基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法，属于分布式光纤传感器技术领域，包括光源模块、调制模块、延迟模块、耦合模块、脉冲放大模块、前置放大模块、分光系统、干涉模块、信号检测模块、数据处理终端。本发明专利技术使用多个光源组合，在一个周期T内注入n个波长的光，通过光纤延迟线控制延迟时间，使光脉冲按照特定顺序依次注入传感光纤，这n个光脉冲产生的后向瑞利散射光通过不同中心反射波长的光栅分开，进入光电探测器后进行光电转换，通过AD采集后得到n条彼此相互独立的OTDR曲线，通过解调n条OTDR曲线，得到n个重复频率为f的相位信息，将n条解调后曲线经过数组交织形成最终结果。

Distributed Optical Fiber Sensing System and Method Based on Multi-Pulse and Multi-Wavelength

The invention discloses a distributed optical fiber sensor system and method based on multi-pulse and multi-wavelength, belonging to the technical field of distributed optical fiber sensor, including light source module, modulation module, delay module, coupling module, pulse amplification module, pre-amplification module, light splitting system, interference module, signal detection module and data processing terminal. The invention uses a combination of multiple light sources to inject n-wavelength light in a period T, and controls the delay time by optical fiber delay line, so that the optical pulse is injected into the sensing fiber in a specific order. The backward Rayleigh scattering light generated by these n light pulses is separated by gratings with different central reflection wavelengths, and photoelectric conversion is carried out after entering the photodetector. After collecting by AD, n-to-one can be obtained. This independent OTDR curve demodulates n OTDR curves to obtain phase information with n repetition frequencies of f, and interweaves the N demodulated curves into an array to form the final result.

【技术实现步骤摘要】
基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法
本专利技术属于分布式光纤传感器
，尤其涉及一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法。
技术介绍
分布式光纤传感是光纤传感领域的一个重要应用，相比于点式传感器，分布式传感器优势明显，其成本低，加工方便等优点得到很多应用的优势，在周界安防，管道检测，地质勘探，分布式测温等领域内已经占有明显的市场优势，它可以实时的检测光缆沿线的振动、温度、应变等物理量，市场前景良好。目前，分布式测量的系统主要基于后向散射原理，这种系统的原理是利用后向散射光的性质变化来实现探测，包括后向散射光的相位、偏振态、频率变化等。常用的原理包括相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR),偏振敏感型光时域反射仪(P-OTDR)，布里渊光时域反射仪(B-OTDR)，拉曼光时域反射仪(R-OTDR)。