一種分布式光纖傳感系統技術方案

本發明專利技術公開了一種分布式光纖傳感系統，包括窄線寬激光器、調制器、光隔離器、摻鉺光纖放大器、環行器、光纖光柵、傳感光纖、光探測器、微波放大器、高通濾波器、功率分配器、第一濾波模塊、第一微波探測模塊、第一低頻放大器、第二濾波模塊、第二微波探測模塊、第二低頻放大器、數據采集卡和計算機，本發明專利技術實現分布式光纖振動或聲信號的測量，有效實現大相位信號的動態測量，且能夠消除相位相消衰落問題，無需GS/s采樣率的高速數據采集設備，降低了成本而且不會影響響應時間，在能消除激光光源不穩和線路損耗的前提下，分別測出布里淵散射光的強度和頻移變化，進而得到溫度變化和應變。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光纖傳感
，具體是一種分布式光纖傳感系統。
技術介紹
分布式光纖傳感技術是光纖傳感的一個重要分支，利用光波在光纖中傳輸時相位、偏振、幅度、波長等對外界敏感的特性，可以連續實時地監測光纖附近的溫度、應變、振動和聲音等物理量，具有很好的應用前景，在光纖傳感市場占據主要地位。根據傳感原理，分布式光纖傳感技術主要可分為基于干涉原理和基于后向散射探測技術兩類。前者利用M-Z型、Sagnac型以及復合型結構通過定位算法和解調算法得到相關位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光強、頻移和相位等變化來測量外界物理量。常用類型包括相位敏感光時域反射型(Φ-OTDR)，偏振光時域反射型(P-OTDR)、布里淵光時域反射型(B-OTDR)、拉曼光時域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR適合長距離高空間分辨率的分布式振動或聲傳感，在周界安全、地震勘探、管道監測等方面有著顯著優勢。為了能有效檢測外差信號，需要高速的數據采集設備(GS/s量級的采樣率)，成本較高。光在光纖中傳輸，主要有三種后向散射光：瑞利、布里淵和拉曼，其中瑞利散射無能量轉換，屬于彈性散射，無頻移；布里淵和拉曼散射都具有能量轉換，屬于非彈性散射，而且一般均具有斯托克斯和反斯托克斯兩種成分光。據定義，頻率下移的成分是斯托克斯光，頻率上移的成分是反斯托克斯光。布里淵散射和拉曼散射的區別在于前者是基于光學聲子的一種散射光，既受溫度變化的影響又受應變的影響，而后者是基于光學光子的一種散射光，只受溫度變化的影響。目前廣大研究者已經對這些散射現象進行了深入研究并且根據其各自特點進行了應用，比如光時域/頻域反射計(OT/FDR)，光時域/頻域分析儀(OT/FDA)，以及分布式光纖傳感器等等。分布式光纖傳感器特別是基于布里淵散射的光纖傳感器，與其他傳感器相比，具有其獨特優勢，但同時由于布里淵后向散射光與瑞利后向散射光的頻率差異非常小，約為11GHz(在1.55um波段，對應于波長差異為88pm)，其檢測手段存在很大的挑戰性，所以目前仍然是研究熱點。在傳統系統中，通常使用光方法或使用軟件方法來解耦溫度和應變，成本較高，影響響應時間。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種結構簡單、成本低的分布式光纖傳感系統。為實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：一種分布式光纖傳感系統，包括窄線寬激光器、調制器、光隔離器、摻鉺光纖放大器、環行器、光纖光柵、傳感光纖、光探測器、微波放大器、高通濾波器、功率分配器、第一濾波模塊、第一微波探測模塊、第一低頻放大器、第二濾波模塊、第二微波探測模塊、第二低頻放大器、數據采集卡和計算機，所述窄線寬激光器的輸出端與調制器的輸入端連接，調制器的輸出端與光隔離器的輸入端相連，光隔離器的輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端相連，摻鉺光纖放大器的輸出端與環行器的a端口相連，環行器