一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光纤传感装置领域，提供了线性调频的分布式光纤传感装置及方法。其中该分布式光纤传感装置包括：激光器，用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；导体光放大器，用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光；斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；环形器的第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管后转换为电压信号；处理器，用于根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。

【技术实现步骤摘要】
一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法
本专利技术属于光纤传感装置领域，尤其涉及一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。光纤分布式温度测量系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域反射技术对测量点进行定位。由于系统具有本征安全性、抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、能快速多点测量并定位等优点，应用领域十分广泛。目前已用于石油工程、电站、矿井、隧道和大坝等领域的温度监测。在光纤分布式温度测量系统中，激光器输出脉冲光，由光纤始端注入，脉冲光大部分能量传输到光纤末端而消失，小部分后向散射光波会沿着光纤反射回来。根据拉曼散射光谱的温度效应和光时域反射技术，返回到入射端的光功率同时为光纤位置和环境温度的函数。利用这一原理，可对整条光纤链路进行温度测量，同时对测量点进行准确的定位。由于拉曼散射信号十分微弱，完全被淹没在噪声中，光纤分布式温度测量系统需要采用弱信号检测技术，从噪声中提取待测信号。由于光纤分布式温度测量系统中噪声的主要成分具有零均值的统计特性，可以利用噪声的统计特性来达到降噪的目的。因此，为提高信噪比，信号处理部分采用采样累积求均值的方法进行降噪，即将一次测量的N点数据依次存储到内存单元中，将下一次测量的N点数据与内存对应单元的数据相加，再放回原内存单元，依次循环M次，然后对各单元求平均。基于拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤传感技术，通常需要利用多次累加平均抑制噪声，以及频率扫描(布里渊散射)得到频域信息，测量时间较长，仅适合温度等慢变物理量的测量。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，相比于拉曼散射和布里渊散射，需要的累加平均次数较少，更适合应力、振动等动态物理量的测量。特别是相位敏感光时域反射技术的瑞利散射布式光纤传感器，可以实现分辨率高达数米的几千公里的传感光纤沿线温度、应力、振动等物理量的高精度测量。然而，瑞利散射光强与环境温度、应力等物理量之间并不存在线性关系，理论上无法通过探测传感光纤瑞利散射强度获得温度、应力、振动等物理量的测量值。专利技术人发现，虽然在技术中，可以通过探测传感光纤瑞利散射相位分布得到物理量的测量值，不但需要额外的数字正交解调、相位解缠绕计算等步骤，增加了系统的复杂度，而且需要多个脉冲周期的相关计算，延长了测量时间，限制了振动信号的可测频率范围。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的第一个方面提供一种线性调频的分布式光纤传感装置，其基于瑞利散射的相位敏感光时域反射方式，使用线性调频脉冲光，在单次采集中获得传感光纤沿线的物理量测量值，能够极大缩短测量时间。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种线性调频的分布式光纤传感装置，包括：激光器，其用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；半导体光放大器，其用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；其中，斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；环形器，其第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管后转换为电压信号；处理器，其用于根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。为了解决上述问题，本专利技术的第二个方面提供一种线性调频的分布式光纤传感装置的工作方法，其基于瑞利散射的相位敏感光时域反射方式，使用线性调频脉冲光，在单次采集中获得传感光纤沿线的物理量测量值，能够极大缩短测量时间。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种线性调频的分布式光纤传感装置的工作方法，包括：激光器和半导体光放大器分别对应接收周期及重复频率均一致的斜波信号和脉冲波信号；在斜波信号有效区间内激光器发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内激光器发射中心频率的连续光；在脉冲波的驱动下，半导体光放大器将激光器输出的连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；环形器的第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管并转换为电压信号；处理器根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。本专利技术的有益效果是：本专利技术使用线性调频的脉冲光进入传感光纤，将沿光纤的温度、应力、振动等物理量变化，转化为瑞利散射回波信号波形沿时间轴的偏移。然后利用相邻两个脉冲周期的瑞利散射回波进行互相关计算，根据回波波形沿时间轴的偏移，反推得到传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量的测量值。与传统的传感器相比，本专利技术的装置复杂度和成本无明显增加，不但保留了技术的固有优势：可以获得几十公里长传感光纤沿线的温度、应力、振动等物理量测量值，空间分辨率高达数米，灵敏度优于普通传感技术；而且每一个脉冲周期即可获得传感光纤沿线的物理量测量值，极大缩短了测量时间。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是本专利技术实施例的一种线性调频的分布式光纤传感装置结构示意图；图2(a)是本专利技术实施例的斜波脉冲信号传播图；图2(b)是本专利技术实施例的矩形波脉冲信号传播图；图2(c)是本专利技术实施例的激光器发射的连续光波的电场波形图；图2(d)是本专利技术实施例的半导体光放大器输出的脉冲光波的电场波形图；图3是本专利技术实施例的一种脉冲光沿传感光纤传播示意图；图4是本专利技术实施例的另一种脉冲光沿传感光纤传播示意图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本专利技术中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本专利技术各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本专利技术中任一部件或元件，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于，包括：/n激光器，其用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；/n半导体光放大器，其用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；其中，斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；/n环形器，其第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管后转换为电压信号；/n处理器，其用于根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。/n

【技术特征摘要】
1.一种线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于，包括：
激光器，其用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；
半导体光放大器，其用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；其中，斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；
环形器，其第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管后转换为电压信号；
处理器，其用于根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。


2.如权利要求1所述的线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述激光器与半导体光放大器之间还串接有光隔离器。


3.如权利要求1所述的线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述半导体光放大器与环形器的第一端口之间还串接有掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器用于对半导体光放大器输出的脉冲光进行功率放大。


4.如权利要求1所述的线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管还与数据采集卡相连，数据采集卡用于将电压信号转换为数字信号并送给处理器。


5.如权利要求4所述的线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述数据采集卡的采样速率至少大于线性调频带宽的两倍。


6.如权利要求1所述的线性调频的分布式光纤传感装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：于淼，何禹潼，张崇富，潘新建，于效宇，易子川，孔谦，高庆国，
申请(专利权)人：电子科技大学中山学院，
类型：发明
国别省市：广东;44