CN217083950U

CN217083950U - 一种基于das系统的全空间分布式测量装置

Info

Publication number: CN217083950U
Application number: CN202220689652.0U
Authority: CN
Inventors: 司召鹏; 毛邦宁; 龚华平; 徐贲; 李裔; 赵春柳
Original assignee: China University of Metrology
Current assignee: China University of Metrology
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2032-03-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置，包括一台窄线宽激光器、一个90:10的分光计、一个声光调制器、一个光放大器、一个环形器、一个波形发生器、一个1:1光耦合器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个PC机、一个1×N路光开关、N路数公里长的振动传感光纤；光开关的N个输出端分别连接N路不同方向的振动传感光纤，不同方向铺设的传感光纤构成了全尺度360度方向的覆盖，当在N路传感光纤覆盖范围内有振动信号产生时，传感光纤会快速感知该信号，并将振动信号输送到信号解调装置之中。本实用新型具有探测范围广、探测距离长等优点。

Description

一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置。

背景技术

随着物联网时代的快速发展，信息感知的重要性越来越多的体现在社会生产的各个方面，分布式光纤传感技术是现代众多传感技术中发展最迅速的分支之一，分布式光纤传感技术以光作为信息的载体，光纤作为传输的媒介，通过解析传感光纤中的光信号来获取其中蕴藏的有用信息。分布式光纤传感器凭借自身抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、响应速度快、成本低等优点迅速成为人们研究的热潮。

振动是信息的载体之一，人们可以通过分析振动信号来获取很多有用信息，相位敏感光时域反射计是分布式光纤振动传感技术的一种。对比于其他分布式光纤传感技术，它能够在长距离范围内对微弱信号进行分布式多点测量，使用高相干性的窄线宽光源，调制产生短脉宽脉冲波，可以进一步提高该探测系统的空间分辨率，基于该系统的精度高、可靠性高等优点使得它在工程领域有着广泛的应用。随着探测性能与精度的要求逐渐提高，分布式光纤振动传感系统也由直接探测系统过渡到分布式外差相干探测系统(DAS)系统。

DAS技术利用相干瑞利后向散射技术在普通单模传感光纤中，可实现连续对远距离外部振动、声音、温度变化的探测，该技术具有较强的环境适用性，抗电磁干扰、耐化学腐蚀、隐蔽性好，研究分布式光纤振动传感的DAS技术对人们的社会生活及工程应用具有极大的科学与现实意义。DAS技术虽然可以实现长距离、高灵敏度的振动传感，但是该系统的光纤线路铺设一般为单方向，检测的范围大小具有一定的缺陷，单方向的振动传感对于实际的工程应用也有一定的弊端，同时DAS系统传感距离也会受到窄线宽激光功率、传播损耗、信号振动频率范围的制约，提升DAS的振动传感距离也是人们研究的重点。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对传统的DAS装置探测方向单一、探测距离受限等问题，本实用新型提出了一种探测方向全空间、探测距离加倍的一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置，其特征在于包括一个光脉冲产生装置、一个信号解调装置、一个1×N路光开关、N路数公里长的振动传感光纤。

所述的光脉冲产生装置包含一台窄线宽激光器、一个90:10的分光计、一个声光调制器、一个光放大器、一个环形器、一个波形发生器；所述的信号解调装置包含一个1:1光耦合器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个PC机；所述的光脉冲产生装置中的窄线宽激光器经单模光纤连接到90:10的分光计之中；所述的分光计90％的光经声光调制器连接到光放大器之中，分光比为10％的通道连接到信号解调装置中的1:1耦合器之中；所述的光放大器经过单模光纤与环形器的第一端口相连；所述的环形器的第二端口与光开关的光输入端口相连，第三端口与信号解调装置中的1:1耦合器的输入端口相连；所述的信号解调装置中的1:1光耦合器的输出端口经过一个平衡探测器连接到数据采集卡；所述的数据采集卡连接到PC机上；所述的光开关为1×N路型光开关，相邻通道切换时间≤10ms；所述的N路数公里长的振动传感光纤分别连接于光开关的N个输出通道，且方向分别指向东西南北等各个方向，形成圆形覆盖传感。

本实用新型的有益效果为：探测范围广、探测距离长等优点。

附图说明

图1为一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置。包括一个光脉冲产生装置1、一个信号解调装置2、光开关8、振动传感光纤9，其中光脉冲产生装置1包括窄线宽激光器3、90:10分光计4、声光调制器5、光放大器6、环形器7、波形发生器10，信号解调装置2包括1:1耦合器11、平衡探测器12、数据采集卡13、PC机14。光脉冲产生装置1中的窄线宽激光器3的输出端与90:10分光计4的输入端相连，分光计4的90％的光输出到声光调制器5中，10％的光输出端与1:1耦合器11的输入端相连，声光调制器5的输出端经过一个光放大器6与环形器7的第一端口相连，环形器7的第二端口与光开关8的光输入端口相连，环形器7的第三端口与信号解调装置中1:1耦合器11的输入端口相连，1:1耦合器11的输入端分别接收来自分光计4中分光比占10％的窄线宽激光束和环形器7反射回来的光束，在1:1耦合器11中两信号进行差频，产生的差频信号由信号解调装置2进行信号处理。

