的输入端，第四光纤耦合器的c输出端连接到第二光滤波器的输入端，第四光纤耦合器的d输出端连接到第三光滤波器的输入端，第四光纤耦合器的e输出端连接到第四光滤波器的输入端；

所述第一光滤波器的输出端连接到第二掺铒光纤放大器的输入端；所述第二掺铒光纤放大器的输出端连接到第五光纤耦合器的a输入端；

所述第二光滤波器的输出端连接到第三掺铒光纤放大器的输入端；所述第三掺铒光纤放大器的输出端连接到第一光电探测器的a输入端；

所述第三光滤波器的输出端连接到第四掺铒光纤放大器的输入端；所述第四掺铒光纤放大器的输出端连接到第一光电探测器的b输入端；

所述第四光滤波器的输出端连接到第五掺铒光纤放大器的输入端；所述第五掺铒光纤放大器的输出端连接到第六光纤耦合器的b输入端。

所述数据采集分析模块包括第一数据采集卡、第二数据采集卡、第三数据采集卡和计算机；

所述第三光纤耦合器的b输出端连接到第六光纤耦合器的a输入端，第三光纤耦合器的c输出端连接扰偏器的输入端；

所述扰偏器的输出端连接到第五光纤耦合器的b输入端；所述第五光纤耦合器的c输出端连接到第二光电探测器的输入端；所述第二光电探测电器的输出端连接到检波器的输入端；所述检波器的输出端连接到第二数据采集卡的输入端；所述第二数据采集卡的输出端连接到计算机的a输入端；

所述第一光电探测器的c输出端连接到第一数据采集卡的a输入端，第一光电探测器的d输出端连接到第一数据采集卡的b输入端；所述第一数据采集卡的c输出端连接到计算机的b输入端；

所述第六光纤耦合器的c输出端连接到第三光电探测器的a输入端，第六光纤耦合器的d输出端连接到第三光电探测器的b输入端；所述第三光电探测器的c输出端连接到第三数据采集卡的输入端；所述第三数据采集卡的输出端连接到计算机的c输入端。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

一、本发明设计了一种并联窄带滤波-级联放大的结构，将光纤中的后向散射光分为包含1450nm、1550nm和1660nm不同的波段，将中心波长为1550nm的Φ-OTDR技术、中心波长为1450nm和1660nm的R-OTDR技术以及中心波段在1550nm附近的B-OTDR技术结合起来，从而实现对光纤中温度、应变、振动三参量的同时分布式传感检测。

二、本发明利用时分复用的方式，通过信号发生器分时强弱电压驱动的方式驱动声光调制器，进而产生高低峰值功率周期性相间的脉冲探测激光。高峰值功率脉冲激光用于激发单模光纤中后向拉曼散射信号，低峰值功率脉冲激光用于激发单模光纤中后向瑞利散射信号和布里渊散射信号，避免了多种后向散射信号之间的相互干扰，进而实现Φ-OTDR技术、B-OTDR技术与R-OTDR技术三者的高效协调运行。

三、本发明构建结合时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大的结构，避免了传统光放大方式造成的自发噪声积累和非线性损伤等问题，解决了一般分布式双向放大与R-OTDR技术在结构上的冲突，并达到了后向散射光全谱输出的效果，实现了对光纤中光信号的分布式均匀放大，降低了系统噪声系数，从而实现更长的传感距离与更高的信噪比和空间分辨率等性能指标。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、1550nm窄线宽激光器；2、第一光纤耦合器；3、声光调制器；4、信号发生器；5、第一掺铒光纤放大器；6、环形器；7、第二光纤耦合器；8、第一传感光纤；9、待测光纤；10、第二传感光纤；11、波分复用器；12、1455nm泵浦光源；13、第一半导体光放大器；14、第一光隔离器；15、1366nm泵浦光源；16、第二半导体光放大器；17、第二光隔离器；18、第三光隔离器；19、第三光纤耦合器；20、第四光纤耦合器；21、第一光滤波器；22、第二掺铒光纤放大器；23、第二光滤波器；24、第三掺铒光纤放大器；25、第三光滤波器；26、第四掺铒光纤放大器；27、第四光滤波器；28、第五掺铒光纤放大器；29、第一光电探测器；30、第一数据采集卡；31、扰偏器；32、第五光纤耦合器；33、第二光电探测器；34、检波器；35、第二数据采集卡；36、第六光纤耦合器；37、第三光电探测器；38、第三数据采集卡；39、计算机。

