CN114993449A - 一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统及方法，涉及分布式光纤传感系统技术领域，通过布里渊动态光栅实现分布式振动传感光信号的动态反射增强。系统主要包括：布里渊动态光栅发生模块、脉冲光发生模块和传感信号解调模块；其中布里渊动态光栅发生模块主要作用为通过泵浦光的受激布里渊散射，在传感光纤中产生布里渊动态光栅。脉冲光发生模块的主要作用为向传感光纤发送探测光，传感信号解调模块接收并解调布里渊动态光栅反射回来的传感光，再从该传感光中提取出振动信息；该方法可增强光纤的反射光强，从而提升系统的信噪比，实现系统超高空间分辨率。

Description

一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统及方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感系统技术领域，尤其涉及一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统及方法。
背景技术
光纤传感技术经过数十年的蓬勃发展已成功应用于多个领域，如结构健康监测、油气勘探等领域。按照测量方式的不同，光纤传感系统可分为分布式光纤传感系统和点式光纤传感系统。在分布式光纤传感系统中，光纤不仅作为传感敏感元件，还作为信号的传输介质，当光在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化，通过检测光在光纤中传播时光波参数的变化情况，可以获得外界待测物理量信息。分布式光纤传感系统具有无缝式测量的能力，能够弥补点式传感器的不足，解决工程领域的众多难题。如分布式光纤声波传感器在油气勘探领域可实现单次全井段地震信号的采集，降低了采集成本。
经过多年研究，大量学者针对各种应用环境提出了多种分布式光纤传感系统，如DTS(Distributed Temperature Sensing，分布式光纤测温)系统、DVS(DistributedOptical Fiber Vibration Sensing，分布式光纤振动传感)系统、DAS(Distributed fiberAcoustic Sensing，分布式光纤声波传感)系统等，每个系统都有着自身的特色。但是目前的分布式传感系统中特别是DAS系统中，存在空间分辨率低，信号后向散射强度低，信噪比低等问题，使得分布式光纤传感系统只能在一定环境下使用，降低了系统的普适性。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的分布式光纤传感系统传感信号弱，空间分辨率低、信噪比低等问题，提供一种光纤分布式振动信号的动态增强系统及方法，利用布里渊动态光栅与传统的光纤分布式振动信号结合的方式来实现对振动传感信号的动态增强，能够提高信号反射率，从而增强分布式光纤传感系统的传感信号强度，提高系统的空间分辨率和信噪比。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统，包括：布里渊动态光栅发生模块和光纤分布式振动传感系统；
所述布里渊动态光栅发生模块包括依次连接的泵浦光源、耦合器、调制器、光放大器、起偏器、分束器及传感光纤；
所述泵浦光源发出的光束经由所述耦合器分为两束泵浦光，一束经由所述调制器调制以产生布里渊频差，经过调制的泵浦光经由所述光放大器放大，放大的泵浦光经由所述起偏器产生偏振光，偏振光经由所述分束器从所述传感光纤的一端注入；另一束经由另一组光放大器、起偏器、分束器从所述传感光纤的另一端注入；两束泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊散射，产生布里渊动态光栅；
所述分布式振动传感系统包括脉冲光发生模块和传感信号解调模块；所述脉冲光发生模块发出的探测光从环形器的第一端口输入，第二端口输出后经由起偏器和分束器后注入传感光纤内，得到动态增强的传感光，所述传感光返回环形器，从环形器的第三端口输出并传输至传感信号解调模块，所述传感信号解调模块配置为解调出传感光纤的分布式振动信息。
