CN203376053U - 基于potdr的新型分布式光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，包括计算机、数据采集卡、光探测器、脉冲光源、传感光纤链路和环形器，脉冲光源的输出端与环形器的输入端相连接，环形器的反馈端与传感光纤链路相连接，环形器的输出端与光探测器的输入端相连接，光探测器的信号输出端与数据采集卡相连接，数据采集卡与计算机相连接，传感光纤链路包括若干个通过光纤连接器依次首尾固定连接的分段光纤，相邻两个分段光纤的端面之间具有空隙，形成菲涅尔反射点。本实用新型可有效提高分布式光纤振动传感系统的信噪比，避免信号光与光源的卷积问题和相干噪声问题。

Description

基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统

技术领域

本实用新型涉及一种分布式光纤振动传感系统，具体是涉及一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统。

背景技术

光纤振动传感器一般使用在周界安防领域，典型应用场所包括：博物馆、体育场馆、国防通讯光缆、通信基站、飞机场、火车站、铁路沿线、油气管道等。经过几十年的发展，基于各种技术所研制的光纤振动传感产品也是层出不穷，基于POTDR传感技术的光纤振动传感系统是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感器，由于其能够检测出微弱的应力变化，具有广泛的应用前景。

目前，现有的基于POTDR传感技术的光纤振动传感系统的信号光来自于前向传播的脉冲光的后向瑞利散射。这样的信号光还存在如下几个问题：1）由于普通单模光纤的后向瑞利散射系数很小，只有约10-7/米，所以产生的信号光很弱，在几到几十纳瓦的数量级。同时，由于信号光的频率很高，在几十到上百兆赫兹，所以光探测器的噪声等价功率也在数十纳瓦。最终导致系统的信噪比很低。2）由于信号光是前向传输的脉冲光与光纤响应函数的卷积，信号光的偏振态与光源的相干性密切相关。当采用宽带光源，即光源的相干长度非常短时，卷积遵循光强叠加；带来的最大问题是偏振度的降低和偏振态的“平均化”。当采用线宽非常窄的光源时，卷积遵循电场叠加。这个过程不会降低偏振度，但是会将偏振问题和相干问题交织在一起，使得从信号中提取光纤的偏振参数变得非常困难。3）在已经报道的基于POTDR传感技术的光纤振动传感系统中，普遍采用线宽在0.2nm左右的非窄线宽、非宽带光源来克服相干引起的噪声问题，但是仍然无法克服偏振度的下降问题和偏振态平均化的问题。4）瑞利散射本身是一个随机过程，存在涨落，由此会引起信号的噪声。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，可有效提高分布式光纤振动传感系统的信噪比，避免信号光与光源的卷积问题和相干噪声问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，包括计算机、数据采集卡、光探测器、用以发出脉冲光的脉冲光源、用以定位入侵事件的传感光纤链路和用以将脉冲光注入所述传感光纤链路，并接收在所述传感光纤链路内反射/散射回来的背向反射/散射光的环形器，所述脉冲光源的输出端与所述环形器的输入端相连接，所述环形器的反馈端与所述传感光纤链路相连接，所述环形器的输出端与所述光探测器的输入端相连接，所述光探测器的信号输出端与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述计算机相连接，所述传感光纤链路包括若干个通过光纤连接器依次首尾固定连接的分段光纤，相邻两个分段光纤的端面之间具有空隙，形成菲涅尔反射点。

作为本实用新型的进一步改进，所述传感光纤链路为单模光纤。

作为本实用新型的进一步改进，相邻两个分段光纤的端面之间的空隙内填充有折射率匹配材料。

作为本实用新型的进一步改进，所述光纤连接器为套管插芯结构，包括陶瓷套管和陶瓷插芯。

作为本实用新型的进一步改进，设有在线检偏器，所述脉冲光源为线偏振光时，所述在线检偏器设于所述环形器和所述光探测器之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述脉冲光源为非线偏振光时，另设有在线起偏器，所述在线起偏器设于所述脉冲光源和所述环形器之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述脉冲光源的输出端通过光纤跳线与所述环形器的输入端相连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述环形器为三端口环形器。