具体实施方式

如图1所示，本发明的温度、应变、振动一体化光纤传感装置，包括1550nm窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、声光调制器3、信号发生器4、第一掺铒光纤放大器5、环形器6、第二光纤耦合器7、第一传感光纤8、待测光纤9、第二传感光纤10、波分复用器11、1455nm泵浦光源12、第一半导体光放大器13、第一光隔离器14、1366nm泵浦光源15、第二半导体光放大器16、第二光隔离器17、第三光隔离器18、第三光纤耦合器19、第四光纤耦合器20、第一光滤波器21、第二掺铒光纤放大器22、第二光滤波器23、第三掺铒光纤放大器24、第三光滤波器25、第四掺铒光纤放大器26、第四光滤波器27、第五掺铒光纤放大器28、第一光电探测器29、第一数据采集卡30、扰偏器31、第五光纤耦合器32、第二光电探测器33、检波器34、第二数据采集卡35、第六光纤耦合器36、第三光电探测器37、第三数据采集卡38和计算机39。图1为本发明一种温度、应变、振动一体化光纤传感装置的结构示意图，下面结合图1说明本发明的具体实施方法。

其中，所述1550nm窄线宽激光器1的输出端连接到第一光纤耦合器2的a输入端；所述第一光纤耦合器2的b输出端连接到声光调制器3的a输入端，第一光纤耦合器2的c输出端连接到第三光纤耦合器19的a输入端；所述声光调制器3的b输出端连接到第一掺铒光纤放大器5的输入端；所述信号发生器4的输出端连接到声光调制器3的c输入端，为声光调制器3提供高低峰值功率周期性相间的脉冲信号；所述第一掺铒光纤放大器5的输出端连接到环形器6的a输入端；所述环形器6的b输出端连接到第二光纤耦合器7的b输入端，环形器6的c输出端连接到第四光纤耦合器20的a输入端；所述第二光纤耦合器7的c输出端顺次经第一传感光纤8、待测光纤9、第二传感光纤10后连接到波分复用器11的a输入端；所述1455nm泵浦光源12的输出端连接到第一半导体光放大器13的输入端，第一半导体光放大器13周期性的控制1455nm泵浦光源12的通断；所述第一半导体光放大器13的输出端连接到第一光隔离器14的输入端；所述第一光隔离器14的输出端连接到波分复用器11的b输入端；所述波分复用器11的c输出端连接到第三光隔离器18的输入端；所述1366nm泵浦光源15的输出端连接到第二半导体光放大器16的输入端，第二半导体光放大器16周期性控制1366nm泵浦光源15的通断；所述第二半导体光放大器16的输出端连接到第二光隔离器17的输入端；所述第二光隔离器17的输出端连接到第二光纤耦合器7的a输入端；所述第三光纤耦合器19的b输出端连接到第六光纤耦合器36的a输入端，第三光纤耦合器19的c输出端连接扰偏器31的输入端；所述第四光纤耦合器20的b输出端连接到第一光滤波器21的输入端，第四光纤耦合器20的c输出端连接到第二光滤波器23的输入端，第四光纤耦合器20的d输出端连接到第三光滤波器25的输入端，第四光纤耦合器20的e输出端连接到第四光滤波器27的输入端；所述第一光滤波器21的输出端连接到第二掺铒光纤放大器22的输入端；所述第二掺铒光纤放大器22的输出端连接到第五光纤耦合器32的a输入端；所述扰偏器31的输出端连接到第五光纤耦合器32的b输入端；所述第五光纤耦合器32的c输出端连接到第二光电探测器33的输入端；所述第二光电探测电器33的输出端连接到检波器34的输入端；所述检波器34的输出端连接到第二数据采集卡35的输入端；所述第二数据采集卡35的输出端连接到计算机39的a输入端；所述第二光滤波器23的输出端连接到第三掺铒光纤放大器24的输入端；所述第三掺铒光纤放大器24的输出端连接到第一光电探测器29的a输入端；所述第三光滤波器25的输出端连接到第四掺铒光纤放大器26的输入端；所述第四掺铒光纤放大器26的输出端连接到第一光电探测器29的b输入端；所述第一光电探测器29的c输出端连接到第一数据采集卡30的a输入端，第一光电探测器29的d输出端连接到第一数据采集卡30的b输入端；所述第一数据采集卡30的c输出端连接到计算机39的b输入端；所述第四光滤波器27的输出端连接到第五掺铒光纤放大器28的输入端；所述第五掺铒光纤放大器28的输出端连接到第六光纤耦合器36的b输入端；所述第六光纤耦合器36的c输出端连接到第三光电探测器37的a输入端，第六光纤耦合器36的d输出端连接到第三光电探测器37的b输入端；所述第三光电探测器37的c输出端连接到第三数据采集卡38的输入端；所述第三数据采集卡38的的输出端连接到计算机39的c输入端。