其中相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR)尤其适合长距离，高空间分辨率，高信噪比的使用场合。可用于振动探测、声音传感、周界安防等领域。Φ-OTDR的基本原理是通过解调光纤中注入的脉冲光产生的后向瑞利散射光的相位变化来实现相位解调。当振动等作用到光纤上时，这个力将会改变光纤轴向上的折射率，进一步引起该位置的光相位发生变化，通过分析光相位变化即可得到振动信号。目前常用的分布式传感系统中，常见的探测解调方案包括3×3耦合器解调、相位生成载波解调方案、数字相干解调方案，这些方案中每次注入传感光纤中的光脉冲最多只有一个。因为若注入超过多个光脉冲，前一个光脉冲产生的后向瑞利散射光会与后一个产生的瑞利散射光发生混叠，表现为两个脉冲的后向瑞利散射光强的一部分发生重复，无法解调出重复部分的相位。因此随着光纤长度的增加，脉冲的最大重复频率会降低，最大重复率与光纤长度关系为f＝2nl/c，其中n为光纤有效折射率。Φ-ODTR系统中注入光纤中的一个个光脉冲，本质是对光纤上个点位置的离散采样，因此根据香农采样定律，该系统对振动信号的最大探测频率为nl/c。实际情况中，由于振动信号几乎不可能为单频信号，故实际探测最大频率通常为nl/2c。在一个100Km系统中，计算所得最大重复频率为1KHz，在不进行降采样实际探测最大频率仅仅为250Hz，这对于高频振动及声波的探测是无法实现的。若在保证探测最大频率的情况下则需要10套10Km系统，这将极大提高系统成本。使用单光源配合移频器结合平衡探测器解调等方案将单光源功率分光N次后，功率将下降至信噪比将随着N增加快速劣化。同时使用N个不同步信号控制N个不同频移器也提高了系统复杂度与成本，且不加入混频器滤波器等电路器件。而采用全光方案结合多光源，不使用光功率分配器件，不会造成单个脉冲功率下降。使用光栅与环形器的结合使不同波长的光在空间上分开，同时解调使用光纤干涉仪，相比于平衡探测器的方案，有效减少电路器件，更有利于提高系统抗电磁辐射能力。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法；本专利技术使用多个光源组合，其中心波长略有差异，相比于传统φ-ODTR系统，该方案在一个周期T内注入n个波长的光。每个波长的光通过光纤延迟线控制，通过控制延迟时间，使光脉冲按照的顺序依次注入传感光纤，这n个光脉冲产生的背向瑞利散射光通过不同中心反射波长的光栅分开，进入光电探测器后进行光电转换，通过AD采集后得到n条OTDR曲线，这些曲线彼此相互独立，时间上存在间隔，通过解调n条OTDR曲线，得到n个重复频率为f的相位信息，将n条解调后曲线经过数组交织形成最终结果，根据香农采样定理可知，实际解调方案其探测信号最大频率提高至n倍。本专利技术的目的之一在于提供一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统，包括光源模块，包括中心波长互不相同的n个窄线宽激光光源；n为大于1的自然数；调制模块，包括n个光纤光调制器和一脉冲信号发生器，每个光纤光调制器的输入端与一个窄线宽激光光源的光源输出端子相耦合，上述脉冲信号发生器的信号输出端子与n个光纤光调制器的调制端子电连接；上述光纤光调制器将窄线宽激光光源输出的光源调制为脉冲光；延迟模块，包括n-1根光纤延迟线；每根光纤延迟线的延迟时间互不相同，且每根光纤延迟线的延迟时间为m为从0到n-1的整数；f为脉冲信号发生器的脉冲重复频率；耦合模块，包括一n×1光纤耦合器，上述n个光纤光调制器的一个输出端通过光纤与n×1光纤耦合器的一个输入端相耦合，上述n个光纤光调制器的其他n-1个输出端分别通过1根光纤延迟线与n×1光纤耦合器的一个输入端相耦合；脉冲放大模块，包括一脉冲光放大器，该脉冲光放大器的信号输入端子与n×1光纤耦合器的信号输出端子通过光纤连接；前置放大模块，包括一前置放大器，上述脉冲光放大器的信号输出端子依次通过起偏器、环形器A后分别与传感光纤、前置放大器的信号输入端子连接；分光系统，包括n组分光模块，每组分光模块包括一个环形器B和一个光纤光栅，每组分光模块的环形器B和光纤光栅通过光纤连接，n组分光模块通过光纤依次串接，n个光纤光栅反射的中心波长分别等于n个窄线宽激光光源的中心波长；前置放大器的信号输出端子通过光纤与第一分光模块的环形器B的信号输入端子连接；干涉模块，包括与n个环形器B一一对应的n个光纤干涉组件，每组光纤干涉组件由一个2×2光纤耦合器、一个3×3光纤耦合器和两个法拉旋转镜构成迈克尔逊干涉仪；信号检测模块，包括n个光电探测器，每个光电探测器对应一个光纤干涉组件；数据处理终端，用于接收信号检测模块的输出信号，并对信号进行分析处理。进一步：上述窄线宽激光光源的带宽小于1KHZ。