[發(fā)明專利]基于多脈沖多波長的分布式光纖傳感系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811405196.7
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109282839B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐少崢
• 申請（專利權(quán)）人: 徐少崢
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D5/34
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標(biāo)代理有限公司 12101
• 代理人: 蒙建軍

本發(fā)明公開了一種基于多脈沖多波長的分布式光纖傳感系統(tǒng)及方法，屬于分布式光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，包括光源模塊、調(diào)制模塊、延遲模塊、耦合模塊、脈沖放大模塊、前置放大模塊、分光系統(tǒng)、干涉模塊、信號檢測模塊、數(shù)據(jù)處理終端。本發(fā)明使用多個光源組合，在一個周期T內(nèi)注入n個波長的光，通過光纖延遲線控制延遲時間，使光脈沖按照特定順序依次注入傳感光纖，這n個光脈沖產(chǎn)生的后向瑞利散射光通過不同中心反射波長的光柵分開，進(jìn)入光電探測器后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過AD采集后得到n條彼此相互獨立的OTDR曲線，通過解調(diào)n條OTDR曲線，得到n個重復(fù)頻率為f的相位信息，將n條解調(diào)后曲線經(jīng)過數(shù)組交織形成最終結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于分布式光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多脈沖多波長的分布式光纖傳感系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

分布式光纖傳感是光纖傳感領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，相比于點式傳感器，分布式傳感器優(yōu)勢明顯，其成本低，加工方便等優(yōu)點得到很多應(yīng)用的優(yōu)勢，在周界安防，管道檢測，地質(zhì)勘探，分布式測溫等領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)占有明顯的市場優(yōu)勢，它可以實時的檢測光纜沿線的振動、溫度、應(yīng)變等物理量，市場前景良好。

目前，分布式測量的系統(tǒng)主要基于后向散射原理，這種系統(tǒng)的原理是利用后向散射光的性質(zhì)變化來實現(xiàn)探測，包括后向散射光的相位、偏振態(tài)、頻率變化等。常用的原理包括相位敏感型光時域反射儀(φ-OTDR),偏振敏感型光時域反射儀(P-OTDR)，布里淵光時域反射儀(B-OTDR)，拉曼光時域反射儀(R-OTDR)。其中相位敏感型光時域反射儀(φ-OTDR)尤其適合長距離，高空間分辨率，高信噪比的使用場合。可用于振動探測、聲音傳感、周界安防等領(lǐng)域。

Φ-OTDR的基本原理是通過解調(diào)光纖中注入的脈沖光產(chǎn)生的后向瑞利散射光的相位變化來實現(xiàn)相位解調(diào)。當(dāng)振動等作用到光纖上時，這個力將會改變光纖軸向上的折射率，進(jìn)一步引起該位置的光相位發(fā)生變化，通過分析光相位變化即可得到振動信號。目前常用的分布式傳感系統(tǒng)中，常見的探測解調(diào)方案包括3×3耦合器解調(diào)、相位生成載波解調(diào)方案、數(shù)字相干解調(diào)方案，這些方案中每次注入傳感光纖中的光脈沖最多只有一個。因為若注入超過多個光脈沖，前一個光脈沖產(chǎn)生的后向瑞利散射光會與后一個產(chǎn)生的瑞利散射光發(fā)生混疊，表現(xiàn)為兩個脈沖的后向瑞利散射光強(qiáng)的一部分發(fā)生重復(fù)，無法解調(diào)出重復(fù)部分的相位。

因此隨著光纖長度的增加，脈沖的最大重復(fù)頻率會降低，最大重復(fù)率與光纖長度關(guān)系為f＝2nl/c，其中n為光纖有效折射率。Φ-ODTR系統(tǒng)中注入光纖中的一個個光脈沖，本質(zhì)是對光纖上個點位置的離散采樣，因此根據(jù)香農(nóng)采樣定律，該系統(tǒng)對振動信號的最大探測頻率為nl/c。實際情況中，由于振動信號幾乎不可能為單頻信號，故實際探測最大頻率通常為nl/2c。在一個100Km系統(tǒng)中，計算所得最大重復(fù)頻率為1KHz，在不進(jìn)行降采樣實際探測最大頻率僅僅為250Hz，這對于高頻振動及聲波的探測是無法實現(xiàn)的。若在保證探測最大頻率的情況下則需要10套10Km系統(tǒng)，這將極大提高系統(tǒng)成本。使用單光源配合移頻器結(jié)合平衡探測器解調(diào)等方案將單光源功率分光N次后，功率將下降至信噪比將隨著N增加快速劣化。同時使用N個不同步信號控制N個不同頻移器也提高了系統(tǒng)復(fù)雜度與成本，且不加入混頻器濾波器等電路器件。而采用全光方案結(jié)合多光源，不使用光功率分配器件，不會造成單個脈沖功率下降。使用光柵與環(huán)形器的結(jié)合使不同波長的光在空間上分開，同時解調(diào)使用光纖干涉儀，相比于平衡探測器的方案，有效減少電路器件，更有利于提高系統(tǒng)抗電磁輻射能力。

發(fā)明內(nèi)容