基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，包括窄线宽激光光源和待测干涉仪，本发明专利技术还包括辅助干涉仪和相位噪声解调与消除机构，窄线宽激光光源包括NLL激光器和第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的的第一输出通道和第二输出通道分别与待测干涉仪和辅助干涉仪相连，待测干涉仪和辅助干涉仪均与相位噪声解调与消除机构相连。本发明专利技术采用上述结构的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，利用两个同源脉冲进行瑞利散射探测，配合辅助干涉仪进行混频，实现相位噪声的消除，突破相干长度对量程的限制，实现长量程、频率响应高的振动信号检测，且光路中仅需做两次混频，解调算法简单，相位校正速度快。度快。度快。

【技术实现步骤摘要】
基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置及检测方法


[0001]本专利技术涉及一种振动测量技术，尤其涉及一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置及检测方法。

技术介绍

[0002]分布式光纤传感系统相对于传统传感系统而言，由于具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量精度较高、能够实现多点检测等优点，被广泛应用于光纤线路范围内的振动检测方面。
[0003]目前，分布式光纤传感技术主要存在的几个发展方向包括：相位敏感型光时域反射技术(Phase
‑
sensitive Optical Time Domain Reflectometry,
‑
OTDR)、啁啾脉冲光学时域反射技术(Chirped
‑
pulse Optical Time Domain Reflectometry,CP
‑
OTDR)和时间门控光学频域反射技术(Time
‑
gated Digital Optical Time Domain Reflectometry,TGD
‑
OFDR)。
[0004]其中，
‑
OTDR技术的基本原理是利用高度相干的光脉冲注入到待测器件中，然后由光探测器检测待测器件中产生的背向瑞利散射信号，这一基本原理最早在1993年由Taylor提出，但后来为了提高
‑
OTDR系统的信噪比和探测距离，将相干技术引入系统中，最后把瑞利散射的相位信息以干涉强度的方式体现出来。具体原理如下：
[0005]图1为传统
‑
OTDR的工作原理图，如图1所示，由窄线宽激光光源51发出的扫频脉冲激光通过输出通道注入98：2光纤耦合器52，经此光纤耦合器分光，分别从第一、第二输出通道52A、52B输出进入参考臂和测量臂，其中，第一输出通道52A输出光功率占输入光总功率的98％，第二输出通道52B输出光功率占输入光总功率的2％。第一输出通道52A的输出光注入声光调制器(AOM)53，经过声光调制器53的移频，与参考光产生一定的频差。此带有一定频移的激光从光环形器54的第一通道54A注入，并从第二通道54B输出，注入待测器件55。在待测器件55中，由于菲涅尔反射或背向瑞利散射形成的信号光从光环形器54的第二通道54B输入，从第三通道54C输出。从98：2光纤耦合器第二输出通道52B输出的参考光和从光环形器54的第三通道54C中输出的信号光分别由50：50光纤耦合器56的第一、第二输入通道(56A、56B)注入，并于50：50光纤耦合器56中发生干涉，形成的干涉信号由第一、第二输出通道(56C、56D)分别注入平衡探测器57，将光信号转换为电信号，并输入信号解调电路58spu进行解调后进入计算机59中。
[0006]由上述可知，50：50光纤耦合器56中从第一、二输入通道56A、56B输入的两路光信号来自同一窄线宽激光光源51，其中一路信号振幅为E
s
(t)，来自测量臂中待测器件55中的菲涅尔反射或背向瑞利散射，即：
[0007][0008]式中w0为窄线宽激光器输出光的中心频率，Δw
AOM
为AOM产生的频移量，R为光纤的后向散射系数，为光源所携带的相位信息，τ
d
表示两路光之间的时延。
[0009]另一路信号振幅为E
f
(t)，来自由98：2光纤耦合器52第二输出通道52B产生的参考光，可表示为：
[0010][0011]式中w0和表示的物理含义与测量臂中相同。
[0012]因此，上述两信号发生的干涉信号交流成分强度可以表示为：
[0013][0014]式中e(t)
‑
e(t
‑
τ)是干涉信号中的相位噪声或非线性相位。
[0015]光时域反射系统中干涉产生的相位噪声或非线性相位会导致背向散射光能量扩散，反射峰强度降低，引起探测空间分辨率降低。因此，为了保证探测系统具有较高空间分辨率，应对系统中的相位噪声和非线性相位进行抑制和消除。
[0016]CP
‑
OTDR技术的光路结构依赖于直接探测的
‑
OTDR，但与
‑
OTDR不同的是，此技术利用一系列的线性啁啾光脉冲作为探测光，极大的改变了简化了光路结构，对激光的相位噪声具有较好的鲁棒性，但其空间分辨率会受到脉冲宽度的限制。
[0017]TGD
‑
OFDR技术是一种在2015年由liu等人提出的一种分布式光纤传感技术，相较于传统的OFDR系统而言，该系统利用声光调制器进行调制产生的扫频激光作为信号光仅在一个较窄的时间窗口内被选通，与参考路径中的波长稳定的连续激光及进行干涉，由于测试路径中的输入脉冲具有较短的脉冲持续时间，因此可以在不影响测量距离得情况下，将激光调谐速率调得很高，然而此种技术目前会受到频率调谐的非线性等噪声因素的限制。
[0018]当前，分布式振动检测测装置的大部分设计主要是基于相位敏感型光时域反射技术即
‑