一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统，包括：布里渊动态光栅发生模块和光纤分布式振动传感系统；
所述布里渊动态光栅发生模块包括依次连接的泵浦光源、光放大器、起偏器、分束器及传感光纤，所述传感光纤的一端设置有反射镜；
所述泵浦光源发出的泵浦光经由光放大器、起偏器和偏振分束器注入所述传感光纤内，经由所述反射镜反射，反射的泵浦光与注入的泵浦光在传感光纤内产生布里渊动态光栅；
所述分布式振动传感系统包括脉冲光发生模块和传感信号解调模块；所述脉冲光发生模块发出的探测光从环形器的第一端口输入，第二端口输出后经由起偏器和偏振分束器后注入传感光纤内，得到动态增强的传感光，传感光返回环形器，从环形器的第三端口输出并传输至传感信号解调模块，所述传感信号解调模块配置为解调出传感光纤的分布式振动信息。
优选的，所述泵浦光源为ASE光源或DFB光源。
优选的，所述布里渊动态光栅发生模块还包括对泵浦光源选频的滤波器，所述滤波器设置在所述泵浦光源和耦合器之间
优选的，所述传感光纤为保偏光纤、单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
优选的，所述脉冲光发生模块和所述环形器之间还设置有用于提高探测光信号的光放大器。
一种光纤分布式振动传感信号的动态增强方法，采用上述任一项光纤分布式振动传感信号的动态增强系统，包括以下步骤：
S1：开启泵浦光源，泵浦光源经调制器发出，经过耦合器，通过单端注入方式或双端注入方式注入到传感光纤内；
S2：当采用双端注入方式注入时，泵浦光在耦合器作用下分成两束，一束为泵浦光1，另一束为泵浦光2；泵浦光2经由调制器调制、光放大器放大、经起偏器、分束器后注入传感光纤的一端；泵浦光1经由另一组光放大器、起偏器和分束器注入传感光纤的另一端，注入传感光纤内的泵浦光1与泵浦光2在光纤内发生受激布里渊散射，产生布里渊动态光栅，产生的布里渊动态光栅作为光纤分布式振动传感系统的传感信号动态增强源；
当采用单端方式注入时，泵浦光1经由光放大器、起偏器和分束器注入到传感光纤内，在传感光纤的另一端经由反射镜的反射作用反射为泵浦光2，泵浦光1和泵浦光2在光纤内传输，产生布里渊动态光栅；
S3：开启光纤分布式振动传感系统，脉冲光发生模块产生的探测光经由环形器和分束器进入传感光纤，后向散射的传感光在布里渊动态光栅处得到增强；
S4：信号得到增强的传感光经返回至环形器，经由环形器进入光纤分布式振动传感系统的传感信号解调模块，解析出传感光纤的分布式振动信息。
所述泵浦光1的频率为ν1，经过调制或经过反射的泵浦光2频率为ν2，泵浦光1与泵浦光2的频差ν1-ν2＝Δν1，布里渊频移为νb；当Δν1＝νb时，所述布里渊动态光栅的强度最大；所述探测光的频率为ν3，双折射频移为ν，探测光与泵浦光1的频差ν3-ν1＝Δν2，当Δν2＝ν时，发生反射的探测光信号强度最大。
优选地，所述传感光纤两端注入的泵浦光均为直流泵浦光，或者所述传感光纤一端注入的泵浦光为直流泵浦光，另一端注入的泵浦光为脉冲泵浦光。
优选地，当在传感光纤内注入脉冲泵浦光时，采用调制器对注入的泵浦光进行调制，从而形成脉冲泵浦光。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过布里渊动态光栅发生模块产生布里渊动态光栅，可以实现厘米量级的信号反射增强区，能够对光纤传感信号进行动态增强，实现超高空间分辨率传感；通过传感信号解调模块解调光纤传感信号的各特征参量，能够根据各特征参量的变化情况感知周围环境变化情况。
通过调整布里渊动态光栅发生模块的参数调整布里渊动态光栅的反射率、反射长度等参数，能够实现不同应用场景下信号增强幅度的灵活调整，如极端环境下光纤损耗增大，可增强布里渊动态光栅的反射率，保证传感信号的信噪比和系统传感精度，扩大传感信号检测范围。
通过控制泵浦光源的开关可以灵活产生布里渊动态光栅，能够实现对传感信号的动态增强。更重要的是，可以实现只在局部存在布里渊动态光栅，传感信号只在布里渊动态光栅处得到增强，避免了传感光纤其它区域处传感信号的干扰，最终提高传感信号强度和反射率。
附图说明
图1是本发明示例性实施例的光纤分布式振动传感信号的动态增强系统示意图。
