[發(fā)明專利]基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置及方法

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• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104596633A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發(fā)明（設計）人: 劉德明;孫琪真;李曉磊;方驄;張小龍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01D5/26
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

1.基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置，其特征在于：包括依次相連的控制與處理裝置、寬帶激光器(1)、第一光纖耦合器(2)、并聯(lián)的第一光纖臂(3)和第二光纖臂(4)、第二光纖耦合器(6)、傳感鏈路(7)和法拉第旋光鏡(8)，控制與處理裝置與第一光纖耦合器(2)之間還接有光電檢測裝置(20)。

2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于：第一光纖臂(3)上設有延時線圈(5)。

3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于：傳感鏈路(7)包括單模光纖(11)，單模光纖(11)串接有多個雙向光放大器(12)。

4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于：雙向光放大器(12)包括串接在單模光纖(11)上的第三光纖耦合器(14)和摻鉺光纖(15)，第三光纖耦合器(14)還接有泵浦激光器(13)。

5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于：控制與處理裝置包括處理器(24)，寬帶激光器(1)包括寬帶光源(17)，寬帶光源(17)與第一光纖耦合器(2)相連，寬帶光源(17)還接有壓控恒流源電路(18)，壓控恒流源電路(18)依次通過電流采樣電路(19)、模數(shù)轉換器(23)與處理器(24)相連，處理器(24)與壓控恒流源電路(18)之間還接有第一數(shù)模轉換器(26)，處理器(24)與寬帶光源(17)之間還接有熱電冷卻驅動電路(25)。

6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于：光電檢測裝置(20)依次通過跨阻抗放大器(21)、可編程儀表放大器(22)與模數(shù)轉換器(23)相連，可編程儀表放大器(22)與處理器(24)之間還接有第二數(shù)模轉換器(27)。

7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于：光電檢測裝置(20)包括第一光電探測器(9)和第二光電探測器(10)，它們均與第一光纖耦合器(2)相連。

8.基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感方法，其特征在于包括：將傳感鏈路(7)沿監(jiān)測區(qū)域周界鋪設，由處理器(24)控制壓控恒流源電路(18)的輸入電壓，驅動寬帶光源(17)發(fā)出光信號，光信號傳送至第一光纖耦合器(2)一個進口端，通過第一光纖耦合器(2)后被分為兩路光進入第一光纖臂(3)和第二光纖臂(4)，其中在第一光纖臂(3)中加入了一段單模光纖作為延時線圈(5)形成非對稱結構，兩路光通過第二光纖耦合器(6)進入傳感鏈路(7)進行傳感和放大，到達法拉第旋光鏡(8)時原路返回，再次進入超長距離傳感鏈路(7)進行反向放大，再由第二光纖耦合器(6)分光至第二光纖臂(4)、第一光纖臂(3)，在第一光纖耦合器(2)處匯合形成干涉，由第一光電探測器(9)、第二光電探測器(10)對干涉光信號進行接收，處理器(24)進行處理。

9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于：

電流采樣電路(19)還對壓控恒流源電路(18)輸出的電流進行采樣，并將結果通過模數(shù)轉換器(23)輸出給處理器(24)，同時處理器(24)通過第一數(shù)模轉換器(26)調整壓控恒流源電路(18)的輸入電壓值，以設定驅動電流大小，熱電冷卻驅動電路(25)讀取寬帶光源(17)的工作溫度反饋給處理器(24)，處理器(24)同時控制熱電冷卻驅動電路(25)以恒定寬帶光源(17)的工作溫度；

當?shù)诙饫w耦合器(6)輸出的光信號進入傳感鏈路(7)中的第三光纖耦合器(14)時，由泵浦激光器(13)發(fā)出的泵浦光耦合進去對光信號進行正向放大，并通過摻鉺光纖(15)進行增益；當由法拉第旋光鏡(8)原路返回的光信號通過摻鉺光纖(15)進入第三光纖耦合器(14)時，由泵浦激光器(13)發(fā)出的泵浦光耦合進去對光信號進行反向放大；

當光電檢測裝置(21)中的第一光電探測器(9)和第二光電探測器(10)接收傳感鏈路(7)傳回來的信號光，產(chǎn)生的光電流通過跨阻抗放大器(21)轉化為電壓值，由可編程儀表放大器(22)對信號進行第二級放大，再通過模數(shù)轉換器(23)將信號傳給處理器(24)進行分析處理計算，同時處理器(24)通過第二數(shù)模轉換器(27)對可編程儀表放大器(22)的增益系數(shù)進行設定，調整電壓放大倍數(shù)。

10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，處理器(24)進行處理的方法包括：

S1)沿振動源布置好光纖鏈路(7)，振動源對單模光纖(11)施加擾動；

S2)處理器(24)以最大采樣頻率多次采樣并保存振動源傳感數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解調運算得到每次采樣信號中的相位信息；再對振動源傳感數(shù)據(jù)逐倍降頻采樣，在每個采樣頻率下同樣獲得多個采樣信號相位信息；

S3)將所有的采樣信號相位信息保存，獲得多個訓練樣本；

S4)對所有的訓練樣本進行快速傅里葉變換運算得到一次快速傅里葉變換頻率響應曲線，再次進行快速傅里葉變換，得到一次快速傅里葉變換頻率響應曲線的頻率響應曲線，稱為二次快速傅里葉變換頻率響應曲線，尋找二次快速傅里葉變換頻率響應曲線響應峰的頻率值f，不同距離的振動源會導致不同的f值；

S5)計算所有訓練樣本二次快速傅里葉變換頻率響應曲線的峰均比，即該曲線峰值和其有效值之比，進行判定篩選，如果峰均比高于閾值，則保留該樣本曲線，否則去除該樣本曲線；

S6)根據(jù)步驟S5得到經(jīng)篩選后的樣本曲線的響應峰頻率值計算訓練振動源的距離數(shù)組，計算公式：L＝c/2nf，其中L為振動源距離，n為光纖折射率，c為光速；然后按照距離大小進行排序，取中間值為該訓練振動源的估計距離；

S7)根據(jù)步驟S6得到的估計距離，根據(jù)估計距離段-降采樣頻率倍數(shù)的正比例關系選取相應的降采樣頻率倍數(shù)，確定采樣頻率后進行多次采集分析，獲得多個采樣樣本，按步驟S4的方法計算每個采樣樣本的響應峰頻率值f'；

S8)根據(jù)L'＝c/2nf'計算距離值L'，按距離大小排序，取中間值和相鄰點作為候選點，計算并比較峰均比，峰均比最大的距離值視為最終振動距離。