本实用新型的系统工作方式为：光脉冲产生装置1中的窄线宽激光器3发出的光束进入分光计4，分光计4的分光比为90:10,90％的光源进入声光调制器5,10％的光源进入1:1耦合器11，进入声光调制器5的光束，被调制成脉冲信号并产生一个频移，产生的脉冲信号经过光放大器6时脉冲信号被放大，放大后的信号通过环形器7进入到光开关8中。光开关8的N个输出端口分别连接N路东南西北等各个方向的振动传感光纤9，不同方向铺设的传感光纤构成了全空间360度方向的覆盖范围，且光纤的传感距离因其传感方向不同增加了一倍，当在此不同方向传感光纤9覆盖范围内有振动信号发生时，不同方向的若干公里的传感光纤9会很好的感知到振动信号并将检测到的振动信息经过光开关8返回到环形器7中，然后与来自分光计4中的信号在耦合器11中形成差频信号，最后差频信号由信号解调装置2进行解调，得到振动信号的频率、幅度等信息，其中平衡探测器12输出的与振动相关的电流A(t)为：A(t)∝c|r₀+Δr(t)|E_SE_Lcos(2πΔft+Δφ(t))，其中，c是平衡探测器的响应系数，r₀为未扰动情况下光纤的瑞利散射系数，Δr(t)为振动所造成的光纤瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤传输光的相位变化，E_S为注入脉冲光场的振幅，E_L为本地光场的振幅，Δf为外差频率差。该装置采用光开关8的N路通道从而实现了DAS系统的全空间分布式测量。

该装置能够实现一种基于DAS系统的全空间分布式测量的关键技术有：

1、窄线宽激光器：对于分布式光纤振动传感系统，窄线宽激光器的使用将增强脉冲内各散射分量之间的相干效应，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，线宽＜10kHz，其相干长度可达100百公里以上。

2、信号解调装置：解调的准确度也影响着该装置的探测性能，信号解调装置中的平衡探测器就可以对信号进行滤波处理，提升系统信号的信噪比，同时采集卡的采样性能也同样对振动信号的提取有一定的影响。

3、光开关：光开关是该装置实现全空间分布式测量的关键，光开关的输出端连接N路振动传感光纤，N路传感光纤可对不同方向的振动信号进行感知，且传输回来的振动信号在光开关之中没有相互的干扰。

本实用新型的一个具体实施例中，采用常规单模光纤(G.625)，窄线宽激光器的激光线宽为3kHz，峰值功率为14dBm，分光计的分光比为90:10，耦合器的耦合比为1:1，声光调制器的移频为80MHz，光放大器驱动电流设定为80mA，波形发生器给予声光调制器驱动频率2KHz，脉冲波宽度为100ns，光开关为1×8路，相邻通道切换时间≤10ms，该光开关具有高回波损耗＞50dB、高串扰＞70dB、高重复性≤0.02dB，平衡探测器带宽100M，8路振动传感光纤分别铺设于东西南北等各个方向上，振动传感光纤长度为20公里，在该8路传感光纤上施加20Hz-5KHz的正弦波振动信号，均可有效的对信号进行解调。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims

1.一种基于DAS系统的全空间分布式测量装置，其特征在于包括一个光脉冲产生装置、一个信号解调装置、一个1×N路光开关、N路数公里长的振动传感光纤；所述的光脉冲产生装置包含一台窄线宽激光器、一个90:10的分光计、一个声光调制器、一个光放大器、一个环形器、一个波形发生器；所述的信号解调装置包含一个1:1光耦合器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个PC机；所述的光脉冲产生装置中的窄线宽激光器经单模光纤连接到90:10的分光计之中；所述的分光计90％的光经声光调制器连接到光放大器之中，分光比为10％的通道连接到信号解调装置中的1:1耦合器之中；所述的光放大器经过单模光纤与环形器的第一端口相连；所述的环形器的第二端口与光开关的光输入端口相连，第三端口与信号解调装置中的1:1耦合器的输入端口相连；所述的信号解调装置中的1:1光耦合器的输出端口经过一个平衡探测器连接到数据采集卡；所述的数据采集卡连接到PC机上；所述的光开关为1×N路型光开关，相邻通道切换时间≤10ms；所述的N路数公里长的振动传感光纤分别连接于光开关的N个输出通道，且方向分别指向东西南北各个方向，形成圆形覆盖传感。