[發明專利]一種光纖分布式擾動傳感器

無效

• 申請號: 201110300798.8
• 申請日: 2011-09-29
• 公開（公告）號: CN102506912A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 李立京;楊士寧;李勤;李慧;楊德偉;許文淵;張晞;陸文超
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11369
• 代理人: 史霞

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，特別是涉及一種適用于長距離應用的光纖分布式擾動傳感器。

背景技術

光纖傳感器由于其抗電磁干擾、體積小、重量輕、敏感度高、易于組網、特別是可以實現分布式測量等優良特性，在工業、民用和軍事領域具有廣泛的應用。其中，光纖分布式擾動傳感器在周界報警、輸油管道監測和其它結構監測領域也具有重要意義。

光纖分布式擾動傳感器是利用光纖作為傳感介質的一種光纖分布式傳感系統，其中光纖既作為傳感介質，又作為光傳輸介質。光纖分布式擾動傳感器可以在傳感光纖布設長度內，對一定準確度范圍內的突發事件進行遠程和實時的監測。因此，光纖分布式擾動傳感器擁有巨大的軍事和民用價值，是現代安全保護系統的一個發展方向。它可以應用于軍事基地、導彈基地、航天基地、武器彈藥庫、邊界線、石油和天然氣管道、監獄、機場、倉庫以及通信線路等重要目標的安全保護工作。

目前，有多種技術可應用于光纖分布式擾動傳感器，主要可以分為四種：(1)利用后向散射光的光時域反射定位技術(Optical?Time?Domain?Reflectometry，OTDR)；(2)利用前向傳輸光在多模光纖的傳播模式受到擾動時會產生耦合；(3)利用光纖布拉格光柵(Fiber?Bragg?Gating，FBG)的反射波長移動的監測外界參量的變化來實現擾動傳感；(4)利用薩格納克(Sagnac)、邁克爾遜(Michelson)、馬赫-澤德(Mach-Zehnder，M-Z)等干涉儀原理實現擾動傳感定位。

目前傳統的OTDR方案主要應用于光纖損傷、溫度變化、應力應變檢測，但對于動態的擾動不太敏感，不適合對微擾動傳感。相位敏感型光時域反射計(Φ-OTDR)光纖分布式擾動傳感器原理如圖1所示，采用窄線寬、高功率、低頻率漂移的光纖激光器，探測脈沖寬度范圍內后向散射光干涉的信號。當外界擾動2作用于傳感光纖1時，傳輸光的相位信息發生變化，從而后向散射光的光強度發生變化，形成如圖所示的有擾動曲線3和無擾動曲線4，可應用于分布式擾動傳感。

參照圖1，光源輸出的連續光經調制器后轉化成脈沖光，光脈沖經過一個定向耦合器，通過耦合器的脈沖光從光纖的一端注入，定向耦合器的另一端用光探測器探測后向瑞利散射光，探測到的后向散射光經光電轉換后進行數據處理。該傳感系統的輸出就是脈沖寬度區域內反射回來的瑞利散射光相干干涉的結果。Φ-OTDR系統可以通過測量輸入脈沖與接收到的脈沖信號之間的時間延遲得到擾動的位置。當光纖線路上的某個位置由于入侵而發生擾動時，光纖相應位置的折射率將發生變化，這將導致該處光相位發生變化，由于干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強發生變化，所以這些光強變化的時間將會對應于入侵發生的位置。

單模光纖中后向瑞利散射光功率與入射光功率之間的關系可用公式(1)描述：

Pbs(z)=PinS(ugW2)aRexp(-2az)---(1)]]>

其中S為瑞利散射捕獲因子；u_g光脈沖在光纖中傳播的群速度；W為光脈沖寬度；a_R為瑞利散射系數；a光纖中衰減系數。

Φ-OTDR系統輸出就是脈沖寬度區域內反射回來的瑞利散射光相干干涉的結果，將光纖中脈沖范圍內后向瑞利散射的干涉近似為光纖中的Fabry-Perot干涉儀，在這種條件下，相干后向散射光功率為