專利名稱：一種全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)的傳感方法與傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種對(duì)應(yīng)變及振動(dòng)進(jìn)行全分布式監(jiān)測(cè)的光纖傳感設(shè)備，尤其是一種結(jié)合 布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)和偏振光時(shí)域反射(POTDR)技術(shù)能夠同時(shí)對(duì)應(yīng)變及振動(dòng)進(jìn) 行全分布式監(jiān)測(cè)的光纖傳感設(shè)備。
背景技術(shù)：
由于當(dāng)光纖受到外界環(huán)境(如溫度，壓力，振動(dòng)等)影響時(shí)，光纖中傳輸光的強(qiáng)度， 相位，頻率，偏振態(tài)等參量將會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量傳輸光的這些參量便可以獲得相 應(yīng)物理量，這種技術(shù)稱為光纖傳感技術(shù)。分布式光纖傳感技術(shù)以光纖為傳感元件，可以獲取傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間 變化的事件的分布信息，因此可以利用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)傳感光纖區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變及振 動(dòng)進(jìn)行全分布式的測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)的電量型傳感器，光纖傳感器具有靈敏度高，抗電磁干擾，體積小，價(jià) 格便宜，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離分布式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此自2 O世紀(jì)7 O年代末以來(lái)，光纖傳感技術(shù) 得到了廣泛的發(fā)展，出現(xiàn)了基于瑞利散射，布里淵散射，拉曼散射等的全分布式光纖傳感技 術(shù)，其中布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)及偏振光時(shí)域反射(POTDR)技術(shù)是兩種較為常見(jiàn) 的全分布式光纖傳感技術(shù)。1)光纖受應(yīng)變影響時(shí)，光波在其中產(chǎn)生的布里淵散射光的頻率會(huì)發(fā)生偏移，稱為 布里淵頻移。頻移量的大小與光纖所受應(yīng)變的大小成正比。布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技 術(shù)是通過(guò)向光纖中注入脈沖光，并測(cè)量脈沖光在光纖傳播過(guò)程中連續(xù)產(chǎn)生的布里淵散射光 的布里淵頻移，進(jìn)而確定出光纖沿線各個(gè)位置的應(yīng)變信息。BOTDR技術(shù)是目前為止最主要的 一種可準(zhǔn)確測(cè)量光纖中應(yīng)變大小的全分布式光纖傳感技術(shù)。但是BOTDR技術(shù)對(duì)振動(dòng)的測(cè)量 能力較弱。因?yàn)楸M管理論上光纖在受到外界的影響產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變，但是，一方 面由于微小振動(dòng)引起的微弱應(yīng)變對(duì)布里淵頻移產(chǎn)生的影響較小，另一方面BOTDR技術(shù)對(duì)應(yīng) 變的測(cè)量速度較慢，通常需要十幾秒以上的時(shí)間，因此BOTDR技術(shù)難以用于測(cè)量振動(dòng)。2)偏振光時(shí)域反射(POTDR)技術(shù)同樣是向光纖中注入脈沖光。但它通過(guò)測(cè)量脈沖 光在光纖沿線返回的散射光的偏振態(tài)的變化來(lái)確定光纖沿線各個(gè)位置的外部事件，從而進(jìn) 行全分布式測(cè)量。由于光纖中光波偏振態(tài)的變化對(duì)外部事件的響應(yīng)非常靈敏，因此可以用 來(lái)測(cè)量微弱的外部事件。同時(shí)由于POTDR技術(shù)通過(guò)光強(qiáng)信號(hào)來(lái)判斷散射光偏振態(tài)的變化， 響應(yīng)時(shí)間短，故可以用來(lái)測(cè)量較大頻率范圍的振動(dòng)。通?？