反射点阵光纤相位敏感OTDR传感系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种反射点阵光纤相位敏感OTDR传感系统及方法，其中系统包括光脉冲发生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口与光纤耦合器的一个端口连接；该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和第二光电探测器。本发明专利技术降低了系统对光源的要求以及提高了系统的信噪比和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感器
，尤其涉及一种反射点阵光纤传感系统及方法。
技术介绍
1993年，H.F.Taylor提出基于振动传感技术，采用极窄线宽激光器光源，通过检测光纤瑞利散射光的干涉作用引起的光功率的波动来感知振动信息，实现动态应变的监测获得3.3dB信噪比，空间分辨率为400m，1998年Shztalin等使用半导体脉冲激光器作为光源利用中由温度变化引起的光相位变化，在21m长的单模光纤上实现0.7m的分辨率。谢孔利等提出基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的分布式光纤传感系统，激光器输出功率为50mW，线宽不小于3kHz，该系统只使用一级放大,降低了自发辐射噪声，有效提高信噪比至12dB。具有灵敏度高、响应速度快、实时性好和全分布式的特点，与传统振动传感器相比它具有更广阔的应用空间例如安防、输油管道泄漏预警及大型建筑物的结构监测等。传统的因其优良的综合性能成为了目前最主要的入侵和振动分布式传感监控方法之一，但其系统中对于光源要求比较高，为增强系统的空间分辨率以及灵敏度，光源必须具有窄线宽特性且需要有低频率漂移特性，然而极窄线宽降低了检测光的光强使得后向散射曲线发生湮灭，从而在长距离传感中，采用大功率超窄线宽单模光纤激光器作为光源，但是大功率的光源会引起布里渊散射以及拉曼散射等非线性效应。瑞利散射光的频率与入射波长一致，散射光比入射光弱60dB以上，故而传统系统中进行干涉的瑞利散射信号强度很弱，同时受到系统激光相位噪声、光偏振以及探测点噪声的影响，引起瑞利散射的随机波动，从而降低了系统的信噪比。
技术实现思路
本专利技术的目的在于降低系统对光源的要求以及提高系统的信噪比和传感灵敏度。为实现上述目的，本专利技术提供一种反射点阵光纤传感系统，包括光脉冲发生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口与光纤耦合器的一个端口连接；该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器并联在光纤耦合器、数据采集与控制卡之间，射频信号源连接在调制光脉冲发生器器、数据采集与控制卡之间。本专利技术所述的反射点阵光纤传感系统中，所述光脉冲发生器包括脉冲激光光源，通过该脉冲激光光源直接产生光脉冲；或者所述光脉冲发生器包括激光光源以及光开关或声光调制器，或者电光调制器，激光光源发出的光通过调制形成光脉冲。本专利技术所述的反射点阵光纤传感系统中，所述反射点阵列包括多个串联折射率突变点和光纤段，其中折射率突变点和光纤段交替排列。本专利技术所述的反射点阵光纤传感系统中，多个折射率突变点的反射谱交叠。本专利技术所述的反射点阵光纤传感系统中，光纤段的长度相等。本专利技术所述的反射点阵光纤传感系统中，所述延时器为延时光纤，且延时光纤的长度与所述光纤段的长度相同。本专利技术所述的反射点阵光纤传感系统中，所述折射率突变点为布拉格光栅，或者为啁啾光栅，或者为由激光照射光纤所形成的折射率突变点。本专利技术还提供了一种反射点阵光纤传感方法，该方法包括以下步骤：光脉冲发生器发出光脉冲光脉冲进入到环形器的第一端口，环形器的第二端口出射的光脉冲进入反射点阵列，该反射点整列包括多个反射点；由第一反射点反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过光纤耦合器的第一端口输入，从第五端口输出通过延时器并由第一法拉第旋转镜反射；由第二反射点反射的光时域反射信号由环形器的第三端口输出经过光纤耦合器的第一端口输入，从第四端口输出后通过第二法拉第旋转镜反射；经两个法拉第旋转镜反射后的两束光脉冲在光纤耦合器处发生干涉，产生第一光时域反射干涉信号，第一光时域反射干涉信号由耦合器的第二、三端口分别进入两路光电探测器变为电信号输出；当第一反射点与第二反射点之间的光纤段受到振动时，第一干涉信号经过第一光电探测器和第二光电探测器分别输出给数据采集与控制卡进行解调；光脉冲进入反射点阵列的其他反射点后会重复以上过程，产生相应的干涉信号，由于多个干涉信号的接收时间不一样，因此分别测到不同相邻反射点之间的光脉冲所产生的干涉信号,以依次解调出不同光纤段上所受到的外界振动。