相位敏感型φ‑OTDR的分布式光纤听音器制造技术

本发明专利技术公开了一种相位敏感型

【技术实现步骤摘要】
相位敏感型φ-OTDR的分布式光纤听音器
本专利技术涉及光纤通信领域，特别是涉及一种相位敏感型光时域反射计的分布式光纤听音器。
技术介绍
分布式光纤听音器与传统电学声音传感器相比，具有频带宽、抗射频干扰(RFI)、探测距高远、能直接接入光传输网络等优点。近30年来，人们对光纤声音传感器进行了深入的研究，发展了大量的声音传感器及其相关技术，包括基于布拉格光栅的光纤声音传感技术，基于光纤干涉仪的光纤传感技术等。其传感性能已经达到了较高的水平，然而这些传感器大都属于点式传感器，存在布网难度大的问题。从经济和实用的角度出发，研制一款分布式的光纤声音传感器具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于相位敏感型光时域反射仪(-OTDR)的光纤传感技术来实现分布式声音传感，并进行了传感系统的搭建，实现听音器的声音还原。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：构建基于-OTDR技术进行分布式光纤听音器的理论框架，并搭建传感样机一台。其中，基于-OTDR的原理，我们对影响传感系统性能的各种参数包括激光器线宽、激光器频率稳定性、注入脉冲峰值功率、声光调制器性能以及信号调节方法进行了分析。光纤传感系统一般由探测光源、传输光纤、传感单元及信号检测等部分组成，依赖于输入光信号到输出调制光信号的转换，其中输出调制光信号携带了一些信息。如图1所示，各种类型的光纤传感器被不断研发和应用于测量温度、压力、位移、振动、转动、弯曲、声场等物理量。声音是一种极其重要的信息载体，其本质是一种压力波，频率和振幅是描述声音的两个必要参数。声音信号作为一种微弱的振动信号在人类日常生活和交流中起了极其重要的作用，其在军事、医疗、水下等领域的监测同样具有十分重要的意义。在声信号探测领域电学的声音传感器一直占主导地位。常用的电学声音传感器有电动式传声器、压电式传声器、电容式传声器和驻极体式传声器。由于这些电学声音传感器都是有源结构，使得其在强电磁干扰、易燃易爆等特殊领域中的应用受到了极大的限制，而且传感端输出的弱电模拟信号不适合远距离传输，因此难以进行遥感遥测。相比传统电学声音传感器，光纤声音传感器有如下优势：（1）光信号具有抗电磁干扰的性能，因此光纤声音传感器可在强电磁干扰的环境下工作；（2）光纤损耗低，使得光纤声音传感器可进行远距离遥感；（3）光纤传感头不带电，本质安全适合于水下及易燃易爆环境应用；（4）体积小、重量收便于安装和隐蔽；（5）光纤耐腐蚀，可于特殊的恶劣环境中铺设。综合上述优点，光纤声音传感器在建筑结构的健康状态监测、变压器局部放电诊断、水声监测、航空航天安全，以及空气中声波的检测等领域有着广泛的应用前景领域。本专利技术提出了-OTDR技术的分布式光纤听音器的信号处理方法。附图说明图1是本专利技术分布式光纤听音器光纤传感器基本工作原理图；图2是本专利技术分布式光纤听音器系统结构图；图3是本专利技术分布式光纤听音器激光器线宽测试图；图4是本专利技术分布式光纤听音器正交调节过程。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。请参阅图2，本专利技术采用的光源为窄线宽单频光纤激光器，参数为1550nm，1kHz的连续光，经分束器分为两路，其中5%的光为本振光，95%的光作为探测光。探测光经过光纤声光调制器进行调制，声光调制器参数为：移频150MHz，脉宽30ns。传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器与本振光经过50:50的耦合器进行拍频，拍频信号经过双平衡探测器（DB-PD）转换为模拟电信号。随后数据采集卡对模拟电信号进行模数转换，并进入工控机处理信息。在分布式传感系统中为了尽可能的提高传感系统的传感距离，应使光波尽可能的远距离传播，需要使光的衰减减小，故采用1550nm的光源波长。因采用后向瑞利散射光相干干涉，故要求注入脉冲光的相干性足够，这样才可以使灵敏度提高。