进一步：针对于每个光纤干涉仪组件：上述2×2光纤耦合器包括输入端子A(20)、输入端子B(27)、输出端子A(25)和对接端子A；上述3×3光纤耦合器包括两个输入端子C、输入端子D(28)、输出端子C(24)、输出端子D(26)、对接端子B；上述对接端子A和对接端子B通过光纤连接，上述输入端子B(27)、输入端子D(28)通过连接损耗器件空置；上述两个输入端子C分别连接一个法拉第旋转镜(23)。进一步：上述脉冲频率f的范围是1μHz至10Mhz，脉冲持续时间小于进一步，上述数据处理终端包括模数转换模块和解调分析机。本专利技术的目的之二在于提供一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统的方法，至少包括如下步骤：步骤一：n个窄线宽激光光源发出n个中心波长依次为λ1,λ2…λn的激光，每个光源连接一个光纤光调制器，n个光纤光调制器连接同一个脉冲信号发生器，脉冲信号发生器和光纤光调制器将连续光调制为脉冲光；步骤二：在延迟模块的作用下，将除λ1外的其他n-1个脉冲光经过不同的光纤延迟线产生不同的时间延迟，λ1,λ2…λn分别延迟步骤三：n个脉冲光经过延迟后经过n×1耦合器后进入脉冲放大器，进行脉冲功率放大；步骤四：放大后的n个脉冲光经过起偏器后变成线偏振光，随后经过环形器A注入传感光纤；步骤五：从环形器A第三端口返回的后向瑞利散射光进入前置放大器，前置放大器对后向瑞利散射光进行放大处理；步骤六：放大后的后向瑞利散射光进入分光系统，分光系统中的每个分光模块反射一个特定中心波长的光波，透射其他光波，进而将不同中心波长的光分开；步骤七：分开后的各个中心波长的向瑞利散射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统，其特征在于：至少包括：光源模块，包括中心波长互不相同的n个窄线宽激光光源；n为大于1的自然数；调制模块，包括n个光纤光调制器和一脉冲信号发生器，每个光纤光调制器的输入端与一个窄线宽激光光源的光源输出端子相耦合，上述脉冲信号发生器的信号输出端子与n个光纤光调制器的调制端子电连接；上述光纤光调制器将窄线宽激光光源输出的光源调制为脉冲光；延迟模块，包括n‑1根光纤延迟线；每根光纤延迟线的延迟时间互不相同，且每根光纤延迟线的延迟时间为

【技术特征摘要】
1.一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统，其特征在于：至少包括：光源模块，包括中心波长互不相同的n个窄线宽激光光源；n为大于1的自然数；调制模块，包括n个光纤光调制器和一脉冲信号发生器，每个光纤光调制器的输入端与一个窄线宽激光光源的光源输出端子相耦合，上述脉冲信号发生器的信号输出端子与n个光纤光调制器的调制端子电连接；上述光纤光调制器将窄线宽激光光源输出的光源调制为脉冲光；延迟模块，包括n-1根光纤延迟线；每根光纤延迟线的延迟时间互不相同，且每根光纤延迟线的延迟时间为m为从0到n-1的整数；f为脉冲信号发生器的脉冲重复频率；耦合模块，包括一n×1光纤耦合器，上述n个光纤光调制器的一个输出端通过光纤与n×1光纤耦合器的一个输入端相耦合，上述n个光纤光调制器的其他n-1个输出端分别通过1根光纤延迟线与n×1光纤耦合器的一个输入端相耦合；脉冲放大模块，包括一脉冲光放大器，该脉冲光放大器的信号输入端子与n×1光纤耦合器的信号输出端子通过光纤连接；前置放大模块，包括一前置放大器，上述脉冲光放大器的信号输出端子依次通过起偏器、环形器A后分别与传感光纤、前置放大器的信号输入端子连接；分光系统，包括n组分光模块，每组分光模块包括一个环形器B和一个光纤光栅，每组分光模块的环形器B和光纤光栅通过光纤连接，n组分光模块通过光纤依次串接，n个光纤光栅反射的中心波长分别等于n个窄线宽激光光源的中心波长；前置放大器的信号输出端子通过光纤与第一分光模块的环形器B的信号输入端子连接；干涉模块，包括与n个环形器B一一对应的n个光纤干涉组件，每组光纤干涉组件由一个2×2光纤耦合器、一个3×3光纤耦合器和两个法拉旋转镜构成迈克尔逊干涉仪；信号检测模块，包括n个光电探测器，每个光电探测器对应一个光纤干涉组件；数据处理终端，用于接收信号检测模块的输出信号，并对信号进行分析处理。2.根据权利要求1所述基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统，其特征在于：上述窄线宽激光光源的带宽小于1KHZ。3.根据权利要求1所述基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统，其特征在于：针...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐少峥，
申请(专利权)人：徐少峥，
类型：发明
国别省市：天津,12