基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统技术方案

本申请提供了一种基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统，在进行扰动信号测试时，艾赫兹超快脉冲扫描激光器发出的内变频脉冲光经环形器进入传感光纤，传感光纤发出的后向瑞利散射信号通过耦合器进入非平衡迈克尔逊干涉仪，通过设计两个干涉臂的臂长差，使相邻两个干涉臂长差位置的后向瑞利散射光逐一发生干涉，这样，经过非平衡迈克尔逊干涉仪后所接收到的信号中便包含有传感光纤上的外界扰动信号引起的相位差信号，最后，利用相位解调单元解调出该相对相位差信号随时间的变化，进而可以实现对传感光纤中扰动信号的动态测量。同时，利用艾赫兹超快脉冲扫描激光器，可以有效实现其在长距离、高频带信号以及高空间分辨率同时监测。

High Performance Distributed Optical Fiber Sensing System Based on Ehertz Ultra-Fast Pulse Scanning

【技术实现步骤摘要】
基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统
本申请涉及分布式光纤传感
，尤其涉及一种基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统。
技术介绍
由于分布式光纤传感技术可以实现沿光纤长度方向分布的被测物理量连续传感、测量，能够集传感、传输功能于一体，不仅能够完成在整条光纤长度上的分布式环境参量的空间、时间多维分布状态信息的连续测量，还能将分布式的测量信息实时、无损地传输到信息处理中心，同时，基于分布式光纤传感技术的传感系统具有结构简单、使用方便、单位长度内信号获取成本低、性价比高等优点，因此，该技术被广泛地应用于周界安防、管道泄漏、地震波勘探以及水听探测等诸多军事民用重要领域。分布式光纤传感技术可以分为OTDR(OpticalTimeDomainReflectometry，光时域反射法)及OFDR(OpticalFrequencyDomainReflectometry，光频域反射法)两种技术。其中，与OTDR相比，在相同的动态范围的条件下，OFDR需要的光源光功率要小得多，而光源光功率的减小可以避免光纤非线性散射带来的影响，因此，OFDR具有更高的灵敏度；另外，OFDR在超高空间分辨率指标上有着极大优势，其空间分辨率取决于光源波长调谐范围，若光源具有足够宽的调谐范围，则能够实现非常高的空间分辨率。然而，目前OFDR技术主要用于进行静态测量，而对于扰动信号的动态测量，目前尚处于研究阶段。
技术实现思路
本申请提供了一种基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统，以实现对传感光纤中扰动信号的动态测量。本申请提供的基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统，主要包括艾赫兹超快脉冲扫描激光器、环形器、传感光纤、耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、法拉第旋转镜以及相位解调器，其中：所述艾赫兹超快脉冲扫描激光器包括泵浦激光源、第一波分复用器、级联相移光纤光栅、第二波分复用器、第三波分复用器、多个电光调制器、以及述多个电光调制器连接的控制器；所述泵浦激光源的输出端与所述第一波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅为在掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，所述级联相移光纤光栅与所述第一波分复用器的第二端连接；第一波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接；所述第二波分复用器的各波长输出通道所输出的激光分别传输至一个所述电光调制器；所述控制器，用于在预设时长内，按照预设时间间隔依次选通所述多个电光调制器中的一个电光调制器；所述第三波分复用器的一端与各所述电光调制器的输出端连接、另一端与所述环形器的第一端连接，所述环形器的第二端与所述传感光纤连接，所述环形器的第三端与所述耦合器的第一端连接；所述耦合器的第二端分别与所述第一干涉臂和第二干涉臂的一端连接，所述第一干涉臂和第二干涉臂另一端分别连接一个所述法拉第旋转镜，所述第一干涉臂和第二干涉臂的长度不相等；所述相位解调器与所述耦合器的第三端连接，用于解调所述传感光纤中的扰动信号所引起的相位变化。可选地，所述耦合器为3×3耦合器，所述相位解调器包括第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器以及相位解调单元，其中：所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器均与所述3×3耦合器连接，用于接收所述第一干涉臂和第二干涉臂返回的后向瑞利散射干涉光，并根据所述后向瑞利散射干涉光生成相应的电信号；所述相位解调单元与所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器连接，用于对所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器输出的电信号进行处理，解调出所述传感光纤中的扰动信号所引起的相位变化。可选地，所述第一干涉臂上还设有相位调制器，所述相位解调器包括第四光电探测器以及相位解调单元，其中：所述第四光电探测器均与所述耦合器连接，用于接收所述第一干涉臂和第二干涉臂返回的后向瑞利散射干涉光，并根据所述后向瑞利散射干涉光生成相应的电信号；所述相位解调单元与所述第四光电探测器连接，用于对所述第四光电探测器输出的电信号进行处理，解调出所述传感光纤中的扰动信号所引起的相位变化。可选地，所述法拉第旋转镜的旋转角度为90°。可选地，所述艾赫兹超快脉冲扫描激光器还包括隔离器，其中：所述隔离器的一端与第一波分复用器的第三端连接、另一端与所述第二波分复用器的一端连接。可选地，所述艾赫兹超快脉冲扫描激光器还包括信号放大器，其中：所述信号放大器的一端与第一波分复用器的第三端连接、另一端与所述第二波分复用器的一端连接。可选地，所述掺杂光纤由N根并联的子掺杂光纤组成，N≥2，其中：。各所述子掺杂光纤上均刻有多个中心波长不同的相移光栅且相邻中心波长之间的波长差值为第一预设固定值；所述第一预设固定值为所述掺杂光纤所输出波长的波长间隔的N倍。可选地，所述泵浦激光源包括第一子泵浦激光源和第二子泵浦激光源，所述第一波分复用器包括第一子波分复用器和第二子波分复用器，其中：所述第一子泵浦激光源的输出端与所述第一子波分复用器的第一端连接，所述第二子泵浦激光源的输出端与所述第二子波分复用器的第一端连接；所述掺杂光纤分别与所述第一波分复用器和所述第二子波分复用器的第二端连接；所述第一波分复用器或所述第二子波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接。由以上技术方案可见，本实施例提供的基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统，在该系统中利用臂长不相等的两个干涉臂、与各干涉臂连接的法拉第旋转镜组成非平衡迈克尔逊干涉仪。在进行扰动信号测试时，艾赫兹超快脉冲扫描激光器发出的内变频脉冲光经环形器进入传感光纤，传感光纤发出的后向瑞利散射信号通过耦合器进入非平衡迈克尔逊干涉仪，通过设计两个干涉臂的臂长差远小于光其长度，进而在一个脉冲扫描周期内，光纤空间上相邻两个干涉臂长差位置的后向瑞利散射光逐一发生干涉，这样，经过非平衡迈克尔逊干涉仪后所接收到的信号中便包含有由传感光纤上的外界扰动信号引起的相位差信号，最后，利用相位解调单元解调出该相对相位差信号随时间的变化，进而可以实现对传感光纤中扰动信号的动态测量。另外，基于艾赫兹超快脉冲扫描激光器发出的内变频脉冲其内部包含k个频率线性递增的脉冲光，而在频响范围上，将总干涉光强经过低通滤波后取零差频成分，整个系统可等效为k个不同频率的OTDR系统同时按时序工作，将相位解调后的相对相位结果也按时序排列后，系统的频响范围较单一频率的OTDR系统提升了k倍。同时，基于艾赫兹超快脉冲扫描激光器发出的内变频脉冲，可以在频域上预设宽度脉冲范围内的时域上形成间隔较短的多个不同波长的探测激光序列，进而可以有效解决分布式传感系统在长距离、高频带信号以及高空间分辨率同时监测难题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请实施例提供的一种基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统的基本结构示意图；图2为后向瑞利散射光通过图1中的迈克尔逊干涉仪空间差分干涉的示意图；图3为图2中的延时信号与原始信号的时序对应关系示意图；图4为本申请实施例提供的一种艾赫兹超快脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统，其特征在于，所述系统包括艾赫兹超快脉冲扫描激光器、环形器、传感光纤、耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、法拉第旋转镜以及相位解调器，其中：所述艾赫兹超快脉冲扫描激光器包括泵浦激光源、第一波分复用器、级联相移光纤光栅、第二波分复用器、第三波分复用器、多个电光调制器、以及述多个电光调制器连接的控制器；所述泵浦激光源的输出端与所述第一波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅为在掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，所述级联相移光纤光栅与所述第一波分复用器的第二端连接；第一波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接；所述第二波分复用器的各波长输出通道所输出的激光分别传输至一个所述电光调制器；所述控制器，用于在预设时长内，按照预设时间间隔依次选通所述多个电光调制器中的一个电光调制器；所述第三波分复用器的一端与各所述电光调制器的输出端连接、另一端与所述环形器的第一端连接，所述环形器的第二端与所述传感光纤连接，所述环形器的第三端与所述耦合器的第一端连接；所述耦合器的第二端分别与所述第一干涉臂和第二干涉臂的一端连接，所述第一干涉臂和第二干涉臂另一端分别连接一个所述法拉第旋转镜，所述第一干涉臂和第二干涉臂的长度不相等；所述相位解调器与所述耦合器的第三端连接，用于解调所述传感光纤中的扰动信号所引起的相位变化。...