所述1550nm窄线宽激光器1发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光输入到第一光纤耦合器2的输入端，第一光纤耦合器2将1550nm激光分为90%和10%的两部分，90%的激光作为探测光从第一光纤耦合器2的b端口输出，10%的激光作为本地光从第一光纤耦合器2的c端口输出；从第一光纤耦合器2的b端口输出的探测光输入到声光调制器3的a输入端，信号发生器4连接声光调制器3的c输入端，并通过分时强弱电压驱动的方式驱动声光调制器3，进而产生高低峰值功率周期性相间的脉冲探测激光，其中高峰值功率脉冲激光用于在后述单模光纤中激发中心波长为1450nm和1660nm的后向拉曼散射信号，低峰值功率脉冲激光用于在后述单模光纤中激发中心波长为1550nm的后向瑞利散射信号和波长在1550nm附近的后向布里渊散射信号，通过这种时分复用的方式有效避免光纤中多种后向散射信号之间的相互干扰；声光调制器3在信号发生器4的驱动下将1550nm连续探测光调制成脉冲光，并产生200MHz的频移；调制后的探测脉冲光从声光调制器3的b输出端输入到第一掺铒光纤放大器5的输入端，第一掺铒光纤放大器5对1550nm脉冲激光进行放大；放大后的脉冲激光从第一掺铒光纤放大器5的输出端输入到环形器6的a输入端；1550nm脉冲激光从环形器6的b输出端输入到第二光纤耦合器7的b输入端，随后从第二光纤耦合器7的c输出端输入到第一传感光纤8的输入端；从第一传感光纤8的输出端输出的1550nm脉冲激光输入到待测光纤9的输入端，在待测光纤9上施加温度、应变、振动信号，用于系统检测识别；从待测光纤9输出的1550nm脉冲激光输入到第二传感光纤10的输入端，第一传感光纤8、待测光纤9和第二传感光纤10均为单模光纤；从第二传感光纤10输出端输出的1550nm脉冲激光输入到波分复用器11的a输入端，并从波分复用器11的c输出端输入到第三光隔离器18的输入端，第三光隔离器18用于防止反射的激光对后向散射信号造成影响。

所述1455nm泵浦光源12、第一半导体光放大器13、第一光隔离器14、1366nm泵浦光源15、第二半导体光放大器16和第二光隔离器17以及第二光纤耦合器7、第一传感光纤8、待测光纤9、第二传感光纤10和波分复用器11共同构成结合时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大的结构，实现了对全光纤光信号的分布式均匀放大，解决了一般分布式双向放大与R-OTDR技术在结构上的冲突，实现了对后向散射信号的全谱输出。

由1455nm泵浦光源12输出的1455nm连续激光输入到第一半导体光放大器13的输入端，第一半导体光放大器13周期性控制1455nm泵浦光源12的通断，当信号发生器4输出强电压驱动脉冲信号时，第一半导体光放大器13控制1455nm泵浦光源12断开，当信号发生器4输出弱电压驱动脉冲信号时，第一半导体光放大器13控制1455nm泵浦光源12导通，其目的在于避免1455nm激光对光纤中由强电压驱动脉冲信号调制产生的高峰值功率脉冲激光所激发的后向拉曼散射信号中波长为1450nm的反斯托克斯光成分产生影响；从第一半导体光放大器13输出的1455nm连续激光输入到第一光隔离器14的输入端，第一光隔离器14用于防止反射回的激光对1455nm泵浦光源12造成损坏；从第一光隔离器14输出的1455nm连续激光输入到波分复用器11的b输入端，随后从波分复用器11的a输出端输入到单模光纤中，1455nm激光对光纤中存在的1550nm的激光进行分布式一阶均匀放大，实现对光纤中光信号的增强。