蓽y(cè)量IOKHz以內(nèi)的振動(dòng)。但由 于光纖受到的應(yīng)變與偏振態(tài)的變化并非一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而且POTDR技術(shù)多采用與前次測(cè) 量比較的方法判斷光纖的狀態(tài)，因此POTDR技術(shù)難以對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)變及較大的應(yīng)變進(jìn)行檢 測(cè)。將BOTDR系統(tǒng)和POTDR系統(tǒng)結(jié)合在一起，可在同一根傳感光纖上實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)應(yīng)變 和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，整體成本比兩個(gè)系統(tǒng)的單獨(dú)疊加小很多。另外，相比于單一的BOTDR系統(tǒng)和 POTDR系統(tǒng)，在判斷外部事件時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作，系統(tǒng)錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)的機(jī)會(huì)會(huì)更小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和振動(dòng)變化的全分布式光纖傳感器。本發(fā)明技術(shù)方案是為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種全分布式光纖應(yīng)變及振 動(dòng)傳感方法與傳感器。所述傳感器包括激光器(1)，第一耦合器(2)，脈沖調(diào)制模塊(3)，光 放大器(4)，環(huán)形器(5)，傳感光纖(6)，光纖光柵(7)，擾偏器(8)，第二耦合器(9)，平衡光 電探測(cè)器(10)，檢偏器(11)，光電探測(cè)器(12)，信號(hào)處理單元(13)。激光器(1)輸出的連續(xù)光經(jīng)第一耦合器(2)后分為兩路其中一路作為參考光，經(jīng) 擾偏器(8)后接入到第二耦合器(9)的第一輸入端；第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3)和光放大器 (4)后作為探測(cè)脈沖光注入環(huán)形器(5)第一端口。探測(cè)脈沖光由環(huán)形器(5)第二端口入射 到傳感光纖(6)中。探測(cè)脈沖光在傳感光纖(6)中產(chǎn)生的瑞利散射光和布里淵散射光返回 到環(huán)形器(5 )的第二端口，并由環(huán)形器(5 )第三端口出射連接光纖光柵(7 )使布里淵散射光 透射，同時(shí)將瑞利散射光反射；透射的布里淵散射光進(jìn)入到第二耦合器(9)的第二輸入端 與參考光在第二耦合器(9)中形成的混合信號(hào)經(jīng)第二耦合器(9)的兩個(gè)輸出端輸入到平衡 光電探測(cè)器(10)中被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)入信號(hào)處理單元(13)進(jìn)行處理。光纖光柵(7)反射的瑞利散射光經(jīng)環(huán)形器(5)的輸出端口連接檢偏器(11)、光電 探測(cè)器(12)后進(jìn)入到信號(hào)處理單元(13)。本發(fā)明可通過(guò)對(duì)反射的瑞利散射光透射的布里淵散射光同時(shí)進(jìn)行處理，利用布 里淵散射光和瑞利散射光，分別采用布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)和偏振光時(shí)域反射 (POTDR)技術(shù)對(duì)的應(yīng)變和振動(dòng)進(jìn)行全分布式傳感。通過(guò)利用布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)測(cè)量經(jīng)光纖光柵(7)透射的布里淵光的 頻移，對(duì)應(yīng)變進(jìn)行全分布式的監(jiān)測(cè)；同時(shí)利用偏振光時(shí)域反射(POTDR)技術(shù)測(cè)量經(jīng)光纖光 柵(7)反射的瑞利散射光偏振態(tài)的變化，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行全分布式的監(jiān)測(cè)。經(jīng)第一耦合器(2)后的第一路中接有擾偏器，第二路中沒(méi)有擾偏器。環(huán)形器(5)可以是四端口環(huán)形器，或者是兩個(gè)三端口的環(huán)形器相連而成(第一個(gè)三 端口環(huán)形器的第三端口與第二個(gè)三端口的環(huán)形器的第一端口相連)。選用的激光器(1)的線寬不超過(guò)IOMHz，其優(yōu)選工作波段為SOOnm到1700nm范圍 內(nèi)的光纖通信波段。。選用的光纖光柵(7)的中心波長(zhǎng)為激光器(1)的中心波長(zhǎng)，3dB帶寬小于由 2fivjic決定的寬度，能夠反射瑞利散射光并透射布里淵散射光。其中為傳感光纖(6)
