相干光时域反射装置和分布式光纤传感器制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种相干光时域反射装置，包括：相干光源单元；耦合到被测光纤链路的一端的光学耦合单元；光学检测单元，耦合到所述光学耦合单元以接收所述反射探测光，所述光学检测单元包括光学干涉仪和光学探测器；设备控制器，其耦合到所述光学检测单元，提取关于声音或振动或应变相关特性的空间分布的信息。本发明专利技术通过设备控制器提取关于声音或振动或应变相关特性的空间分布的信息，作为沿所述被测光纤链路的与距离相关的分布参数，用来计算声音或震动或受力与所述传感光纤有关的特性，并获取有关测量信息。

Coherent optical time domain reflectometry device and distributed optical fiber sensor

The invention relates to a coherent optical time-domain reflection device, including: a coherent light source is optically coupled to the coupling unit; one end of the unit test the fiber link; optical detection unit is coupled to the optical coupling unit for receiving the reflected probe, the optical detection unit comprises an optical interferometer and optical detector equipment; the controller, which is coupled to the optical detection unit, the spatial distribution of information extraction on characteristics of sound or vibration or strain. The spatial distribution information of the invention to extract the relevant characteristics of sound or vibration or strain through the device controller, as is along the distance related distribution parameters to test the fiber link, used to calculate the sound or vibration or force and the relevant characteristics of the sensing fiber, and obtain the relevant measurement information.

【技术实现步骤摘要】
相干光时域反射装置和分布式光纤传感器
本专利技术涉及光纤和应力、弯曲等方面在光纤上的分布的测量技术，特别是一种相干光时域反射装置和分布式光纤传感器。
技术介绍
光纤在使用中会受到弯曲、受力和内应力的影响。例如，用于光网络或者光通信网络连接，都会受到光纤弯曲或应力损失，这些都会对光纤的可靠性和寿命造成影响。这种弯曲或受力目前普遍都是通过目前市场上商用的1310nm或1550nm的光时域反射计(OTDROpticalTimeDomainReflectometer)等设备来测量。众所周知，在光通信国际标准化采用的单模光纤或者光缆，用于光传感和光检测系统时，接收到的声音或震动或受力等各种信号，可以通过光时域反射计进行测量，测量波长一般为1550nm，或者在通信常用的波长1250～1650nm之间，在测量中区分声音或者震动或者受力来自什么样的侵入，例如人为噪声、人跑动或走动引起的震动、车辆行驶引起震动、机器挖掘等等，采用已知波长，通过测量不同距离和位置的光纤中的光相位或光程的不同信息来感知到。该传统的技术还可进一步用于石油或天然气勘测中的地震震源测量等。这种测量方法的一个主要原理，是基于干涉仪的方法，因而对于多数已经安装的电信光纤来说，震动、声音和受力信号都可以包含在光相位或光程差当中。虽然传统的OTDR测量方法，能够分辨光纤损耗和光纤长度，但是不能在传感光纤上提供声音或震动或受力特征，因为传统的OTDR设备测量光的相位或延迟相干性不足，不能测量高频的声音或震动或受力，例如10Hz到几kHz的频率。为了恰当地表示传感光纤上的声音或震动或受力信号，很重要的一点是光纤局部的相位和光程、信号振幅、频率等；比如说用于通信传感光纤光缆，采用G.652或G.657，或任意单模光纤(SMF)甚至多模光纤(MMF)；都是可以准确的判断沿着或者闭合光纤上任何声音或震动或受力信号的；然而，传统OTDR测量技术无法实施这样的测量。
技术实现思路