【技术特征摘要】
1.一种基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统，其特征在于，所述系统包括艾赫兹超快脉冲扫描激光器、环形器、传感光纤、耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、法拉第旋转镜以及相位解调器，其中：所述艾赫兹超快脉冲扫描激光器包括泵浦激光源、第一波分复用器、级联相移光纤光栅、第二波分复用器、第三波分复用器、多个电光调制器、以及述多个电光调制器连接的控制器；所述泵浦激光源的输出端与所述第一波分复用器的第一端连接；所述级联相移光纤光栅为在掺杂光纤上刻有多个中心窗口波长不同的相移光栅且相邻所述中心窗口波长之间的波长间隔为预设固定值，所述级联相移光纤光栅与所述第一波分复用器的第二端连接；第一波分复用器的第三端与所述第二波分复用器的一端连接；所述第二波分复用器的各波长输出通道所输出的激光分别传输至一个所述电光调制器；所述控制器，用于在预设时长内，按照预设时间间隔依次选通所述多个电光调制器中的一个电光调制器；所述第三波分复用器的一端与各所述电光调制器的输出端连接、另一端与所述环形器的第一端连接，所述环形器的第二端与所述传感光纤连接，所述环形器的第三端与所述耦合器的第一端连接；所述耦合器的第二端分别与所述第一干涉臂和第二干涉臂的一端连接，所述第一干涉臂和第二干涉臂另一端分别连接一个所述法拉第旋转镜，所述第一干涉臂和第二干涉臂的长度不相等；所述相位解调器与所述耦合器的第三端连接，用于解调所述传感光纤中的扰动信号所引起的相位变化。2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述耦合器为3×3耦合器，所述相位解调器包括第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器以及相位解调单元，其中：所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器均与所述3×3耦合器连接，用于接收所述第一干涉臂和第二干涉臂返回的后向瑞利散射干涉光，并根据所述后向瑞利散射干涉光生成相应的电信号；所述相位解调单元与所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器连接，用于对所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚盈，王晨，王昌，倪家升，赵文安，李常，曹冰，黄胜，王英英，武延彬，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37