[发明专利]基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统

说明书

本公开提供了一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统，包括：窄线宽激光器、调制器、脉冲发生器、隔离器、掺铒光纤放大器、环行器、光纤光栅、泵浦源、波分复用器、光纤DFB激光器阵列、迈克尔逊干涉仪、密集波分解复用模块、雪崩二极管探测器、光电探测器阵列、载波电路、数据采集卡、信号处理模块和显示器。通过采用相位生成载波技术来实现分布式声传感和光纤DFB激光器阵列混合振动或声信号的测量，融合了光纤DFB激光器阵列高灵敏度的特点和分布式声传感技术海量通道的特点，实现了高灵敏度微弱信号的分布式测量。

技术领域

本公开涉及分布式光纤传感领域，特别是用于测量动态振动或声信号的分布式光纤传感领域，尤其涉及一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统。

背景技术

光纤传感技术是伴随光纤通信技术在20世纪70年代迅速崛起的一种以光纤为媒质、光为载体，感知和传输外界信号的新兴技术，该技术具有灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、便于组网及长距离传输等优点，适合应用于油气勘探中高温高压、强电磁、强辐射的井下环境。光纤振动传感是光纤传感技术的一重要分支，按照感知范围分为点式和分布式两种类型，近年来已在地震勘探领域取了一系列进展。

点式光纤振动传感器主要包括干涉式、光纤光栅式、光纤激光式等几种方案，其中光纤激光式利用超窄分布反馈光纤激光器(Distributed Feedback Fiber Lasers，DFB-FLs)作为核心器件，经增敏封装和高精度波长解调技术实现对外界微弱振动信号的探测。其具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强、尺寸小等特点。但这种点式检波器仍然面临和传统检波器类似的问题，即复用规模较小导致其检测范围有限，难以满足高空间分辨率分布式的采集要求。

分布式光纤传感技术根据传感原理主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用M-Z型、Sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)、布里渊光时域反射型(B-OTDR)、拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。

Φ-OTDR技术是通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。有研究人员提出一种有效的相位检测方法是采用相位生成载波解调技术，该解调算法通过在干涉信号中引入大幅度、高速的相位调制，使干涉仪的相位点相对平均稳定。利用干涉条纹载波奇次频和偶次频的边带上均携带有待测相位信号，且两者相消相长，将干涉信号与一倍频同步载波和二倍频同步载波分别进行相干解调，得到一对包含有待测相位的正交分量，然后再进行相位抽取，从而实现相位解调。基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统能够实现全尺度数万道数据的实时检测，但由于其检测的是外界振动或声波引起的普通单模光纤局部的应变，仍然面临着灵敏度相对较低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案