本發(fā)明屬于光電傳輸領(lǐng)域，特別涉及一種全光纖分布式聲波傳感技術(shù)。

背景技術(shù)：

全光纖分布式聲波傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于油氣勘探、地震波檢測(cè)等領(lǐng)域，傳統(tǒng)分布式聲波傳感利用瑞利散射反饋回來(lái)的信號(hào)光，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)以獲得由聲波作用帶來(lái)的信號(hào)光相位變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的測(cè)量?，F(xiàn)有的技術(shù)采用極弱反光纖布拉格光柵(fbg)代替瑞利散射，提高信號(hào)光的反饋強(qiáng)度，但該技術(shù)受限于fbg的溫漂效應(yīng)，一旦fbg溫度漂移過(guò)大，與波長(zhǎng)不對(duì)應(yīng)時(shí)，寫入的fbg就會(huì)失效，因此無(wú)法工作在大范圍溫度變化的場(chǎng)景中，且fbg反射帶寬窄，不利于引入隨機(jī)分布放大的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供了一種基于寬帶弱反鏡和隨機(jī)激光的光纖聲波傳感系統(tǒng)，通過(guò)在傳感光纖中寫入寬帶弱反鏡陣列，在檢測(cè)傳感光纖中超寬帶弱反鏡反射光的干涉相位，得到光纖上連續(xù)分布的聲波、振動(dòng)等參數(shù)的信息，從而實(shí)現(xiàn)分布式傳感；并通過(guò)這些弱反射鏡與瑞利散射的聯(lián)合隨機(jī)反饋產(chǎn)生隨機(jī)激光實(shí)現(xiàn)傳感光信號(hào)的分布式放大。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于寬帶弱反鏡和隨機(jī)激光的光纖聲波傳感系統(tǒng)，包括：傳感光纖，所述傳感光纖上寫入寬帶弱反鏡陣列；

還包括：探測(cè)光源、第一調(diào)制器、第二調(diào)制器、環(huán)形器、泵浦激光器、波分復(fù)用器、傳感光纖、探測(cè)器、解調(diào)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊；

所述探測(cè)光源用于發(fā)出探測(cè)激光信號(hào)，所述第一調(diào)制器用于將探測(cè)光源調(diào)制成脈沖信號(hào)，所述第二調(diào)制器用于發(fā)出射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一調(diào)制器，所述泵浦激光器用于發(fā)出泵浦激光，所述環(huán)形器用于將調(diào)制后的脈沖信號(hào)單向傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用器；所述波分復(fù)用器用于將調(diào)制后的脈沖信號(hào)與泵浦激光耦合進(jìn)傳感光纖，所述傳感光纖根據(jù)寫入的寬帶弱反鏡陣列使泵浦激光相干反饋產(chǎn)生隨機(jī)激光，所述隨機(jī)激光對(duì)調(diào)制后的脈沖信號(hào)提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光經(jīng)波分復(fù)用器從環(huán)形器單向傳輸至探測(cè)器；所述探測(cè)器采集反射光信號(hào)，并將反射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；通過(guò)處理將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入解調(diào)模塊中解調(diào)出相位信息；通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)相位信息進(jìn)行分析，得到傳感光纖的擾動(dòng)情況。

進(jìn)一步地，當(dāng)將該傳感光纖制成光纜時(shí)，在光纜中填充聲波增敏介質(zhì)，將高傳感光纖置于聲波增敏介質(zhì)中。

進(jìn)一步地，所述第一調(diào)制器為聲光調(diào)制器。

進(jìn)一步地，所述探測(cè)激光信號(hào)、脈沖信號(hào)以及反射光波長(zhǎng)均為1550nm。

進(jìn)一步地，所述泵浦激光波長(zhǎng)為1365nm。

進(jìn)一步地，所述隨機(jī)激光波長(zhǎng)為1455nm。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)在傳感光纖上寫入寬帶弱反鏡陣列，通過(guò)寬帶弱反鏡陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光經(jīng)相干反饋產(chǎn)生的隨機(jī)激光，增加泵浦光的功率，隨機(jī)激光對(duì)探測(cè)光源的信號(hào)光提供分布式拉曼放大，該分布式拉曼放大可以用于補(bǔ)償寬帶弱反鏡陣列的插入損耗，并對(duì)反饋光進(jìn)行放大，提升光信噪比，進(jìn)而提升探測(cè)靈敏度，并通過(guò)控制相鄰寬帶弱反鏡之間的間距獲得高空間分辨率；進(jìn)而由于隨機(jī)激光放大具有較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，因此能獲得低噪聲的分布式放大。

附圖說(shuō)明

圖1所示為寬帶弱反鏡陣列仿真反射譜。

圖2所示為寬帶弱反鏡傳感光纖及光纖隨機(jī)激光分布式放大示意圖。

圖3所示為fodas整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)一步闡釋。

本發(fā)明提供一種基于寬帶弱反鏡和隨機(jī)激光的光纖聲波傳感系統(tǒng)，包括傳感光纖，在該傳感器光纖寫入寬帶弱反鏡陣列。

基于該傳感光纖制成的光纜，通過(guò)在光纜中填充聲波增敏介質(zhì)，將傳感光纖置于該介質(zhì)中，以增強(qiáng)聲波對(duì)光纖的作用效果。

本申請(qǐng)中寫入的寬帶弱反鏡陣列的作用原理如下：

寬帶弱反鏡的好處是可以工作在高溫環(huán)境中，也能對(duì)入射光信號(hào)有效反饋，而不受溫度影響；并且在300℃高溫環(huán)境下仍對(duì)探測(cè)光信號(hào)具有反射特性。寬帶弱反鏡的設(shè)計(jì)采用傳輸矩陣?yán)碚撃Ｐ?，通過(guò)式(1)將寬帶弱反鏡左右兩側(cè)前向和后向傳輸?shù)墓庑盘?hào)振幅聯(lián)系起來(lái)，傳輸矩陣mi如式(2)所示：