图2是图1所示的布里渊动态光栅发生模块示意图。
图3是本发明示例性实施例的分布式振动信号动态增强示意图。
图4是本发明另一示例性实施例的分布式振动信号动态增强示意图。
图5是本发明又一示例性实施例的分布式振动信号动态增强示意图。
图6是本发明示例性实施例的分布式振动信号动态增强流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明示例性实施例的光纤分布式振动传感信号的动态增强系统包括布里渊动态光栅发生模块和光纤分布式振动传感系统，布里渊动态光栅发生模块产生布里渊动态光栅，光纤分布式振动传感系统的脉冲光发生模块产生探测光，探测光信号在布里渊动态光栅处得到增强，传感信号解调模块对返回的传感信号进行解调，解析出传感光纤的分布式振动信息。
参考图2，布里渊动态光栅发生模块主要包括：泵浦光源、耦合器(光纤耦合器)、调制器(微波信号调制器)、EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器)、起偏器(偏振控制器)、分束器(偏振分束器)和传感光纤。
泵浦光源可以是ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射)光源，也可以是DFB(Distributed Feedback，分布反馈)光源；DFB光源具有稳定性好、信噪比好、线宽窄(不大于1MHz)、相干性好的特点，DFB光源产生的激光可以很好地注入到光纤内，提高光纤通信效率；ASE光源具有波长稳定性好，输出功率高的特点，当泵浦光源为ASE光源时，可以在泵浦光源的出口端设置滤波器对ASE光源进行滤波，使ASE光源的频率符合系统要求。
泵浦光源发出的光束通过耦合器的输入端口耦合入光纤内，在耦合器的作用下分为两束光，一束为泵浦光1，另一束为泵浦光2；泵浦光1经由耦合器的第一输出端口输出，从EDFA的输入端口传输到EDFA内，在EDFA的作用下进行功率放大，增强了泵浦光1的光信号；光信号增强的泵浦光1从EDFA的输出端口输出，从起偏器的输入端口传输到起偏器内，起偏器可以改变泵浦光1的偏振态；起偏后的泵浦光1从起偏器的输出端口输出，经分束器从光纤的一侧输入至传感光纤内。
泵浦光2经由耦合器的第二输出端口输出，从调制器的输入端口传输到调制器内，调制器可以调整泵浦光2的频率参数，使泵浦光2的频率符合系统要求，经过调制的泵浦光2从调制器的输出端口输出，依次经由另一组EDFA、起偏器和分束器到达光纤的另一侧，在光纤内传输；经过调制的泵浦光2与泵浦光1的频差在布里渊频移νb附近，泵浦光1与泵浦光2相遇时发生受激布里渊散射，从而产生布里渊动态光栅，以增强传感光纤中的传感信号。
在产生布里渊动态光栅的过程中，可以通过控制泵浦光源的开关来灵活调整布里渊动态光栅，从而实现光纤传感信号的动态增强过程，泵浦光源开启时，产生布里渊动态光栅，泵浦光源关闭时，布里渊动态光栅消失，传感信号只在产生布里渊动态光栅处得到增强，提高了传感信号的强度和信噪比，提高了检测的准确性和检测范围；还可以通过调节布里渊动态光栅发生模块中各光学元件的参数来调节布里渊动态光栅的反射率、反射长度等参数，产生更好的传感信号增强效果。传感光纤可以是保偏光纤、单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤，泵浦光1和泵浦光2在这些光纤内均可产生布里渊动态光栅，布里渊动态光栅在不同的光纤内均可对光纤传感信号产生增强效果。
如图3-图5所示，光纤分布式振动传感系统的脉冲光发生模块产生探测光，探测光从环形器的第一端口输入环形器中，环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，探测光在环形器中沿单方向环形，可以避免不同频率光波的干扰，增强探测光检测的准确性，从而增强传感信号的信噪比；探测光从环形器的第二端口输出，经起偏器后从分束器的输入端口传输到分束器中，探测光从分束器的输出口输出，从传感光纤的一端注入，并在传感光纤内发生反射，后向反射的传感光再次经由分束器从环形器的第二端口输入，从环形器的第三端口输出并传输至传感信号解调模块，传感信号解调模块对返回的传感光进行解调，从而解析出传感光纤的振动信息。在传感信号的探测过程中，还可以在脉冲光发生模块和环形器之间增加光放大器，在光放大器的作用下可以提高探测光功率，进而提高探测光信号，提高传感信号探测的准确性。