的b端口與光纖光柵相連，環行器的c端口與傳感光纖相連，環行器的d端口與光探測器的輸入端口相連，所述光探測器的輸出端依次連接微波放大器、高通濾波器和功率分配器；所述功率分配器的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接第一濾波模塊和第一微波探測模塊，第一微波探測模塊用以將高頻信號轉換為低頻信號，第一微波探測模塊經第一低頻放大器進入數據采集卡；功率分配器的另一個輸出端經過一個第二濾波模塊，第二濾波模塊將頻率的不同轉換為強度的不同，進而進入第二微波探測模塊，第二微波探測模塊將高頻信號轉換為低頻信號，然后經過第二低頻放大器后進入數據采集卡；所述數據采集卡和計算機連接。作為本專利技術進一步的方案：所述窄線寬激光器的輸出波長與光纖光柵的中心波長一致。作為本專利技術再進一步的方案：所述窄線寬激光器采用連續輸出的低噪聲單頻激光器，線寬小于5kHz，工作波長在1550nm波段。作為本專利技術再進一步的方案：所述調制器采用聲光調制器，通過脈沖發生器加載脈沖電壓信號，脈沖寬度受限于聲光調制器的上升下降時間。作為本專利技術再進一步的方案：所述調制器采用10ns～100ns的脈沖寬度。作為本專利技術再進一步的方案：所述光纖光柵的3dB帶寬小于0.2nm。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：實現分布式光纖振動或聲信號的測量，有效實現大相位信號的動態測量，且能夠消除相位相消衰落問題，無需GS/s采樣率的高速數據采集設備，降低了成本而且不會影響響應時間，在能消除激光光源不穩和線路損耗的前提下，分別測出布里淵散射光的強度和頻移變化，進而得到溫度變化和應變。附圖說明圖1為分布式光纖傳感系統的結構示意圖。具體實施方式下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦＠夹g中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。請參閱圖1，本專利技術實施例中，一種分布式光纖傳感系統，包括窄線寬激光器1、調制器2、光隔離器3、摻鉺光纖放大器4、環行器5、光纖光柵6、傳感光纖7、光探測器8、微波放大器9、高通濾波器10、功率分配器11、第一濾波模塊12、第一微波探測模塊13、第一低頻放大器14、第二濾波模塊15、第二微波探測模塊16、第二低頻放大器17、數據采集卡18和計算機19，所述窄線寬激光器1的輸出端與調制器2的輸入端連接，調制器2的輸出端與光隔離器3的輸入端相連，光隔離器3的輸出端與摻鉺光纖放大器4的輸入端相連，摻鉺光纖放大器4的輸出端與環行器5的a端口相連，環行器5的b端口與光纖光柵6相連，環行器5的c端口與傳感光纖7相連，環行器5的d端口與光探測器8的輸入端口相連，所述光探測器8的輸出端依次連接微波放大器9、高通濾波器10和功率分配器11；所述功率分配器11的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接第一濾波模塊12和第一微波探測模塊13，第一微波探測模塊13用以將高頻信號轉換為低頻信號，第一微波探測模塊13經第一低頻放大器14進入數據采集卡18；功率分配器11的另一個輸出端經過一個第二濾波模塊15，第二濾波模塊15將頻率的不同轉換為強度的不同，進而進入第二微波探測模塊16，第二微波探測模塊16將高頻信號轉換為低頻信號，然后經過第二低頻放大器17后進入數據采集卡18；所述數據采集卡18和計算機19連接。所述窄線寬激光器1的輸出波長與光纖光柵6的中心波長一致，光纖光柵6的3dB帶寬小于0.2nm。所述調制器2用于產生正弦相位調制，調制幅度為2rad-4rad。本專利技術的窄線寬激光器1采用連續輸出的低噪聲單頻激光器，線寬小于5kHz，工作波長1550nm波段。