由1366nm泵浦光源15输出的1366nm连续激光输入到第二半导体光放大器16的输入端，第二半导体光放大器16周期性控制1366nm泵浦光源15的通断，当信号发生器4输出强电压驱动脉冲信号时，第二半导体光放大器16控制1366nm泵浦光源15断开，当信号发生器4输出弱电压驱动脉冲信号时，第二半导体光放大器16控制1366nm泵浦光源15导通，其目的在于防止1366nm激光对光纤中由强电压驱动脉冲信号调制产生的高峰值功率脉冲激光所激发的后向拉曼散射信号中波长为1450nm的反斯托克斯光成分进行一阶放大，进而影响R-OTDR系统中对温度信号的解调；从第二半导体光放大器16输出的1366nm连续激光输入到第二光隔离器17的输入端，第二光隔离器17用于防止反射回的激光对1366nm泵浦光源15造成损坏；从第二光隔离器17的输出端输出的1366nm连续激光输入到第二光纤耦合器7的a输入端，并从第二光纤耦合器7的c输出端输入到单模光纤中，1366nm激光先对光纤中存在的随机后向散射光中的1455nm波长的光信号进行一阶分布式均匀放大，再由放大后的1455nm的激光对光纤中存在的1550nm的激光进行再次分布式均匀放大，从而实现对光纤中1550nm激光的二阶放大，进一步增强光纤中的光信号。

1550nm脉冲激光在第一传感光纤8、待测光纤9和第二传感光纤10中传输的过程会在第一传感光纤8、待测光纤9和第二传感光纤10中产生包含多种波长的随机后向散射光信号，并在后向散射光信号中携带有外界环境信息。其中由信号发生器4发射的强电压驱动信号通过驱动声光调制器3，进而调制的高峰值功率的1550nm脉冲激光在单模光纤中激发产生的波长为1450nm后向散射光和1660nm后向散射光携带外界温度信息，而由信号发生器4发射的弱电压驱动信号通过驱动声光调制器3，进而调制的低峰值功率的1550nm脉冲激光在单模光纤中激发产生的波长为1550nm及其附近波段后向散射光则携带外界振动和应变信息。光纤中产生的随机后向散射光信号输入到所述第二光纤耦合器7的c输入端，并从第二光纤耦合器7的b输出端输入到环形器6的b输入端，随后后向散射光从环形器6的c输出端输入到第四光纤耦合器20的a输入端。

所述第四光纤耦合器20、第一光滤波器21、第二掺铒光纤放大器22、第二光滤波器23、第三掺铒光纤放大器24、第三光滤波器25、第四掺铒光纤放大器26、第四光滤波器27和第五掺铒光纤放大器28构成并联窄带滤波-级联放大结构，用于将返回的后向散射信号分为包含1450nm、1550nm和1660nm不同的波段，进而实现分别在Φ-OTDR技术、B-OTDR技术与R-OTDR技术中获取外界振动、应变和温度信息。