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术利用反射点阵代替瑞利散射，将其所反射的光脉冲作为探测信号，相对于传统的系统中进行干涉的瑞利散射光信号，光强增加了3个数量级以上，降低了系统中随机噪声以及光偏振涨落所带来的影响，而且光路中无需采用放大系统对信号进行放大从而避免了放大系统所引起的系统噪声，从而提高了系统的信噪比以及传感灵敏度，本专利技术采用常见的激光器作为光源降低了对激光器具有极窄线宽和较小频率漂移的要求，降低了系统成本。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例反射点阵光纤传感系统的结构示意图。图中：1-激光光源，2-调制器，3-环形器，3.1-环形器第一端口，3.2-环形器第二端口，3.3-环形器第三端口4-反射点阵列，5-光纤耦合器,5.1-光纤耦合器第一端口，5.2-光纤耦合器第二端口，5.3-光纤耦合器第三端口，5.4-光纤耦合器第四端口，5.5-光纤耦合器第五端口，6-第一法拉第旋转镜，7-光纤延时线，8-第二法拉第旋转镜，9-第一光电探测器，9.1-第一光电探测器光输入口，9.2-第一光电探测器电输出口，10-第二光电探测器，10.1-第二光电探测器光输入口，10.2-第二光电探测器电输出口，11-数据采集与控制卡，11.1-数据采集与控制卡第一输入口，11.2-数据采集与控制卡第二输入口，11.3-数据采集与控制卡的控制口，12-射频信号源，12.1-射频信号源信号输出口，12.2-射频信号源控制端。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例反射点阵光纤传感系统，包括光脉冲发生器(包括激光光源1和调制器2)、环形器3、光纤耦合器5和反射点阵列4，调制器2与激光光源1连接，环形器3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射点阵光纤传感系统，其特征在于，包括光脉冲发生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口与光纤耦合器的一个端口连接；该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器并联在光纤耦合器、数据采集与控制卡之间，射频信号源连接在光脉冲发生器、数据采集与控制卡之间。

【技术特征摘要】
1.一种反射点阵光纤传感系统，其特征在于，包括光脉冲发
生器、环形器、光纤耦合器和反射点阵列，环形器的第一端口与光脉冲发生
器的输出端连接，环形器的第二端口与反射点阵列连接；环形器的第三端口
与光纤耦合器的一个端口连接；
该传感系统还包括第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，均与光纤耦
合器连接，且第二法拉第旋转镜与光纤耦合器之间还连接有延时器；经两个
法拉第旋转镜反射后的光信号在光纤耦合器处发生干涉；
该传感系统还包括数据采集与控制卡、射频信号源、第一光电探测器和
第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器并联在光纤耦合器、数
据采集与控制卡之间，射频信号源连接在光脉冲发生器、数据采集与控制卡
之间。
2.根据权利要求1所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在
于，所述光脉冲发生器包括脉冲激光光源，通过该脉冲激光光源直接产生光
脉冲；或者所述光脉冲发生器包括激光光源以及光开关或声光调制器，或者
电光调制器，激光光源发出的光通过调制形成光脉冲。
3.根据权利要求1所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在
于，所述反射点阵列包括多个串联的折射率突变点和光纤段，其中折射率突
变点和光纤段交替排列。
4.根据权利要求3所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在
于，多个折射率突变点的反射谱交叠。
5.根据权利要求3所述的反射点阵光纤传感系统，其特征在
于，光纤段的长度相等。
6.根据权利要求5所述的反射点阵光纤传感系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：周次明，李怡，范典，文泓桥，周爱，姜德生，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42