的折射率，Va為傳感光纖(6)中的聲速^力激光器(1)的中心波長(zhǎng)，c為真空中的光速。全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感方法，經(jīng)光纖光柵(7)反射出的瑞利信號(hào)，通過(guò)檢偏 器(11)和光電探測(cè)器(12)后，進(jìn)入到信號(hào)處理單元(13)，經(jīng)處理后，獲取瑞利散射光的偏 振態(tài)變化信息，利用偏振光時(shí)域反射(POTDR)方法對(duì)振動(dòng)進(jìn)行全分布式的監(jiān)測(cè)，經(jīng)光纖光柵 (7)透射出的布里淵信號(hào)光與參考光經(jīng)第二耦合器(9)進(jìn)入到平衡光電探測(cè)器(10)中，進(jìn) 行相干探測(cè)，再經(jīng)信號(hào)處理單元(13)獲得布里淵散射光的頻移量信息，利用布里淵光時(shí)域 反射(BOTDR)方法對(duì)應(yīng)變進(jìn)行全分布式的監(jiān)測(cè)。全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器的檢測(cè)方法，經(jīng)光纖光柵(7)透射出的布里淵信號(hào)光與參考光經(jīng)第二耦合器(9)進(jìn)入到平衡光電探測(cè)器(10)中，進(jìn)行相干探測(cè)，再經(jīng)信號(hào) 處理單元(13)獲得布里淵散射光的頻移量信息，以此確定外部應(yīng)變事件，此路利用的是布 里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)；
本發(fā)明有益效果是本發(fā)明結(jié)合了 BOTDR技術(shù)和POTDR技術(shù)，本發(fā)明同時(shí)利用布里淵 光時(shí)域反射(BOTDR)和偏振光時(shí)域反射(P0TDR)，在單根光纖上分別對(duì)應(yīng)變及振動(dòng)進(jìn)行全 分布式測(cè)量，僅利用一根傳感光纖可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變事件和振動(dòng)事件，克服了單一的BOTDR 系統(tǒng)和POTDR系統(tǒng)所存在的功能單一的缺點(diǎn)，并且大幅度降低了系統(tǒng)的誤報(bào)、漏報(bào)率。大大 提高了全分布式光纖傳感器的測(cè)量功能和應(yīng)用范圍，整體成本比兩個(gè)系統(tǒng)的單獨(dú)疊加小很多。


圖1為本發(fā)明提供的一種全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖2 (a)為普通四端口環(huán)形器結(jié)構(gòu)圖2 (b)為由兩個(gè)三端口環(huán)形器構(gòu)成的四端口環(huán)形器的結(jié)構(gòu)圖；①-④為端口。
具體實(shí)施例方式一種全分布式應(yīng)變及振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1，其對(duì)應(yīng)變及振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的具體 實(shí)施步驟如下
1)激光器(1)輸出的連續(xù)光經(jīng)第一耦合器(2)后分為兩路；
2)其中一路作為參考光，經(jīng)擾偏器(8)后接入到第二耦合器(9)的第一輸入端；
