一种低反射倾斜光栅阵列同Φ‑OTDR相结合的光纤振动传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低反射倾斜光栅阵列同Φ‑OTDR相结合的光纤振动传感系统。系统将低反射倾斜光栅阵列以相同的间距接入传感光纤中，且该间距的选取要同本Φ‑OTDR光纤传感系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，低反射倾斜光栅的反射率要求在1％以下，倾角为10°以下，利用低反射倾斜光栅的反射谱特性，可以达到提升Φ‑OTDR光纤振动传感系统的信噪比和灵敏度的效果的同时，具有对环境温度、应变不敏感的良好特性。

【技术实现步骤摘要】
一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统
本专利技术涉及基于Φ-OTDR的光纤振动传感系统
，主要是对传感光纤结构的改进，具体涉及一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统。
技术介绍
在Φ-OTDR光纤振动传感系统中，窄线宽激光器发出的连续光波经由脉冲调制和光放大后，通过环形器注入传感光纤。Φ-OTDR中注入光纤的光是强相干的，因此该系统的输出就是脉冲宽度范围内后向散射瑞利光相干涉的结果。假定传感光纤处于理想状态中，则经由传感光纤返回的后向瑞利散射波形应是恒定不变的，如果在传感光纤中的某一点加入微扰，那么传感光纤在该点的折射率就会发生改变，这将导致该位置处光相位发生改变，由于干涉作用，其相应的后向瑞利散射光光强会发生改变。通过探测器探测后向瑞利散射光，并将不同时刻的后向瑞利散射光曲线相减来检测这种效应，相减的曲线上光强发生变化的时间位置同微扰点的位置相对应，从而也就找到微扰点的位置。由于采用的是窄线宽激光器，因而引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，探测光纤范围的弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。目前，Φ-OTDR的主要性能参数包括动态范围、空间分辨率、误报率和灵敏度等。动态范围是Φ-OTDR系统中一个非常重要的指标，表征了传感光纤能够铺设的最远距离，即系统的最大测量距离。误报率是系统的又一重要性能指标。几乎在所有的振动传感系统中，如何快速而准确地定位出振动信号的位置所在，确定振动的类型，一直是研究的重点，而动态范围和误报率都很大程度上取决于信噪比的高低。灵敏度是指在保证误码率为一定值的情况下，能检测到信号的最低接收平均光功率。在光纤振动传感系统中，灵敏度就是对微弱振动信号的响应能力。普通Φ-OTDR系统中，探测范围和灵敏度都相对较低，这也是亟需解决的关键问题。光纤光栅是一种无源器件，实质上是一种窄带的滤波器或反射镜。当一束宽谱光经过光纤光栅时，满足其光纤光栅布拉格条件的波长的光将发生反射，其余波长的光将透过光纤光栅继续传输。光纤光栅的主要应用是通过对光纤光栅中心波长的漂移量的检测，来测定外界参量如应力、温度等的变化，且不会受到光源功率稳定性的影响。低反射倾斜光栅与普通光栅的不同之处在于其光栅平面与光纤横截面并不平行，而是成一夹角。这种光栅不但可以将入射光部分耦合为后向传导的导模，而且还可将一部分入射光耦合为后向传导的包层模。由于普通光纤光栅的温度、应变的敏感性，随着外界环境温度、应变等因素的改变，光栅中心波长将发生漂移，激光器中心波长也会发生漂移，从而其中心波长与激光器光波长发生偏离，会减弱补偿光功率的作用。而倾斜光栅由于多个包层模的存在，并横跨了一个很宽的波长范围，从而避免了受波长漂移的影响。Φ-OTDR光纤振动传感系统主要应用于现今社会不同场合和不同环境的安防监测，且特别适合于大范围监测。基于其抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、使用周期长以及分布式监测等诸多优点，已成为用于监测和保护国境、军事基地、发电厂、核设施及监狱等的分布式光纤传感防入侵系统中的研究热点。由于该系统的用途非常广泛，要适应各种不同场合和环境，所以需求一种可靠稳定的分布式光纤传感系统，而系统的稳定性问题一直是当今国内外多年研究的重点难点，因此，推进关于Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的环境温度、应变不敏感特性的研究具有非常重要的社会价值。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术旨在提供一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，现有技术由于无法补偿后向瑞利散射而存在最终探测信号的信噪比很低，并且现有的弱反射光纤光栅传感特性主要体现在其中心波长会随外界环境温度、应力等条件的变化而漂移，其整个反射谱的包络线也会随外界环境因素的变化而移动，这会导致探测信号不稳定等问题的产生。