基于此，有必要针对传统OTDR测量技术无法对传感光纤提供声音或震动或受力特征的问题，提供一种相干光时域反射装置和分布式光纤传感器，其中，所述一种相干光时域反射装置，包括：相干光源单元，用于产生相干探测光；耦合到被测光纤链路的一端的光学耦合单元，用于将所述相干探测光引导到所述被测光纤链路中，并接收来自所述被测光纤链路的反射探测光；光学检测单元，耦合到所述光学耦合单元以接收所述反射探测光，所述光学检测单元包括光学干涉仪和光学探测器，所述光学干涉仪沿着不同光路处理所述反射探测光，使之形成由于反射光沿不同路径不同光程而不同的光输出信号；所述光学探测器分别在不同的光路中接收来自所述光学干涉仪的所述光输出信号；设备控制器，其耦合到所述光学检测单元，用于从所述光学探测器接收探测器输出信号，并处理所述探测器输出信号，以提取关于声音或振动或应变相关特性的空间分布的信息，作为沿所述被测光纤链路的与距离相关的分布参数。本专利技术所提供的相干光时域反射装置，使用相干光源单元、光学耦合单元，光学检测单元和设备控制器，将所述光学耦合单元其连接用于测量的传感光纤(S-FUT)，用来将探测光导入所述传感光纤S-FUT，并在同一端接收和探测从S-FUT返回来的探测光，通过设备控制器提取关于声音或振动或应变相关特性的空间分布的信息，作为沿所述被测光纤链路的与距离相关的分布参数，用来计算声音或震动或受力与所述传感光纤有关的特性，并获取有关测量信息。附图说明图1是一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1A是另一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1B是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1C是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1D是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1E是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1F是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1G是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1H是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1I是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图1J是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图2是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图2A是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图3是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图3A是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图3B是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图4是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图；图4A是再一个实施例的相干光时域反射装置的结构示意图。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。基于传统技术中传统OTDR测量技术无法对传感光纤提供声音或震动或受力特征的问题，需要一种用于表征作为沿着感测光纤电缆(S-FUT)的距离的参数的，表征声音或振动或应变相关的光纤特性的新方法，例如，传感光纤的末端，可用于光传感网络的现场监测、测试和测量，例如沿油管或天然气管道或井等。一种测量光纤声音或震动或受力的方法是：测量其引起的光纤长度或者光学相位或光程延迟变化或震动，其中光纤长度或光相位能够通过光纤震动或活动或受拉或受压而引发，而且是和声音或震动或拉力成比例，也和这些事件的频率有关；因此可知被测对象的振幅和频率。而传统的测试方法只能确定相关信号强度，例如以正弦函数不能准确提供信号频率和振幅，传统的方法会限制激光器一致性会因干扰而降低信号以至于信噪比很差。本专利公开了用于测量分布式光相位或光程长度或光程的变化，以及声振动或张力的分布式测量，包括声音或震动的强度、频率信息等；在光纤上至少两个不同距离点(也就是位置)之间，就构成了光传播的光程，例如一段用于光传感或光纤网络的光纤或光缆。本文公开的例子使用一个光输入单元和一个光输出单元，其一端连接一个用于测量的传感光纤(S-FUT)，用来将探测光导入S-FUT，并在同一端接收和探测从S-FUT返回来的探测光。所公开的技术包括一个光输入单元连接到S-FUT，用来发射至少一种波长的两个或更多光脉冲进入到S-FUT，一个光输出单元连接到S-FUT同一端，用来接收来自S-FUT的光信号并提取传感信息。收到的光被分析并提取包含输出光功率或光相位或光延迟的信息，并处理接收的光转换成相应的电子信号，以获得沿着上S-FUT每个位置的信息。一个处理单元可用来计算来自S-FUT不同距离的与光脉冲相关的不同光功率或光相位或光延迟参数的差别，例如，脉冲数n+k和脉冲数n，分别地，这里n和k可以是任何整数值；测量到的脉冲对对应的功率或相位或延迟的参数对应着光纤上声音或震动或受力特征。处理单元也可用来计算声音或震动或受力与S-FUT有关特性(例如，声音或震动或受力的强度等)，包括至少一种上述光纤扰动事件参数值预定的函数或预先设定的结果，例如基于振幅、频率和一个处理单元对声音或震动或受力有关光纤特性更进一步的计算。本专利提供的技术实施例，还包括光纤声音或震动或受力或光相位或延迟长度的信息的仪器校准或使用校正操作，用来准确测量S-FUT的声音或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相干光时域反射装置，其特征在于，包括：相干光源单元，用于产生相干探测光；耦合到被测光纤链路的一端的光学耦合单元，用于将所述相干探测光引导到所述被测光纤链路中，并接收来自所述被测光纤链路的反射探测光；光学检测单元，耦合到所述光学耦合单元以接收所述反射探测光，所述光学检测单元包括光学干涉仪和光学探测器，所述光学干涉仪沿着不同光路处理所述反射探测光，使之形成由于反射光沿不同路径不同光程而不同的光输出信号；所述光学探测器分别在不同的光路中接收来自所述光学干涉仪的所述光输出信号；设备控制器，其耦合到所述光学检测单元，用于从所述光学探测器接收探测器输出信号，并处理所述探测器输出信号，以提取关于声音或振动或应变相关特性的空间分布的信息，作为沿所述被测光纤链路的与距离相关的分布参数。