其中，r代表光振幅的反射系數(shù)，t代表光振幅的透射系數(shù)，“*”代表復(fù)共軛。相鄰折射率層之間的距離由傳輸矩陣mi表示：

其中，n為有效折射率，k為波矢，δd為相鄰折射率層的距離，即相鄰寬帶若反鏡之間的距離。

由此，將所有寬帶弱反鏡及寬帶弱反鏡間距離對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣依次序相乘，即可得到整體結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣，結(jié)合邊界條件，可以推出寬帶弱反鏡陣列的總反射系數(shù)，進(jìn)而得到反射譜。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種寬帶弱反鏡陣列仿真反射譜，仿真得到的極弱反法珀腔陣列反射譜如圖1所示，在單個(gè)寬帶弱反鏡反射率為0.05％，相鄰寬帶弱反鏡間距約為1m時(shí)，寫入1000個(gè)寬帶弱反鏡陣列得到中心波長(zhǎng)1550nm處平均反射率為33％，該平均反射率可以通過(guò)改變單個(gè)寬帶弱反鏡的反射系數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2為根據(jù)發(fā)明實(shí)例的一種寫入寬帶弱反鏡的傳感光纖及光纖隨機(jī)激光分布式放大示意圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知圖2中出現(xiàn)的uwf表示微波。寬帶弱反鏡間的距離在一定范圍內(nèi)(通常為1m)隨機(jī)，無(wú)需嚴(yán)格相等，這一特點(diǎn)降低了寫入寬帶弱反鏡陣列時(shí)的要求，具有實(shí)際操作性。寬帶弱反鏡提供相干反饋，反射回來(lái)的光信號(hào)用于檢測(cè)聲波作用帶來(lái)相位差的改變量，光纖中的隨機(jī)圓點(diǎn)其實(shí)是光纖中原有的瑞利散射。泵浦光在寬帶弱反鏡陣列中相干反饋產(chǎn)生1455nm的隨機(jī)激光，該隨機(jī)激光作為泵浦光對(duì)1550nm的信號(hào)光提供分布式拉曼放大，獲得低噪聲的分布式放大。

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于該傳感光纖的聲波傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明還提供基于該傳感光纖的聲波傳感系統(tǒng)，包括：探測(cè)光源、脈沖調(diào)制器、調(diào)制器、環(huán)形器、泵浦激光器、波分復(fù)用器、傳感光纖、探測(cè)器、解調(diào)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊；

所述探測(cè)光源用于發(fā)出1550nm的探測(cè)激光信號(hào)，所述第一調(diào)制器用于將探測(cè)光源調(diào)制成脈沖信號(hào)，所述第二調(diào)制器用于發(fā)出射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一調(diào)制器，所述泵浦激光器用于發(fā)出1365nm的泵浦激光，所述環(huán)形器用于將調(diào)制后的脈沖信號(hào)單向傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用器；所述波分復(fù)用器用于將調(diào)制后的脈沖信號(hào)與泵浦激光耦合進(jìn)傳感光纖，所述傳感光纖根據(jù)寫入的寬帶弱反鏡陣列使1365nm的泵浦激光相干反饋產(chǎn)生1455nm的隨機(jī)激光，增加1365nm泵浦光的功率，所述隨機(jī)激光對(duì)調(diào)制后的脈沖信號(hào)提供分布式拉曼放大，得到反射光；所述反射光經(jīng)波分復(fù)用器從環(huán)形器單向傳輸至探測(cè)器；所述探測(cè)器采集反射光信號(hào)，并將反射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，所述解調(diào)模塊從該數(shù)字信號(hào)中解調(diào)出相位信息；通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)相位信息進(jìn)行分析，得到傳感光纖的擾動(dòng)情況。

采用多波長(zhǎng)光學(xué)信道同時(shí)注入同時(shí)解調(diào)的技術(shù)提高聲波傳感的信噪比和靈敏度。

該第一調(diào)制器為聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器。

基于該傳感光纖的聲波傳感系統(tǒng)的工作原理為：探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)激光，該探測(cè)激光通過(guò)聲光調(diào)制器，所述聲光調(diào)制器將探測(cè)激光調(diào)制成脈沖信號(hào)。調(diào)制后的脈沖信號(hào)通過(guò)環(huán)形器單向傳輸進(jìn)入波分復(fù)用器，調(diào)制的1550nm脈沖信號(hào)與泵浦激光器產(chǎn)生的1365nm的泵浦激光信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用器耦合到傳感光纖。所述傳感光纖寫入寬帶弱反鏡陣列，寬帶弱反鏡提供相干反饋，相鄰寬帶弱反鏡干涉返回起始端用于檢測(cè)該相鄰寬帶弱反鏡間由聲波作用帶來(lái)的探測(cè)激光信號(hào)相位差的改變量。所述波分復(fù)用器1365nm端注入1365nm的泵浦激光，該泵浦激光在寬帶弱反鏡陣列中相干反饋產(chǎn)生1455nm的隨機(jī)激光，增加1365nm泵浦激光的功率，1455nm的隨機(jī)激光會(huì)作為泵浦光對(duì)1550nm的信號(hào)光提供分布式拉曼放大，該分布式拉曼放大可以用于補(bǔ)償寬帶弱反鏡陣列的插入損耗，并對(duì)反饋光進(jìn)行放大，提升光信噪比，進(jìn)而提升探測(cè)靈敏度。

由于隨機(jī)激光放大具有較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(rin)，因此能獲得低噪聲的分布式放大。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。