泵浦光可以通过单端注入或双端注入的方式注入传感光纤内，图3、图4均为双端注入方式，在传感光纤的两端均注入了泵浦光，传感光纤两端注入的泵浦光在传感光纤内产生布里渊动态光栅；传感光纤两端注入的泵浦光可以是同一类型的泵浦光，也可以是不同类型的泵浦光，参考图3，传感光纤两端注入的泵浦光均为直流泵浦光；参考图4，传感光纤的一端注入的是直接通过泵浦光源产生的直流泵浦光1，另一端注入的是经过调制器调制形成的脉冲泵浦光2。
图5为单端注入方式，泵浦光源产生的直流泵浦光1直接经由EDFA、起偏器、偏振分束器到达传感光纤的一端，传感光纤的另一端设置有反射镜，直流泵浦光1经过反射镜的反射作用产生直流泵浦光2，直流泵浦光2与直流泵浦光1在光纤内发生受激布里渊散射，产生布里渊动态光栅，实现对传感信号的增强作用。
本发明提供了一种光纤分布式振动传感信号的动态增强方法，包括以下步骤：
S1：开启泵浦光源，将泵浦光注入到传感光纤内；泵浦光经激光器发出，经由耦合器，通过单端注入或双端注入的方式注入到传感光纤内。
S2：当采用双端注入方式注入时，泵浦光在耦合器的作用下分成两束，一束为泵浦光1，另一束为泵浦光2；泵浦光2经由调制器调制，使泵浦光2的频率符合系统要求，经过调制的泵浦光2再经由光放大器(例如EDFA)放大，以增强泵浦光2的光信号，信号增强的泵浦光2再经由起偏器调整泵浦光2的偏振态，经由分束器从传感光纤的一端注入；泵浦光1经由另一组光放大器、起偏器和分束器从传感光纤的另一端注入。
传感光纤两端注入的泵浦光为脉冲泵浦光或直流泵浦光，在传感光纤两端注入泵浦光时，可以在传感光纤两端均注入脉冲泵浦光或均注入直流泵浦光，也可以在传感光纤的一端注入脉冲泵浦光，另一端注入直流泵浦光；当在传感光纤的一端注入脉冲泵浦光时，泵浦光2经过调制器调制，形成脉冲泵浦光，再经由光放大器、起偏器和分束器注入到传感光纤内。
当采用单端注入方式注入传感光纤时，泵浦光1经由光放大器、起偏器和分束器注入到传感光纤内，在传感光纤的另一端经由反射镜的反射作用反射为泵浦光2，泵浦光1和泵浦光2在传感光纤内传输。
泵浦光1的频率为ν1，经过调制或经过反射的泵浦光2频率为ν2，泵浦光1与泵浦光2的频差ν1-ν2＝Δν1，布里渊频移为νb，泵浦光1与泵浦光2在传感光纤内发生受激布里渊散射，产生布里渊动态光栅，产生的布里渊动态光栅作为光纤分布式振动传感系统的信号动态增强源；当Δν1＝νb时，布里渊动态光栅的强度最大，光纤传感信号最强。
S3：开启光纤分布式振动传感系统，对传感光纤内的传感信号进行探测，脉冲光发生模块产生的探测光经由环形器、起偏器和分束器进入传感光纤，后向散射的传感光在布里渊动态光栅处得到增强；探测光的频率为ν3，双折射频移为ν，探测光与泵浦光1的频差ν3-ν1＝Δν2，当Δν2＝ν时，传感光信号强度达到最大。
S4：信号得到增强的传感光经由偏振分束器、起偏器返回至环形器，经由环形器进入光纤分布式振动传感系统的传感信号解调模块，对光纤传感信号进行解调，从而解析出传感光纤的分布式振动信息。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统，其特征在于，所述光纤分布式振动传感信号的动态增强系统包括：布里渊动态光栅发生模块和光纤分布式振动传感系统；
所述布里渊动态光栅发生模块包括依次连接的泵浦光源、耦合器、调制器、光放大器、起偏器、分束器及传感光纤；
所述泵浦光源发出的光束经由所述耦合器分为两束泵浦光，一束经由所述调制器调制以产生布里渊频差，经过调制的泵浦光经由所述光放大器放大，放大的泵浦光经由所述起偏器产生偏振光，偏振光经由所述分束器从所述传感光纤的一端注入；另一束经由另一组光放大器、起偏器、分束器从所述传感光纤的另一端注入；两束泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊散射，产生布里渊动态光栅；
所述分布式振动传感系统包括脉冲光发生模块和传感信号解调模块；所述脉冲光发生模块发出的探测光从环形器的第一端口输入，第二端口输出后经由起偏器和分束器后注入传感光纤内，得到动态增强的传感光，所述传感光返回环形器，从环形器的第三端口输出并传输至传感信号解调模块，所述传感信号解调模块配置为解调出传感光纤的分布式振动信息。