連續輸出的窄線寬激光經調制器產生周期性重復脈沖光，調制器2采用聲光調制器，通過脈沖發生器加載脈沖電壓信號，脈沖寬度受限于聲光調制器的上升下降時間，通常采用10ns～100ns的脈沖寬度，脈沖重復頻率與傳輸光纖長度有關，當光纖長度為10km時，脈沖重復頻率最大為10kHz。脈沖光經光隔離器3后進入摻鉺光纖放大器4進行光功率放大，通過環行器5和光纖光柵6對放大后的光信號進行濾波，光纖光柵6的中心波長與窄線寬激光器1的工作波長一致，光纖光柵6的3dB帶寬小于0.2nm，以保證進入傳感光纖7的脈沖光不包含過多的自發輻射光，保本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種分布式光纖傳感系統，包括窄線寬激光器(1)、調制器(2)、光隔離器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、環行器(5)、光纖光柵(6)、傳感光纖(7)、光探測器(8)、微波放大器(9)、高通濾波器(10)、功率分配器(11)、第一濾波模塊(12)、第一微波探測模塊(13)、第一低頻放大器(14)、第二濾波模塊(15)、第二微波探測模塊(16)、第二低頻放大器(17)、數據采集卡(18)和計算機(19)，其特征在于，所述窄線寬激光器(1)的輸出端與調制器(2)的輸入端連接，調制器(2)的輸出端與光隔離器(3)的輸入端相連，光隔離器(3)的輸出端與摻鉺光纖放大器(4)的輸入端相連，摻鉺光纖放大器(4)的輸出端與環行器(5)的a端口相連，環行器(5)的b端口與光纖光柵(6)相連，環行器(5)的c端口與傳感光纖(7)相連，環行器(5)的d端口與光探測器(8)的輸入端口相連，所述光探測器(8)的輸出端依次連接微波放大器(9)、高通濾波器(10)和功率分配器(11)；所述功率分配器(11)的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接第一濾波模塊(12)和第一微波探測模塊(13)，第一微波探測模塊(13)用以將高頻信號轉換為低頻信號，第一微波探測模塊(13)經第一低頻放大器(14)進入數據采集卡(18)；功率分配器(11)的另一個輸出端經過一個第二濾波模塊(15)，第二濾波模塊(15)將頻率的不同轉換為強度的不同，進而進入第二微波探測模塊(16)，第二微波探測模塊(16)將高頻信號轉換為低頻信號，然后經過第二低頻放大器(17)后進入數據采集卡(18)；所述數據采集卡(18)和計算機(19)連接。...

【技術特征摘要】
1.一種分布式光纖傳感系統，包括窄線寬激光器(1)、調制器(2)、光隔離器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、環行器(5)、光纖光柵(6)、傳感光纖(7)、光探測器(8)、微波放大器(9)、高通濾波器(10)、功率分配器(11)、第一濾波模塊(12)、第一微波探測模塊(13)、第一低頻放大器(14)、第二濾波模塊(15)、第二微波探測模塊(16)、第二低頻放大器(17)、數據采集卡(18)和計算機(19)，其特征在于，所述窄線寬激光器(1)的輸出端與調制器(2)的輸入端連接，調制器(2)的輸出端與光隔離器(3)的輸入端相連，光隔離器(3)的輸出端與摻鉺光纖放大器(4)的輸入端相連，摻鉺光纖放大器(4)的輸出端與環行器(5)的a端口相連，環行器(5)的b端口與光纖光柵(6)相連，環行器(5)的c端口與傳感光纖(7)相連，環行器(5)的d端口與光探測器(8)的輸入端口相連，所述光探測器(8)的輸出端依次連接微波放大器(9)、高通濾波器(10)和功率分配器(11)；所述功率分配器(11)的兩個輸出端，其中一個輸出端依次連接第一濾波模塊(12)和第一微波探測模塊(13)，第一微波探測模塊(13)用以將高頻信號轉換為低頻信號...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳月娥，李國強，邵秋峰，王書濤，王勇，朱艷英，賈麗笑，
申請(專利權)人：燕山大學，
類型：發明
國別省市：河北;13