所述第四光纤耦合器20将输入的后向散射光分为25%、25%、25%和25%的四部分，其中第一部分后向散射光由第四光纤耦合器20的b输出端输入到第一光滤波器21的输入端，第一光滤波器21将后向散射光中波长在1550nm及其附近波段的布里渊后向散射信号滤出；从第一光滤波器21滤出的布里渊后向散射信号输入到第二掺铒光纤放大器22的输入端，第二掺铒光纤放大器22用于对布里渊散射光信号进行放大，以补偿第四光纤耦合器20分光作用对后向散射光信号造成的损失；放大的布里渊后向散射信号由第二掺铒光纤放大器22的输出端输入到第五光纤耦合器32的a输入端；第三光纤耦合器19将输入的本地光分为90%和10%的两部分，其中10%的本地光由第三光纤耦合器19的b输出端输入到第六光纤耦合器36的a输入端，90%的本地光由第三光纤耦合器19的c输出端经扰偏器31输入到第五光纤耦合器32的b输入端；输入第五光纤耦合器32的两束光在第五光纤耦合器32中进行拍频，随后拍频信号从第五光纤耦合器32的c输出端输入到第二光电探测器33的输入端；第二光电探测器33将光信号转化为电信号，并将电信号经检波器34输入到第二数据采集卡35的输入端；第二数据采集卡32将采集的信号输入到计算机39的a输入端，计算机39对采集的信号进行解调分析，并使用B-OTDR技术获取单模光纤周围的应变信息。

第二部分后向散射光由第四光纤耦合器20的c输出端输入到第二光滤波器23的输入端，第二光滤波器将后向散射光中拉曼散射信号中波长为1450nm的反斯托克斯后向散射光滤出；1450nm后向散射光从第二光滤波器23的输出端输入到第三掺铒光纤放大器24的输入端，第三掺铒光纤放大器24对1450nm后向散射光进行放大，用于弥补第四光纤耦合器20分光作用对后向散射光造成的损失；放大后的1450nm后向散射光由第三掺铒光纤放大器24的输出端输入到第一光电探测器29的a输入端；第三部分后向散射光由第四光纤耦合器20的d输出端输入到第三光滤波器25的输入端，第三光滤波器25将后向散射光中拉曼散射信号中波长为1660nm的斯托克斯后向散射光滤出；1660nm后向散射光从第三光滤波器25的输出端输入到第四掺铒光纤放大器26的输入端，第四掺铒光纤放大器26对1660nm后向散射光进行放大，用于弥补第四光纤耦合器20分光作用对后向散射光造成的损失；放大的1660nm后向散射光从第四掺铒光纤放大器26的输出端输入到第一光电探测器29的b输入端；第一光电探测器29将光信号转化为电信号，其中1450nm后向散射光转化的电信号从第一光电探测器29的c输出端输入到第一数据采集卡30的a输入端，1660nm后向散射光转化的电信号从第一光电探测器29的d输出端输入到第一数据采集卡30的b输入端；第一数据采集卡30将采集的信号通过第一数据采集卡30的c输出端输入到计算机39的b输入端；计算机39对采集的信号进行解调分析，并使用R-OTDR技术获取单模光纤周围的温度信息。

第四部分后向散射光从第四光纤耦合器20的e输出端输入到第四光滤波器27的输入端，第四光滤波器27将后向散射光中波长为1550nm的瑞利后向散射光滤出；瑞利后向散射光从第四光滤波器27的输出端输入到第五掺铒光纤放大器28的输入端，第五掺铒光纤放大器28对1550nm的瑞利后向散射光信号进行放大，用于弥补第四光纤耦合器20分光作用对后向散射光造成的损失；放大的瑞利后向散射信号从第五掺铒光纤放大器28的输出端输入到第六光纤耦合器36的b输入端；输入到第六光纤耦合器36的两束光在第六光纤耦合器36中进行拍频；随后第六光纤耦合器36将拍频信号分为50%和50%的两部分，其中一部分拍频信号从第六光纤耦合器36的c输出端输入到第三光电探测器37的a输入端，另一部分拍频信号从第六光纤耦合器36的d输出端输入到第三光电探测器37的b输入端；第三光电探测器37将光信号转化为电信号，并将转化的电信号从第三光电探测器37的c输出端输入到第三数据采集卡38的输入端；第三数据采集卡38对输入的信号进行采集，并将采集的信号从第三数据采集卡38的输出端输入到计算机39的c输入端；计算机39对采集的信号进行解调分析，并使用Φ-OTDR技术获取单模光纤周围的振动信息。