3)第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3)調(diào)制成脈沖光，并通過(guò)光放大器(4)后作為探測(cè)脈沖 光經(jīng)環(huán)形器(5 )注入到傳感光纖(6 )中。4)傳感光纖(6)中的瑞利散射光和布里淵散射光返回后從環(huán)形器(5)的第三端 口射出。5)光纖光柵(7)使布里淵散射光透過(guò)，并將瑞利散射光反射。6) 透射的布里淵散射光進(jìn)入到第二耦合器(9)的第二輸入端，與參考光在第二 耦合器(9)中形成的混合信號(hào)經(jīng)第二耦合器(9)的兩個(gè)輸出端輸入到平衡光電探測(cè)器(10) 中被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)入信號(hào)處理單元(13)進(jìn)行處理，經(jīng)信號(hào)處理單元(13)處理后， 得到布里淵頻移量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感光纖區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)變的全分布式傳感。7) 反射的瑞利散射光從環(huán)形器(5)的第四端口輸出，經(jīng)檢偏器(11)，光電探測(cè) 器(12)后進(jìn)入到信號(hào)處理單元(13)。經(jīng)信號(hào)處理單元(13)處理后，得到瑞利散射光的偏 振態(tài)變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感光纖區(qū)域范圍內(nèi)的振動(dòng)的全分布式傳感。作為一個(gè)具體實(shí)施的例子，設(shè)激光器的工作波長(zhǎng)Λ為1550nm，線寬為1MHz。它 發(fā)出的激光通過(guò)耦合器(2)分成了兩路，其中一路經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制和摻鉺光纖放大器放 大后，作為探測(cè)脈沖光進(jìn)入到了傳感光纖。傳感光纖使用的是普通的通信光纖，其折射率 = 1.46，光纖中的聲速4 = 5945m/s。脈沖光在傳感光纖光纖中會(huì)產(chǎn)生瑞利散射光和布里 淵散射光，其中瑞利散射光的頻率與激光器的頻率一致，布里淵散射光的頻率會(huì)產(chǎn)生偏移， 其布里淵頻移為h ==。傳感光纖受到應(yīng)變影響時(shí)，會(huì)使布里淵散射光的布里淵頻移發(fā)生改變，受到振動(dòng)影響時(shí)，會(huì)使瑞利散射光和布里淵散射光的偏振態(tài)發(fā)生變 化。光纖光柵的中心波長(zhǎng)與激光器的波長(zhǎng)一致，為1550nm，3dB帶寬為= OOPnm
，其中e = 3xl08m/s為真空中的光速。布里淵散射光和瑞利散射光沿光纖返回經(jīng)光纖光柵 后，布里淵散射光會(huì)透過(guò)光纖光柵，與耦合器(2)中的另一路光信號(hào)一起進(jìn)入耦合器(9)。 它們的混合信號(hào)經(jīng)響應(yīng)頻率為11. 2GHz左右的平衡光電探測(cè)器(10)檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 再通過(guò)信號(hào)處理單元得到布里淵頻移的大小，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的全分布式測(cè)量。瑞利散射 光被光纖光柵反射后，經(jīng)過(guò)檢偏器，輸出檢偏器的光信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨瑞利散射光偏振態(tài)的變 化而變化。這路信號(hào)由響應(yīng)頻率為(Γ50ΜΗζ光電探測(cè)器(12)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)處 理單元處理后便可得到光纖中偏振態(tài)的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的全分布式測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器，其特征是包括激光器(1)，第一耦合器(2)， 脈沖調(diào)制模塊(3)，光放大器(4)，環(huán)形器(5)，傳感光纖(6)，光纖光柵(7)，擾偏器(8)，第 二耦合器(9)，平衡光電探測(cè)器(10)，檢偏器(11)，光電探測(cè)器(12)，信號(hào)處理單元(13)；激 光器(1)輸出的連續(xù)光經(jīng)第一耦合器(2)后分為兩路其中第一路作為參考光，經(jīng)擾偏器 (8)后接入到第二耦合器(9)的第一輸入端；第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3)和光放大器(4)后 作為探測(cè)脈沖光注入環(huán)形器(5)第一端口 ；探測(cè)脈沖光由環(huán)形器(5)第二端口入射到傳感 光纖(6)中；探測(cè)脈沖光在傳感光纖(6)中產(chǎn)生的瑞利散射光和布里淵散射光返回到環(huán)形 器(5 )的第二端口，并由環(huán)形器(5 )第三端口出射連接光纖光柵(7 )使布里淵散射光透射， 