2.一种光纤分布式振动传感信号的动态增强系统，其特征在于，所述光纤分布式振动传感信号的动态增强系统包括：布里渊动态光栅发生模块和光纤分布式振动传感系统；
所述布里渊动态光栅发生模块包括依次连接的泵浦光源、光放大器、起偏器、分束器及传感光纤，所述传感光纤的一端设置有反射镜；
所述泵浦光源发出的泵浦光经由光放大器、起偏器和偏振分束器注入所述传感光纤内，经由所述反射镜反射，反射的泵浦光与注入的泵浦光在传感光纤内产生布里渊动态光栅；
所述分布式振动传感系统包括脉冲光发生模块和传感信号解调模块；所述脉冲光发生模块发出的探测光从环形器的第一端口输入，第二端口输出后经由起偏器和偏振分束器后注入传感光纤内，得到动态增强的传感光，传感光返回环形器，从环形器的第三端口输出并传输至传感信号解调模块，所述传感信号解调模块配置为解调出传感光纤的分布式振动信息。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述泵浦光源为ASE光源或DFB光源。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述布里渊动态光栅发生模块还包括对泵浦光源选频的滤波器，所述滤波器设置在所述泵浦光源和耦合器之间。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述传感光纤为保偏光纤、单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述脉冲光发生模块和所述环形器之间还设置有用于提高探测光信号的光放大器。
7.一种光纤分布式振动传感信号的动态增强方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的光纤分布式振动传感信号的动态增强系统，所述方法包括以下步骤：
S1：开启泵浦光源，泵浦光源经调制器发出，经过耦合器，通过单端注入方式或双端注入方式注入到传感光纤内；
S2：当采用双端注入方式注入时，泵浦光在耦合器作用下分成两束，一束为泵浦光1，另一束为泵浦光2；泵浦光2经由调制器调制、光放大器放大、经起偏器、分束器后注入传感光纤的一端；泵浦光1经由另一组光放大器、起偏器和分束器注入传感光纤的另一端，注入传感光纤内的泵浦光1与泵浦光2在光纤内发生受激布里渊散射，产生布里渊动态光栅，产生的布里渊动态光栅作为光纤分布式振动传感系统的传感信号动态增强源；
当采用单端方式注入时，泵浦光1经由光放大器、起偏器和分束器注入到传感光纤内，在传感光纤的另一端经由反射镜的反射作用反射为泵浦光2，泵浦光1和泵浦光2在光纤内传输，产生布里渊动态光栅；
S3：开启光纤分布式振动传感系统，脉冲光发生模块产生的探测光经由环形器和分束器进入传感光纤，后向散射的传感光在布里渊动态光栅处得到增强；
S4：信号得到增强的传感光经返回至环形器，经由环形器进入光纤分布式振动传感系统的传感信号解调模块，解析出传感光纤的分布式振动信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述泵浦光1的频率为ν1，经过调制或经过反射的泵浦光2频率为ν2，泵浦光1与泵浦光2的频差ν1-ν2＝Δν1，布里渊频移为νb；当Δν1＝νb时，所述布里渊动态光栅的强度最大；所述探测光的频率为ν3，双折射频移为ν，探测光与泵浦光1的频差ν3-ν1＝Δν2，当Δν2＝ν时，发生反射的探测光信号强度最大。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述传感光纤两端注入的泵浦光均为直流泵浦光，或者所述传感光纤一端注入的泵浦光为直流泵浦光，另一端注入的泵浦光为脉冲泵浦光。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当在传感光纤内注入脉冲泵浦光时，采用调制器对注入的泵浦光进行调制，从而形成脉冲泵浦光。
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