本发明的温度、应变、振动一体化光纤传感装置，是通过设计一种并联窄带滤波-级联放大的结构，将中心波长为1550nm的Φ-OTDR技术、中心波长为1450nm和1660nm的R-OTDR技术以及中心波段在1550nm附近的B-OTDR技术结合，从而实现对光纤中温度、应变和振动三参量同时分布式传感检测的装置。通过信号发生器分时强弱电压驱动的方式驱动声光调制器，进而产生高低峰值功率周期性相间的脉冲激光，利用这种时分复用的方式，避免光纤中后向瑞利散射信号、布里渊散射信号与拉曼散射信号间的相互干扰，实现Φ-OTDR技术、B-OTDR技术与R-OTDR技术三者的有效协调运行。并构建结合时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大的结构，避免了传统光放大方式造成的自发噪声积累和非线性损伤等问题，解决了一般分布式双向放大与R-OTDR技术在结构上的冲突，达到了对后向散射光全谱输出的效果，实现了对光纤中光信号的分布式均匀放大，降低了系统噪声系数，弥补了各类复用技术与分光技术对光信号造成的损耗，提升了光纤中光信号的信噪比，进而实现了更长的传感距离和更高的空间分辨率。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，其特征在于：包括脉冲激光产生模块、时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块、并联窄带滤波-级联放大模块、数据采集分析模块，所述脉冲激光产生模块通过1550nm窄线宽激光器（1）采用分时强弱电压驱动方式产生高低峰值功率周期性相间的脉冲探测激光，其中高峰值功率脉冲激光用于在时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块的单模光纤中激发中心波长为1450nm和1660nm的后向拉曼散射信号，低峰值功率脉冲激光用于在时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块的单模光纤中激发中心波长为1550nm的后向瑞利散射信号和波长在1550nm附近的后向布里渊散射信号；

所述并联窄带滤波-级联放大模块用于将返回的后向散射信号分为包含1450nm、1550nm和1660nm不同的波段，并将不同波段的信号分别采集到数据采集分析模块，分别通过Φ-OTDR、B-OTDR与R-OTDR获取外界振动、应变和温度信息。

2.根据权利要求1所述的一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，其特征在于：所述脉冲激光产生模块包括1550nm窄线宽激光器（1），所述1550nm窄线宽激光器（1）发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光输入到第一光纤耦合器（2）的输入端，第一光纤耦合器（2）将1550nm激光分为两部分，一部分激光作为探测光从第一光纤耦合器（2）的b端口输出，另一部分激光作为本地光从第一光纤耦合器（2）的c端口输出；第一光纤耦合器（2）的c输出端连接到第三光纤耦合器（19）的a输入端；

从第一光纤耦合器（2）的b端口输出的探测光输入到声光调制器（3）的a输入端，信号发生器（4）连接声光调制器（3）的c输入端，并通过分时强弱电压驱动的方式驱动声光调制器（3），进而产生高低峰值功率周期性相间的脉冲探测激光；

声光调制器（3）在信号发生器（4）的驱动下将1550nm连续探测光调制成脉冲光，并产生200MHz的频移；调制后的探测脉冲光从声光调制器（3）的b输出端输入到第一掺铒光纤放大器（5）的输入端，第一掺铒光纤放大器（5）对1550nm脉冲激光进行放大，放大后的脉冲激光从第一掺铒光纤放大器（5）的输出端输入到环形器（6）的a输入端。

3.根据权利要求2所述的一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，其特征在于：所述时控二阶分布式随机激光放大和时控一阶分布式拉曼放大模块包括第二光纤耦合器（7）、第一传感光纤（8）、待测光纤（9）、第二传感光纤（10）、波分复用器（11）、1455nm泵浦光源（12）、第一半导体光放大器（13）、第一光隔离器（14）、1366nm泵浦光源（15）、第二半导体光放大器（16）、第二光隔离器（17）、第三光隔离器（18）；

1550nm脉冲激光从环形器（6）的b输出端输入到第二光纤耦合器（7）的b输入端，随后从第二光纤耦合器（7）的c输出端输入到第一传感光纤（8）的输入端；从第一传感光纤（8）的输出端输出的1550nm脉冲激光输入到待测光纤（9）的输入端，在待测光纤（9）上施加温度、应变、振动信号，用于系统检测识别；从待测光纤（9）输出的1550nm脉冲激光输入到第二传感光纤（10）的输入端，其中第一传感光纤（8）、待测光纤（9）和第二传感光纤（10）均为单模光纤；从第二传感光纤（10）输出端输出的1550nm脉冲激光输入到波分复用器（11）的a输入端，并从波分复用器（11）的c输出端输入到第三光隔离器（18）的输入端；

