[发明专利]能够实现全相位解调的分布式光纤传感系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种能够实现相位解调的分布式光纤传感系统及其测量方法。本发明的分布式光纤传感系统包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、延时光纤、第二耦合器、第一掺铒光纤放大器、环形器、第二掺铒光纤放大器、滤波器、光电探测器、数据采集卡和工控机；本发明在传统的Φ‑OTDR系统中引入了外差脉冲对，将光纤某一位置的振动信号调制到外差频率上，通过外差解调算法得到待测光纤沿线任意位置的外界振动信号的幅度和频率；本发明能够实时得到待测光纤沿线任意位置的外界振动信号的幅度和频率，并且可以获得很大的动态范围；以外差频率为50kHz为例，系统可以探测幅度从0.1rad到100rad的信号，同时可以探测频率从10Hz到25kHz的信号。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种能够实现全相位解调的分布式光纤传感系统及其测量方法。

背景技术

分布式光纤传感是一种新型的传感技术，不同于点式传感器，分布式传感可以获得光纤沿线任意位置处的振动信息，传感距离可以从几百米到上百公里。分布式光纤传感因具有抗电磁干扰、高的灵敏度以及长的传感距离等优点在石油管道监护、周界安防等领域得到了广泛的应用^[1]。现有的分布式光纤传感系统中应用较广的一类是基于光纤中瑞利散射原理而搭建的相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)。该系统首先在光纤首端注入一个较窄的脉冲光，然后探测该脉冲光在光纤中引起的瑞利散射信号，不同时刻接收到的信号对应于光纤不同位置散射回来的信号，利用该原理即可实现定位。此外该系统中所用的光源线宽较窄，从而一个脉冲宽度内散射回的信号将会发生干涉，在光纤没有受到外界扰动时，干涉信号是稳定的，当某处受到了扰动，该处的干涉信号将发生变化，从而可判断外界扰动的发生^[2]。

在传统的Φ-OTDR系统中，将前后两个脉冲散射回的信号作差来判别是否有振动的发生。当外界没有振动时，两次信号的差值为零；当某处有振动发生时，该处的差值将发生变化，通过该变化即可判别外界振动。由于只是强度的判别，因此传统的方案并不能很好的得到外界振动信号的幅度和频率信息。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种能够实现相位解调的分布式光纤传感系统及其测量方法，能够得到待测光纤沿线的振动信号的强度和频率信息。

本发明的一个目的在于提出一种能够实现相位解调的分布式光纤传感系统。

本发明的能够实现相位解调的分布式光纤传感系统包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、延时光纤、第二耦合器、第一掺铒光纤放大器、环形器、第二掺铒光纤放大器、滤波器、光电探测器、数据采集卡和工控机；其中，窄线宽激光器发出连续激光；经第一耦合器后，均匀分成两路，一路经过第一声光调制器被移频f₁并被调制成第一脉冲光，另外一路经过第二声光调制器被移频f₂并被调制成第二脉冲光，第一脉冲光与第二脉冲光之间的频率差Δf＝f₁-f₂即为外差频率；第二脉冲光经过长度为L_d的延时光纤，与第一脉冲光在时域上分开；第一脉冲光和第二脉冲光经过第二耦合器合光后，得到一前一后的两个脉冲，形成一个外差脉冲对，外差脉冲对的外差频率为Δf，外差脉冲对的间隔为L_d；外差脉冲对先经过第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一口进入环形器，通过环形器的第二口注入待测光纤；外差脉冲对在待测光纤中产生背向瑞利散射信号，作为外差信号，待测光纤上一个位置的外界振动信号调制到外差频率上；外差信号通过环形器的第三口进入第二掺铒光纤放大器，经过第二掺铒光纤放大器放大后，经过滤波器滤除噪声；然后到达光电探测器，由高速的数据采集卡采集信号，最后在工控机上进行信号的外差解调，从而得到待测光纤上外界振动信号的幅度与频率，其中，f₁≠f₂，L_d>0。