[发明专利]一种基于Φ-OTDR技术的超长距离振动监测系统及其工作方法

说明书

一种基于Φ‑OTDR技术的超长距离振动监测系统及其工作方法，属于光学技术领域。为解决系统中背向信号衰减，无法实现产长距离传感的问题。本发明包括：窄线宽激光器、第一光纤耦合器、第一声光调制器、第一掺铒光纤放大器、第二声光调制器、第一环形器、波分复用器、待测光纤、掺铒光纤、脉冲发生器、拉曼放大器、第二掺铒光纤放大器、第二环形器、光学滤波器、偏振控制器、第二光纤耦合器、光电平衡探测器、检波器和数据采集卡，该系统基于外差探测结构，采用AOM级联的方式，配合一阶前向分布式拉曼放大技术和遥泵技术，实现超长距离振动监测。本发明消除了现场远程供电的必要性，在实际应用中具有超远程传感的意义。

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于Φ-OTDR技术的超长距离振动监测系统及其工作方法。

背景技术

Φ-OTDR(phase-sensitive optical time-domain reflectometer)，相位敏感光时域反射计利用光纤中的后向瑞利散射光信号，反映传感光纤沿线各点的振动信息，当外界环境没有振动事件发生时，背向瑞利散射信号相对稳定；当局部位置发生振动事件时，对应位置的背向瑞利散射光信号波动起伏，通过对振动事件发生前后不同时刻的背向瑞利散射光信号进行差分处理和时域傅里叶变换解调出振动事件发生的位置及频率信息，实现分布式振动监测。Φ-OTDR已在周界安防、油气管线监测等领域广泛应用。

Φ-OTDR基于背向瑞利散射光信号实现传感，其信号强度较弱，30km传感距离时尾端信噪比较差，无法实现更远的传感距离，极大的限制了Φ-OTDR系统在长距离检测领域的应用，因此提升Φ-OTDR传感距离具有重大意义。目前主要的技术有掺铒光纤放大器(Erbium-doped fiber amplifier,EDFA)、分布式拉曼放大技术、分布式布里渊放大技术，例如直接探测型Φ-OTDR系统中引入一阶双向分布式拉曼放大技术，在100m空间分辨下将传感距离提升至62km(Rao Y J,Luo J,Ran Z L,et al.Long-distance fiber-optic Φ-OTDR intrusion sensing system[J].Proceedings of Spie the InternationalSociety for Optical Engineering,2009,7503)；饶云江等人采用一阶正向分布式拉曼放大技术，将15m空间分辨率的相干探测型-OTDR系统的传感距离提升至103km(Peng Z P,Rao Y J,Peng F,et al.Long distance phase-sensitive optical time-domainreflectometer based on heterodyne detection and forward Raman amplification[J].Guangdianzi Jiguang/Journal of Optoelectronics Laser,2014,25(4):724-729)；随后，饶云江等人利用中继多个拉曼放大器实现长距离-OTDR系统(饶云江,吴慧娟,王杰,等.一种超长距离相敏光时域反射系统:,CN102706437B[P].)；王子楠等人利用分布式布里渊放大技术，将将10m空间分辨率的相干探测型-OTDR系统传感距离提升至124km(Wang ZN,Li J,Fan M Q,et al.Phase-sensitive optical time-domain reflectometry withBrillouin amplification[J].Optics Letters,2014,39(15):4313.)；随后，利用二阶正向分布式拉曼放大技术、一阶反向分布式拉曼放大技术和分布式布里渊放大技术相结合，将25m空间分辨率的相干探测型-OTDR系统传感距离提升至175km(Wang Z N,Zeng J J,LiJ,et al.Ultra-long phase-sensitive OTDR with hybrid distributed amplification[J].Optics letters,2014,39(20):5866-5869)；田晓中等人同时使用四个远程增益单元将8m空间分辨率的直接探测型-OTDR系统传感距离提高至123km(Tian X,Dang R,Tan D,et al.123 km Φ-OTDR system based on bidirectional erbium-doped fiberamplifier[C]//Optical Communication,Optical Fiber Sensors,and OpticalMemories for Big Data Storage.SPIE,2016,10158:191-194.)；周沙等人利用遥泵技术将20m空间分辨变率的直接探测型-OTDR系统传感距离提升至75km(Sha Z,Feng H,Shi Y,et al.Phase-sensitive OTDR with 75-km single-end sensing distance based onRP-EDF amplification[J].IEEE Photonics Technology Letters,2017,29(16):1308-1311)；宋牟平等人使用非平衡中继器实现150km的直接探测型-OTDR系统传感，空间分辨率为20m(Song M,Zhu W,Xia Q,et al.151-km single-end phase-sensitive opticaltime-domain reflectometer assisted by optical repeater[J].OpticalEngineering,2018,57(2):027104.)。