所述1455nm泵浦光源（12）的输出端连接到第一半导体光放大器（13）的输入端，第一半导体光放大器（13）周期性的控制1455nm泵浦光源（12）的通断；所述第一半导体光放大器（13）的输出端连接到第一光隔离器（14）的输入端；所述第一光隔离器（14）的输出端连接到波分复用器（11）的b输入端；

所述1366nm泵浦光源（15）的输出端连接到第二半导体光放大器（16）的输入端，第二半导体光放大器（16）周期性控制1366nm泵浦光源（15）的通断；所述第二半导体光放大器（16）的输出端连接到第二光隔离器（17）的输入端；所述第二光隔离器（17）的输出端连接到第二光纤耦合器（7）的a输入端；所述第二光纤耦合器（7）的b输入端连接到环形器（6）的b输出端。

4.根据权利要求3所述的一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，其特征在于：所述并联窄带滤波-级联放大模块包括第四光纤耦合器（20）、第一光滤波器（21）、第二掺铒光纤放大器（22）、第二光滤波器（23）、第三掺铒光纤放大器（24）、第三光滤波器（25）、第四掺铒光纤放大器（26）、第四光滤波器（27）、第五掺铒光纤放大器（28）；

所述环形器（6）的c输出端连接到第四光纤耦合器（20）的a输入端，所述第四光纤耦合器（20）的b输出端连接到第一光滤波器（21）的输入端，第四光纤耦合器（20）的c输出端连接到第二光滤波器（23）的输入端，第四光纤耦合器（20）的d输出端连接到第三光滤波器（25）的输入端，第四光纤耦合器（20）的e输出端连接到第四光滤波器（27）的输入端；

所述第一光滤波器（21）的输出端连接到第二掺铒光纤放大器（22）的输入端；所述第二掺铒光纤放大器（22）的输出端连接到第五光纤耦合器（32）的a输入端；

所述第二光滤波器（23）的输出端连接到第三掺铒光纤放大器（24）的输入端；所述第三掺铒光纤放大器（24）的输出端连接到第一光电探测器（29）的a输入端；

所述第三光滤波器（25）的输出端连接到第四掺铒光纤放大器（26）的输入端；所述第四掺铒光纤放大器（26）的输出端连接到第一光电探测器（29）的b输入端；

所述第四光滤波器（27）的输出端连接到第五掺铒光纤放大器（28）的输入端；所述第五掺铒光纤放大器（28）的输出端连接到第六光纤耦合器（36）的b输入端。

5.根据权利要求4所述的一种温度、应变、振动一体化的光纤传感装置，其特征在于：所述数据采集分析模块包括第一数据采集卡（30）、第二数据采集卡（35）、第三数据采集卡（38）和计算机（39）；

所述第三光纤耦合器（19）的b输出端连接到第六光纤耦合器（36）的a输入端，第三光纤耦合器（19）的c输出端连接扰偏器（31）的输入端；

所述扰偏器（31）的输出端连接到第五光纤耦合器（32）的b输入端；所述第五光纤耦合器（32）的c输出端连接到第二光电探测器（33）的输入端；所述第二光电探测电器（33）的输出端连接到检波器（34）的输入端；所述检波器（34）的输出端连接到第二数据采集卡（35）的输入端；所述第二数据采集卡（35）的输出端连接到计算机（39）的a输入端；

所述第一光电探测器（29）的c输出端连接到第一数据采集卡（30）的a输入端，第一光电探测器（29）的d输出端连接到第一数据采集卡（30）的b输入端；所述第一数据采集卡（30）的c输出端连接到计算机（39）的b输入端；

所述第六光纤耦合器（36）的c输出端连接到第三光电探测器（37）的a输入端，第六光纤耦合器（36）的d输出端连接到第三光电探测器（37）的b输入端；所述第三光电探测器（37）的c输出端连接到第三数据采集卡（38）的输入端；所述第三数据采集卡（38）的输出端连接到计算机（39）的c输入端。

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