作为本实用新型的进一步改进，所述传感光纤链路铺设成直线形、S型和网状中的一种。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，包括用以将脉冲光注入传感光纤链路,传感光纤链路包括若干个通过光纤连接器依次首尾固定连接的分段光纤，相邻两个分段光纤的端面之间具有空隙，形成菲涅尔反射点。上述结构将传感光纤链路切割成很多段，每相邻两段之间使用光纤连接器重新连接起来，可以形成很多个菲涅尔反射点，通过形成很多个菲涅尔反射点，能够改善基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比，且完全不存在信号的卷积问题和相干噪声问题。较佳的，相邻两个分段光纤的端面之间的空隙内填充有折射率匹配材料。折射率匹配就是折射率可以让光以完全偏振角入射端面，从而有效减少光的反射损失，通过精确调整折射率匹配材料，可以控制每个菲涅尔反射点的反射率，从而使每个菲涅尔反射点的损耗控制在0.1dB以下，比如，如果控制反射率为10^-4，相对于空间分辨率为1m的基于瑞利散射（普通光纤的背向瑞利散射系数为10^-7/米）的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比提高了1000倍，上述结构能够进一步改善基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比，避免信号光与光源的卷积问题和相干噪声问题。

附图说明

图1为本实用新型原理结构示意图；

图2为本实用新型中所述传感光纤链路结构示意图；

图3为本实用新型中所述传感光纤链路的各菲涅尔反射点波形图。

结合附图，作以下说明：

1——脉冲光源               2——环形器

3——传感光纤链路           31——分段光纤

32——空隙                 33——菲涅尔反射点

34——折射率匹配材料       35——光纤连接器

4——在线检偏器            5——光探测器

6——数据采集卡            7——计算机

8——在线起偏器

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明：

如图1所示，一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，包括计算机7、数据采集卡6、光探测器5和用以发出脉冲光的脉冲光源1、用以定位入侵事件的传感光纤链路3、用以将脉冲光注入所述传感光纤链路，并接收在所述传感光纤链路内散射回来的背向散射光的环形器2，所述脉冲光源的输出端与所述环形器的输入端相连接，所述环形器的反馈端与所述传感光纤链路相连接，所述环形器的输出端与所述光探测器的输入端相连接，所述光探测器的信号输出端与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述计算机相连接，所述传感光纤链路包括若干个通过光纤连接器35依次首尾固定连接的分段光纤31，相邻两个分段光纤的端面之间具有空隙32，形成菲涅尔反射点33。上述结构将传感光纤链路切割成很多段，每相邻两段之间使用光纤连接器重新连接起来，可以形成很多个菲涅尔反射点，如图2所示。

反射点的反射率η由公式（1）确定：

$\mathrm{\η}=\frac{{(n1-n2)}^2}{{(n1+n2)}^2}---\left(1\right)$

其中n1为分段光纤的纤芯折射率，n2为菲涅尔反射点处空隙折射率。从上公式可以看出，通过形成很多个菲涅尔反射点，能够改善基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比，且完全不存在信号的卷积问题和相干噪声问题。

优选的，所述传感光纤链路为单模光纤。

优选的，相邻两个分段光纤的端面之间的空隙内填充有折射率匹配材料34。折射率匹配就是折射率可以让光以完全偏振角入射端面，从而有效减少光的反射损失，从公式（1）可以看出，通过精确调整折射率匹配材料，可以控制每个菲涅尔反射点的反射率，从而使每个菲涅尔反射点的损耗控制在0.1dB以下。这样，能够大大改善基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比。比如，如果控制反射率为10^-4，相对于空间分辨率为1m的基于瑞利散射（普通光纤的背向瑞利散射系数为10^-7/米）的POTDR分布式光纤振动传感系统的信噪比提高了1000倍。

优选的，所述光纤连接器为套管插芯结构，包括陶瓷套管和陶瓷插芯。陶瓷插芯是用二氧化锆烧制而成的陶瓷圆柱小管，质地坚硬，色泽洁白细腻，其成品精度达到亚微米级，是光纤通信网络中最常用、数量最多的精密定位件，常常用于光纤连接器的制造、器件的光耦合等。光纤连接器用以固定连接分段光纤，固定接头的方法有熔接法、V型槽法、毛细管法和套管法等多种，除了优选采用套管法的陶瓷插芯和陶瓷套管外，光纤连接器还可以采用毛细管法的细玻璃管。

优选的，设有在线检偏器4，所述脉冲光源为线偏振光时，所述在线检偏器设于所述环形器和所述光探测器之间。

优选的，所述脉冲光源为非线偏振光时，另设有在线起偏器（8），所述在线起偏器设于所述脉冲光源和所述环形器之间。

优选的，所述脉冲光源的输出端通过光纤跳线与所述环形器的输入端相连接。

优选的，所述环形器为三端口环形器。环形器为三端口时，如图1所示，环形器的端口a为输入端，与脉冲光源的输出端相连接；环形器的端口b为反馈端，与传感光纤链路相连接，用以将脉冲光注入传感光纤链路；环形器的端口c为输出端，与光探测器的输入端相连接，用以将传感光纤链路内散射回来的背向散射光输出给光探测器。