本专利技术将低反射倾斜光栅阵列同相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)光纤振动传感系统相结合，通过对传感光纤结构的改进，能够大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，同时系统具有对外界环境的温度、应变等因素不敏感的效果。本专利技术为了实现上述目的采用以下技术方案：一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入低反射倾斜光栅阵列。利用低反射倾斜光栅的反射谱特性，可以达到提升Φ-OTDR光纤振动传感系统的信噪比和灵敏度的效果的同时，具有对环境温度、应变不敏感的良好特性。一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路，其中99％的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA(掺铒光纤放大器)进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1％的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中，其特点在于，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入低反射倾斜光栅阵列或者传感光纤全部为低反射倾斜光栅阵列。上述技术方案中，各个低反射倾斜光栅在传感光纤中要以等间距排布。上述技术方案中，低反射倾斜光栅阵列的每个倾斜光栅反射率、倾角、纤芯模中心波长和带宽等所有参数均相同。上述技术方案中，低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。上述技术方案中，传感光纤采用低反射倾斜光栅阵列。本专利技术中使用的低反射倾斜光栅，亦是利用了其对纤芯模光的反射特性，用以增强后向瑞利散射信号，提高系统信噪比和灵敏度。低反射倾斜光栅同Φ-OTDR光纤振动传感系统相结合，低反射倾斜光栅陈列沿光纤传感线路以同等间距依次排布。当系统的空间分辨率等于低反射倾斜光栅间距的整数倍或相同时，所检测到的信号将是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加，其相应位置的信号幅度较普通Φ-OTDR光纤振动传感系统的大很多。而且由于低反射倾斜光栅的反射谱特性，有一个纤芯模和多个包层模的存在，在外界环境温度、应变变化时，可以在反射谱移动的情况下仍然能达到补偿后向瑞利散射信号的作用。因此，本系统中的信噪比、灵敏度由于增强探测到的信号幅度而得到提升，更能适应对大范围、各种不同环境或者环境不稳定的情况下的监测的应用需求。因为本专利技术采用以上技术方案，所以具备以下有益效果：1.不论倾斜光纤光栅纤芯模及包层模的中心波长随外界环境温度、应力等条件变化而怎样漂移，其整个反射谱的包络线怎样随外界环境因素的变化而移动，本专利技术通过选取最合适的倾斜光栅光纤特性参数，都能够让倾斜光纤光栅的包层模反射信号充分地补偿探测到的后向瑞利散射信号，从而获得系统稳定性显著提升，达到提升Φ-OTDR光纤振动传感系统的信噪比和灵敏度的效果的同时，具有对环境温度、应变不敏感的良好特性；2.能大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，由于信噪比得到了提升，从而也就提高了Φ-OTDR系统的动态范围；特别是在对某些关键部位的振动检测中，通过对该关键段传感光纤的改良，以其经过提高的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低反射倾斜光栅阵列同Φ‑OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入或采用低反射倾斜光栅阵列。

【技术特征摘要】
1.一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入或采用低反射倾斜光栅阵列。2.根据权利要求1所述的低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：还包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路，其中99％的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1％的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中。3.根据权利要求1所述的低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，其特征在于：各个低反射倾斜光栅在传感光纤中要以等间距排布。4.根据权利要求1所述的低反射倾斜光栅阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳慧敏，魏豪，潘志鹏，陈红丽，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51