[發明專利]高靈敏度雙光纖光纜傳感器

有效

• 申請號: 201510273837.8
• 申請日: 2015-05-26
• 公開（公告）號: CN105091919B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 蔡海文;盧斌;方祖捷;王照勇;潘政清;葉青;趙浩;肖愷
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所;上海紫珊光電技術有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純,張寧展

技術領域

本發明涉及數字增強干涉光纖傳感技術，特別是一種高靈敏度雙光纖光纜傳感器。

背景技術

光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現對被測信號的遠距離監控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與光纖系統連接等優勢。近年來，被廣泛應用于天然氣、石油管道安全監測，橋梁裂紋監測，氣體濃度探測、邊界安防等領域。但是，在一些要求高靈敏度探測能力的場合，例如聲音探測、微弱振動的探測等，光纖傳感器的靈敏度和信噪比一直是其制約因素。因此，提高光纖傳感系統的靈敏度和信噪比是當務之急。

自從1993年H.F.Taylor提出相位敏感光時域反射計(Phase sensitive optical time domain reflectometry,以下簡稱Phase-OTDR)以來，大大提高了光纖傳感的靈敏度，具體參見【H.F.Taylor and E.E.Lee.Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing.U.S.Patent 5,1993:194847】。

Robert M.Payton等提出在Phase-OTDR中應用偽隨機序列對連續探測光進行相位調制，并在接收端進行相關運算，解調出相位信息，提高了系統的靈敏度和信噪比【Robert M.Payton.Natural fiber span reflectometer providing a spread virtual sensing array capability.U.S.Patent,US7268863】。

D.A.Shaddock等提出的數字增強干涉技術的概念，利用偽隨機碼的相關特性，能夠有效的抑制雜散噪聲，具體參見【Daniel A.Shaddock,Digitally enhanced heterodyne interferometry.Optics letters 2007,32(22),3355-3357.】

但是，Phase-OTDR系統中利用的是瑞利散射光進行傳感，瑞利散射光的強度比較低，對于提高系統的靈敏度和信噪比有很大限制。基于此，可以設法提取光纖中很強的反射信號作為傳感信號，并與數字增強干涉技術結合，來提高系統的靈敏度。但是，光纖中不能隨意添加反射點，有人考慮采用利用光纖連接頭的級聯作為反射點，并且用前面的連接頭作為相鄰后面連接頭的參考點，來求出連接頭之間的相位信息。但是有些場合下，外部環境不允許連接頭的接入，例如連接頭的體積的限制 或者是一些工程施工的要求等。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有光纖傳感系統靈敏度低、信噪比差、傳感結構復雜的不足，提出一種高靈敏度雙光纖光纜傳感器。采用雙光纖光纜作為傳感結構，光纜中的兩根光纖外部環境一致，具有相同的相位信息。一根光纖作為參考支路，另一根作為傳感光纖，結構簡單，傳感距離靈活，且可以利用現有的組網光纜，不需鋪設特殊的傳感結構。采集的信號是光纖末端反射回來的信號，信號強度大，信噪比高。系統中采用數字增強干涉技術，利用偽隨機碼的互相關特性，去除雜散噪聲的影響，接收端采用分偏振接收，減弱偏振衰落的影響，提高了系統的信噪比。

本發明的核心思想是：利用可編程邏輯器件產生偽隨機序列，偽隨機序列經過放大器之后，用來驅動電光調制器，對窄線寬連續激光進行相位調制，偽隨機碼調制后光信號注入到雙光纖光纜中，不同反射點處反射回來的光信號的到達接收端的時間不同，通過偏振控制器的作用對不同偏振的反射光信號分別進行接收，利用偽隨機碼自相關系數為1，互相關系數約為0的特點，將接收到的信號與經過特定延遲(與信號光到達欲測量點的往返時間一致)的本地偽隨機碼進行相關運算，就可以得到感興趣的某點的反射信號，而其它點的信號(包括噪聲)被抑制，相關運算之后的信號再經過相位解調，得到累加的相位信息，再減去參考支路的參考信號，就能得到傳感光纖上的振動、聲音等傳感信號。由于傳感中采用的是反射點的信號，以及采用了偽隨機序列相位調制解調的方式及分偏振接收，可以大大提高系統的信噪比。

本發明的技術解決方案如下：