[发明专利]相位敏感型φ‑OTDR的分布式光纤听音器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及一种相位敏感型光时域反射计的分布式光纤听音器。

背景技术

分布式光纤听音器与传统电学声音传感器相比，具有频带宽、抗射频干扰(RFI)、探测距高远、能直接接入光传输网络等优点。近30年来，人们对光纤声音传感器进行了深入的研究，发展了大量的声音传感器及其相关技术，包括基于布拉格光栅的光纤声音传感技术，基于光纤干涉仪的光纤传感技术等。其传感性能已经达到了较高的水平，然而这些传感器大都属于点式传感器，存在布网难度大的问题。从经济和实用的角度出发，研制一款分布式的光纤声音传感器具有重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种基于相位敏感型光时域反射仪(-OTDR)的光纤传感技术来实现分布式声音传感，并进行了传感系统的搭建，实现听音器的声音还原。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：构建基于-OTDR技术进行分布式光纤听音器的理论框架，并搭建传感样机一台。其中，基于-OTDR的原理，我们对影响传感系统性能的各种参数包括激光器线宽、激光器频率稳定性、注入脉冲峰值功率、声光调制器性能以及信号调节方法进行了分析。

光纤传感系统一般由探测光源、传输光纤、传感单元及信号检测等部分组成，依赖于输入光信号到输出调制光信号的转换，其中输出调制光信号携带了一些信息。如图1所示，各种类型的光纤传感器被不断研发和应用于测量温度、压力、位移、振动、转动、弯曲、声场等物理量。

声音是一种极其重要的信息载体，其本质是一种压力波，频率和振幅是描述声音的两个必要参数。声音信号作为一种微弱的振动信号在人类日常生活和交流中起了极其重要的作用，其在军事、医疗、水下等领域的监测同样具有十分重要的意义。在声信号探测领域电学的声音传感器一直占主导地位。常用的电学声音传感器有电动式传声器、压电式传声器、电容式传声器和驻极体式传声器。由于这些电学声音传感器都是有源结构，使得其在强电磁干扰、易燃易爆等特殊领域中的应用受到了极大的限制，而且传感端输出的弱电模拟信号不适合远距离传输，因此难以进行遥感遥测。相比传统电学声音传感器，光纤声音传感器有如下优势：

（1）光信号具有抗电磁干扰的性能，因此光纤声音传感器可在强电磁干扰的环境下工作；

（2）光纤损耗低，使得光纤声音传感器可进行远距离遥感；

（3）光纤传感头不带电，本质安全适合于水下及易燃易爆环境应用；

（4）体积小、重量收便于安装和隐蔽；

（5）光纤耐腐蚀，可于特殊的恶劣环境中铺设。

综合上述优点，光纤声音传感器在建筑结构的健康状态监测、变压器局部放电诊断、水声监测、航空航天安全，以及空气中声波的检测等领域有着广泛的应用前景领域。

本发明提出了-OTDR技术的分布式光纤听音器的信号处理方法。

附图说明

图1是本发明分布式光纤听音器光纤传感器基本工作原理图；

图2是本发明分布式光纤听音器系统结构图；

图3是本发明分布式光纤听音器激光器线宽测试图；

图4是本发明分布式光纤听音器正交调节过程 。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

请参阅图2，本发明采用的光源为窄线宽单频光纤激光器，参数为1550nm，1kHz的连续光，经分束器分为两路，其中5%的光为本振光，95%的光作为探测光。探测光经过光纤声光调制器进行调制，声光调制器参数为：移频150MHz，脉宽30ns。传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器与本振光经过50:50的耦合器进行拍频，拍频信号经过双平衡探测器（DB-PD）转换为模拟电信号。随后数据采集卡对模拟电信号进行模数转换，并进入工控机处理信息。

在分布式传感系统中为了尽可能的提高传感系统的传感距离，应使光波尽可能的远距离传播，需要使光的衰减减小，故采用1550nm的光源波长。

因采用后向瑞利散射光相干干涉，故要求注入脉冲光的相干性足够，这样才可以使灵敏度提高。

假设第i个散射点的散射光场表示为：

脉冲宽度内的干涉光强度为：