【技术特征摘要】
2016.02.10 US 62/293,6851.一种相干光时域反射装置，其特征在于，包括：相干光源单元，用于产生相干探测光；耦合到被测光纤链路的一端的光学耦合单元，用于将所述相干探测光引导到所述被测光纤链路中，并接收来自所述被测光纤链路的反射探测光；光学检测单元，耦合到所述光学耦合单元以接收所述反射探测光，所述光学检测单元包括光学干涉仪和光学探测器，所述光学干涉仪沿着不同光路处理所述反射探测光，使之形成由于反射光沿不同路径不同光程而不同的光输出信号；所述光学探测器分别在不同的光路中接收来自所述光学干涉仪的所述光输出信号；设备控制器，其耦合到所述光学检测单元，用于从所述光学探测器接收探测器输出信号，并处理所述探测器输出信号，以提取关于声音或振动或应变相关特性的空间分布的信息，作为沿所述被测光纤链路的与距离相关的分布参数。2.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述相干光源单元，包括：光源，用于发出探测光；调制器，用于接收所述光源发出的所述探测光，并对所述探测光进行调制；第一光纤放大器，用于接收所述调制器调制后的探测光，并对所述调制后的探测光进行放大；第一滤波器，用于接收所述第一光纤放大器的输出光，并向所述光学耦合单元输出滤波后的探测光。3.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述被测光纤链路，包括：传感光纤，在所述被测光纤链路末端，用于感测声音或震动或应变对所述传感光纤产生的影响；参考光纤，连接在所述传感光纤和所述光学耦合单元之间，用于为整个装置提供判断传感事件的参考。4.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述光学耦合单元，包括：第一光环行器，所述第一光环行器的第一光端口用于接收所述相干光源单元的所述探测光，所述第一光环行器的第二光端口耦合到所述被测光纤链路，所述第一光环行器的第三端口耦合到所述光学检测单元。5.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述光学检测单元，还包括：光偏振控制器，用于在不同光路中，接收所述光学干涉仪的不同光路上的光输出；光起偏器，分别位于相应的所述光偏振控制器下游的各个光路中，以分别向所述光学探测器产生偏振输出信号；则所述光学探测器分别在不同的光路中接收来自所述光学干涉仪的所述光输出信号，还包括：所述光学探测器连接在各个所述光起偏器下游的各个光路中，用于接收所述偏振输出信号并产生相应的电信号输出。6.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其中所述光学检测单元，还包括：耦合到所述光学干涉仪的相位调制器，以调整或调制所述光学干涉仪内的不同光路之间的光学相位差。7.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述光学检测单元，还包括：所述光学干涉仪和所述光学耦合单元之间的第二光纤放大器，用于接收所述光学耦合单元的所述反射探测光，并产生第二光纤放大器输出光；第二滤波器，用于接收所述第二光纤放大器输出光，并产生第二滤波器输出光到所述光学干涉仪。8.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述光学干涉仪，包括：两个光纤耦合器，分别为N'×N耦合器和M'×M耦合器，其中N'、N和M'、M分别为耦合器的端口数，分别为大于1的整数；所述M'×M耦合器的M端与所述光学耦合单元连接，用于接收所述光学耦合单元的所述反射探测光；所述M'×M耦合器的M'端与所述N'×N耦合器的N端相连接，用于将接收到的所述反射探测光输入到所述N'×N耦合器并形成干涉。9.根据权利要求8所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述N'×N耦合器和M'×M耦合器分别为3×2耦合器和2×1耦合器。10.根据权利要求6所述的相干光时域反射装置，其特征在于，将所述相位调制器更换为偏振调制器。11.根据权利要求10所述的相干光时域反射装置，其特征在于：在所述光学干涉仪内的非偏振调制的光路上，还包括延迟调制器。12.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述光学探测器，包括：偏振差异探测器，用于接收来自所述光学干涉仪的输出光，并产生电信号输出；第一加法器，用于接收并处理所述偏振差异探测器产生的所述电信号输出，并将处理结果输入到所述设备控制器中。13.根据权利要求1所述的相干光时域反射装置，其特征在于，还包括：在所述光学探测器和所述设备控制器之间的第二加法器，用于对各个所述光学探测器输出的电信号进行处理后，将处理结果输入到所述设备控制器中。14.根据权利要求7所述的相干光时域反射装置，其特征在于，其中所述光学检测单元，还包括：相位调制器，连接在所述光学干涉仪内的第一光路中，用于对所述第一光路中的光进行相位调制；偏振调制器，连接在所述光学干涉仪内的第二光路中...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚晓天，陈洪新，
申请(专利权)人：通用光迅光电技术北京有限公司，北京高光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11