假设第i个散射点的散射光场表示为：脉冲宽度内的干涉光强度为：假设单频激光光源的光场表达式为，中心频率为，谱宽为，根据准单色光源独立传播原理，可以将其在频域进行分解，将其进行傅里叶变换：其频率的功率分布，且为高斯分布。则第i个散射点的散射光场可以再领域上分解为干涉光强可表达为：是关于中心谱线和谱宽的函数，其为高斯函数，积分换算后可得：当=0时，，干涉密度输出达到最大，但是实际情况中＞0，，且输出下降的幅度由决定，越大，其干涉输出的包络下降越迅速。所以应使得尽量小，本专利技术中我们使用的光纤激光器现款测试结果如图3所示，现款为3.03kHz。对光源的另一个要求是频率漂移低，因为系统采用想干外差接收，频率表飘逸会转化为接收信号光的相位上，使系统的基底噪声增大。假设激光器出射的相邻两个脉冲的频率漂移量为，在第一个周期，脉冲光的频率为，对于第L米处的散射光，光脉冲从入纤到瑞利散射回到探测器，其相位延迟可以表示为在第二个周期，脉冲光的频率为，对于第L米处的散射光，光脉冲从入纤到瑞利散射回到探测器，其相位延迟可以表示为：在系统无任何扰动的情况下，在第L米处的散射点带来附加相位噪声为：随着传感位置的后移，由于频率抖动带来的相位噪声就越大，所以激光器的频率稳定性对系统噪声抑制至关重要。在OTDR传感系统中，系统的传感距离与注入脉冲光的脉冲功率有关，脉冲的功率越高，系统传感距离越远。要提高脉冲功率，可以采取两种方法提高脉冲宽度和提高脉冲峰值功率。但提高脉冲宽度将影响系统的空间分辨率，所以实际运用中一般通过提高脉冲峰值功率来提高脉冲功率。但过高的峰值功率会激发非线性效应，使得脉冲功率迅速下降，致使后向散射光强度下降，这将极大的影响了系统信噪比及传感距离大大影响系统传感性能。在光纤非线性效应中，受激布里渊散射阈值最低，对传感的影响最为显著。因此在基于瑞利散射的干涉型分布式光纤传感系统中，首先应尽量避免受激布里渊散射的出现。对脉宽为的脉冲光，注入连续光时的受激布里渊阈值为:其中为受激布里渊散射增益系数，为有效模场面积。位脉冲宽度。脉冲光的受激布里渊阈值为3.8w，在本实验中我们采用的脉冲峰值功率为3.4w。-OTDR分布式声音传感器系统采用光时域反射原理进行定位，为了减少基底光对信号的串扰，注入传感光纤中的必须为消光比较高的脉冲光，直接内调制会发生啁啾效应，造成光信号畸变，需要采用声光调制器（AOM)消光比为50dB，具有更优良的温度稳定性和更好的光点质量。且专利技术采用外差接收法，需要信号光与本振光之间存在频率差，所以采用声光调制器的另一个目的是对探测脉冲光进行移频。另外还要求声光调制器漂移频率稳定，以减少上述分折中的频率扰动引起的相位噪声。后向瑞利投射光信号经双平衡探测器后转换成光电流信号，光电流经由工控机数据采集忙进行模数转换，本专利技术，从光电探测器输出的光电流为：如图4所示，分别乘以频率为的正弦余弦信号，经过一个低通滤波后，得到和两路信号。和两路信号的输出结果分别为：有：和即为我们所求的后向瑞利散射光光幅度值和相位值。若外界没有扰动，则和其不会随时问发生改变，若外界有扰动，则和也将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用相位敏感型

【技术特征摘要】
1.一种利用相位敏感型-OTDR的分布式光纤的听音器的方法，其特征在于，包括：光源为窄线宽单频光纤激光器；采用分束器和声光调制结合处理，转换为模拟电信号，进行新奇处理，减少光源波长，提高相干性高的注入脉冲光；采用的激光光源使光波能实现的远距离传播，光的衰减和色散减小。2.根据权利要求1，提出一种应用声光调制器的使用方法，其特征在于，包括：采用对脉冲光路的限制，降低传感位置后移所带来的相位噪声，提高激光器的频率稳定性，致使能够降低系统噪声；调制光电...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏嘉，任晋原，张洁，高佩瑶，
申请(专利权)人：光子瑞利科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11