同時(shí)將瑞利散射光反射；透射的布里淵散射光進(jìn)入到第二耦合器(9)的第二輸入端與參考 光在第二耦合器(9)中形成的混合信號(hào)經(jīng)第二耦合器(9)的兩個(gè)輸出端輸入到平衡光電探 測(cè)器(10)中被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)入信號(hào)處理單元(13)進(jìn)行處理；光纖光柵(7)反射的 瑞利散射光經(jīng)環(huán)形器(5)的輸出端口連接檢偏器(11)、光電探測(cè)器(12)后進(jìn)入到信號(hào)處理 單元(13);通過(guò)對(duì)反射的瑞利散射光透射的布里淵散射光信號(hào)對(duì)應(yīng)變和振動(dòng)進(jìn)行全分布式 傳感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器，其特征在于經(jīng)第一耦合器 (2)后的第一路中接有擾偏器，第二路中沒(méi)有擾偏器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器，其特征在于環(huán)形器(5)是 四端口環(huán)形器，或者是兩個(gè)三端口的環(huán)形器相連而成，其中第一個(gè)三端口環(huán)形器的第三端 口與第二個(gè)三端口的環(huán)形器的第一端口相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器，其特征在于選用的激光器 (1)的線寬不超過(guò)10MHz，其工作波段為800nm到1700nm范圍內(nèi)的光纖通信波段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感器，其特征在于 選用的光纖光柵(7)的中心波長(zhǎng)為激光器(1)的中心波長(zhǎng)，3dB帶寬小于由2nvaλ/c決定的寬度，能夠反射瑞利散射光并透射布里淵散射光；其中，n為傳感光纖(6)的折射率，Va為傳感光纖(6)中的聲速，λ激光器(1)的中心波長(zhǎng)，c為真空中的光 速。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖應(yīng)變及振動(dòng)傳感方法，其特征在于經(jīng)光纖光柵 (7 )反射出的瑞利信號(hào)，通過(guò)檢偏器(11)和光電探測(cè)器(12 )后，進(jìn)入到信號(hào)處理單元(13)， 經(jīng)處理后，獲取瑞利散射光的偏振態(tài)變化信息，利用偏振光時(shí)域反射(POTDR)方法對(duì)振動(dòng)進(jìn) 行全分布式的監(jiān)測(cè)，經(jīng)光纖光柵(7)透射出的布里淵信號(hào)光與參考光經(jīng)第二耦合器(9)進(jìn) 入到平衡光電探測(cè)器(10)中，進(jìn)行相干探測(cè)，再經(jīng)信號(hào)處理單元(13)獲得布里淵散射光的 頻移量信息，利用布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)方法對(duì)應(yīng)變進(jìn)行全分布式的監(jiān)測(cè)。
全文摘要
全分布式光纖應(yīng)變與振動(dòng)傳感器，包括激光器(1)，第一耦合器(2)，脈沖調(diào)制模塊(3)，光放大器(4)，環(huán)形器(5)，傳感光纖(6)，光纖光柵(7)，擾偏器(8)，第二耦合器，平衡光電探測(cè)器，檢偏器，光電探測(cè)器(12)，信號(hào)處理單元。激光器(1)輸出的連續(xù)光經(jīng)第一耦合器(2)后分為兩路其中第一路作為參考光，經(jīng)擾偏器(8)后接入到第二耦合器(9)的第一輸入端；第二路經(jīng)脈沖調(diào)制模塊(3)和光放大器(4)后作為探測(cè)脈沖光注入環(huán)形器(5)第一端口，本發(fā)明同時(shí)利用布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)和偏振光時(shí)域反射POTDR，在單根光纖上分別對(duì)應(yīng)變及振動(dòng)進(jìn)行全分布式測(cè)量，克服了單一的BOTDR或POTDR系統(tǒng)所存在的缺點(diǎn)，并降低了系統(tǒng)的誤報(bào)、漏報(bào)率。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102147236SQ20111000569
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者張旭蘋(píng), 王峰, 王祥傳 申請(qǐng)人:南京大學(xué)