OTDR的方法。然而，此种方法存在探测结果会受到系统中的相位噪声限制的问题，相位噪声的限制会使得系统在进行长距离振动测量时，瑞利散射会被相位噪声掩盖，这一现象限制了
‑
OTDR系统的测量距离。因此，解决这一问题也是此领域进行技术突破的重中之重。近年来，一些学者提出了部分提升
‑
OTDR系统测试距离的方法。2010年，上海华魏光纤传感技术有限公司的张大成等人公开了一种高信噪比大动态范围光采集系统(CN101660944A)，该系统从探测器探测方式的角度出发，提出了一种分时接收的方法，将一个脉冲周期内的散射光按时间段进行拆分，利用不同的性能的探测器来对散射光信号进行探测，最后再将获得的光信号进行整合，得到所需的测量结果。
[0019]2012年，杭州安远科技有限公司的林彦国提出了一种相位敏感式光时域反射传感系统及方法(CN201210060043.X)，该方法基于直接探测的
‑
OTDR方法，通过双光源的方法，通过不同功率光束的探测不同距离，在不增加处理时间的前提下增大分布式光纤传感器的探测距离。
[0020]2020年，上海工程技术大学的王振伟等人公开了一种基于
‑
OTDR的复合光纤振动传感系统(CN202011420563.8)，这种系统以单模光纤为传感介质，同时使用单模光纤和多模光纤作为传感元件，利用多模光纤作为模式转换器将高功率激光脉冲注入单模光纤，有效的避免了由于高功率探测脉冲直接注入单模光纤的非线性效应，从而在不影响空间分辨率的情况下增加了探测距离。
[0021]从目前已经被研究者提出的成果中来看，这些方法虽然从一定程度上提升了分布
式振动检测仪器的性能，但却在测试时间或测试成本上做出了牺牲，或者受到光源功率引发的非线性效应限制，存在不足。因此需要提出一种新的分布式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，包括窄线宽激光光源和待测干涉仪，其特征在于：还包括辅助干涉仪和相位噪声解调与消除机构，所述窄线宽激光光源包括NLL激光器和与所述NLL激光器相连的第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的的第一输出通道和第二输出通道分别与所述待测干涉仪和所述辅助干涉仪相连，所述待测干涉仪和所述辅助干涉仪均与所述相位噪声解调与消除机构相连。2.根据权利要求1所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述待测干涉仪包括与所述第一光纤耦合器的第一输出通道相连的第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别连接同源脉冲调制机构和90
°
光桥接器；所述同源脉冲调制机构包括声光调制器，所述声光调制器的输出通道与第三光纤耦合器的输入通道相连，所述第三光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别与第一延时光纤和单边带调制器，所述第一延时光纤和所述单边带调制器分别与第四光纤耦合器的第一输入通道和第二输入通道相连，所述第四光纤耦合器的输出通道与光环形器的输入端口相连，所述光环形器的第一输出通道和第二输出通道分别连接待测器件和所述90
°
光桥接器；所述90
°
光桥接器的第一输出通道和第二输出通道分别经第一平衡探测器和第二平衡探测器连接所述相位噪声解调与消除机构；所述声光调制器和所述单边带调制器均与任意波形发生器相连。3.根据权利要求2所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述辅助干涉仪包括与所述第一光纤耦合器的第二输出通道相连的第五光纤耦合器，所述第五光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别与第二延时光纤和第六光纤耦合器的第二输入通道相连，所述第二延时光纤与所述第六光纤耦合器的第一输入通道相连，所述第六光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道均与第三平衡探测器相连，所述第三平衡探测器与所述相位噪声解调与消除机构相连。4.根据权利要求3所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述相位噪声解调与消除机构包括分别与所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器和所述第三平衡探测器相连的光电转换与信号处理单元以及上位机。5.根据权利要求4所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器的分光比均为98:2；所述第三光纤耦合器、所述第四光纤耦合器、所述第五光纤耦合器以及所述第六光纤耦合器的分光比为50:50。6.根据权利要求5所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述第一延迟光纤与所述第二延迟光纤的长度相同。7.基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、窄带宽激光光源的输出光经过第一光纤耦合器的分光，按照98：2的分光比分别输入第二光纤耦合器和第五光纤耦合器；S2、激光信号进入第二光纤耦合器后，按照98：2的分光比分别输入声光调制器和90
°
光桥接器；经过声光调制器的激光信号被切波处理后，形成矩形脉冲激光信...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱云龙，牟铁梁，杨军，林蹉富，让博为，喻张俊，党凡阳，苑勇贵，苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：