优选的，所述传感光纤链路铺设成直线形、S型和网状中的一种。

本实用新型基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的工作原理如下：

脉冲光源产生脉冲光，脉冲光经过环形器进入传感光纤链路，经过传感光纤链路上的菲涅尔反射点的作用产生反射光，反射光经环形器的输出端进入光探测器，通过光探测器转化为电信号后，由数据采集卡采集后进入计算机，经计算机处理绘图后，得到菲涅尔反射光的偏振态的变化情况，如图3所示，显示了各菲涅尔反射点波形图。图中每一个反射峰对应着传感光纤链路中的每一个菲涅尔反射点。当入侵作用在菲涅尔反射点1之前的分段光纤上时，由于此作用将影响所有后续光波的偏振态，因此，所有反射峰都将发生剧烈的变化。而当入侵作用在菲涅尔反射点1之后菲涅尔反射点2之前时，由于此作用不影响菲涅尔反射点1反射的光波的偏振态，影响的是菲涅尔反射点2（包含）之后所有菲涅尔反射点反射的光波的偏振态，因此，除图3中所示的菲涅尔反射点1反射峰不发生变化外，其余菲涅尔反射点的反射峰将发生剧烈变化。以此类推可实现入侵事件的准确定位，进而实现对传感光纤链路区域范围内的振动的全分布式传感。

本实用新型基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的定位精度取决于各个菲涅尔反射点之间设置的距离。由于传感光纤可按照多种方式铺设，例如走直线形铺设、S形铺设、网状铺设等，因此实际事件定位精度也取决于铺设时菲涅尔反射点的布置情况。

本实用新型由于在传感光纤链路上设计了人工菲涅尔反射点，可有效提高基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比，例如当反射点的反射率为10^-4时，相对于空间分辨率为1m的基于瑞利散射（普通光纤的背向瑞利散射系数为10^-7/米）的POTDR系统的信噪比提高了1000倍。这样，一方面，系统的信噪比大大改善；另一方面，完全不存在信号的卷积问题和相干噪声问题。

利用本实用新型方案还可以设计多种具体的实施方案。例如系统所需脉冲光可由多种方式实现，可用连续光加外调制器的方式实现，也可以通过设计内调制光源调制出所需脉冲光。在线检偏器的位置如果光源发射的为线偏光可在如图1所示的位置，也可放在环行器a端口之前或者b端口之后，对实验现象不会造成影响。如果光源发射的为非偏振光，在线起偏器放在环行器a端口之前或者b端口之后，仅仅造成输入功率损失3dB的影响，对实验现象不会造成影响。

以上实施例是参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本实用新型的实质的情况下，都落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：包括计算机（7）、数据采集卡（6）、光探测器（5）、用以发出脉冲光的脉冲光源（1）、用以定位入侵事件的传感光纤链路（3）和用以将脉冲光注入所述传感光纤链路，并接收在所述传感光纤链路内反射/散射回来的背向反射/散射光的环形器（2），所述脉冲光源的输出端与所述环形器的输入端相连接，所述环形器的反馈端与所述传感光纤链路相连接，所述环形器的输出端与所述光探测器的输入端相连接，所述光探测器的信号输出端与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述计算机相连接，所述传感光纤链路包括若干个通过光纤连接器（35）依次首尾固定连接的分段光纤（31），相邻两个分段光纤的端面之间具有空隙（32），形成菲涅尔反射点（33）。

2.根据权利要求1所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述传感光纤链路为单模光纤。

3.根据权利要求2所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：相邻两个分段光纤的端面之间的空隙内填充有折射率匹配材料（34）。

4.根据权利要求1所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述光纤连接器为套管插芯结构，包括陶瓷套管和陶瓷插芯。

5.根据权利要求1所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：设有在线检偏器（4），所述脉冲光源为线偏振光时，所述在线检偏器设于所述环形器和所述光探测器之间。

6.根据权利要求5所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述脉冲光源为非线偏振光时，另设有在线起偏器（8），所述在线起偏器设于所述脉冲光源和所述环形器之间。

7.根据权利要求1所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述脉冲光源的输出端通过光纤跳线与所述环形器的输入端相连接。

8.根据权利要求1所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述环形器为三端口环形器。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述传感光纤链路铺设成直线形、S型和网状中的一种。

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