融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法技术

本发明专利技术公开了一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，包括窄脉冲激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、弱反射光栅阵列、传感光纤、脉冲信号发生器。本发明专利技术还公开了一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计的测量振动的方法。本发明专利技术采用融合弱反射光栅阵列的方式，提高系统的信噪比。采用双脉冲的探测方法解决光栅传感大都是只对光栅所在位置事件敏感的问题，使得本发明专利技术对传感光纤沿线所有事件都敏感。由于系统信噪比很高，本发明专利技术能够测量在传感光纤长度限制下的极限频率的高频振动，且能测量低至几赫兹的低频振动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感领域，特别是融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法。
技术介绍
相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的干涉信号的变化来实现对外界扰动的探测，它具有高灵敏度、分布式测量、传感距离长的优点。Φ-OTDR最早是由H.F.Taylor(TaylorHF,LeeCE.Apparatusandmethodforfiberopticintrusionsensing[P].1993-.http://www.google.co.uk/patents/US5194847)在1993年提出的，它的基本结构与OTDR相似，唯一的不同是采用了窄线宽激光器作为光源，使得叠加的各散射中心的散射光相互干涉，形成抖动的背向散射光曲线。外界扰动会影响叠加的各散射光直接的相位差，从而导致出射的散射光曲线发生变化，探测这种变化可以实现对光纤沿线状态的监测。但是，背向瑞利散射光的幅值一般都很小，对于1us的入射脉冲，其背向瑞利散射光的功率比入射光功率约小-53dB，所以在传统Φ-OTDR中需要采用高灵敏度光电探测器、相干探测的方法或平均的数据处理方法等，这些方法会带来增加系统的复杂度、降低可探测的振动频率范围等一些缺点。弱反射光栅(UWFBG)是一门新兴的技术。将一系列具有同样中心波长和反射率的弱反射光栅按照固定的间隔排列在传感光纤上，形成弱反射光栅阵列。当探测光脉冲经过弱反射光栅时，很小的一部分光功率被弱反射光栅阵列反射，形成清晰的高功率反射脉冲，同时剩余的光也能继续在传感光纤中实现长距离传播。X.Li、X.Wang等学者通过采用弱反射光栅实现了高消光比的准分布式光纤传感(X.Li,Q.Sun,D.Liu,R.Liang,J.Zhang,J.Wo,P.P.Shum,andD.Liu,\Simultaneouswavelengthandfrequencyencodedmicrostructurebasedquasi-distributedtemperaturesensor,\Opt.Express20,12076-12084(2012)；X.Wang,Z.Yan,F.Wang,ChengboMou,Z.Sun,X.Zhang,andL.Zhang,\SNRenhanceddistributedvibrationfibersensingsystememployingpolarization-OTDRandultra-weakFBGs,\IEEEPhotonicsJournal7,680051(2015).)。虽然采用弱反射光栅阵列可以一定程度上解决背向瑞利散射光功率很小的问题，但是目前采用弱反射光栅阵列的传感方法中，系统大都只敏感于发生在布有弱反射光栅处的事件，这大大缩小了传感系统的空间上可传感范围。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法，本专利技术提出在采用弱反射光栅获得高信噪比的同时，采用双脉冲探测光信号，使得系统敏感于传感光纤上任意一点的事件，并实现高频率的振动测量。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术所述的一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，包括窄线宽激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、传感光纤、脉冲信号发生器和设置在传感光纤上的弱反射光栅阵列；其中，窄线宽激光器，用于输出连续光至光调制器；脉冲信号发生器，用于控制光调制器以及同步数据采集装置的数据采集；光调制器，用于根据脉冲信号发生器的控制将连续光调制成探测双脉冲输出至环形器的第一端口；环形器，用于将探测双脉冲由其第二端口注入传感光纤中，获得包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至雪崩探测器；雪崩探测器，用于将包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号转换成电信号输出至数据采集装置；数据采集装置，用于对电信号进行处理，获得传感光纤的扰动信息。作为本专利技术所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优化方案，所述弱反射光栅阵列是刻制在传感光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的弱反射光栅组成，反射率为-55dB～-30dB，相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的，其中，L为传感光纤总长度，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔，表示向下取整。作为本专利技术所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优化方案，所述探测双脉冲包含两个光脉冲，分别为前脉冲和后脉冲；设前后脉冲的时间间隔为τ，前脉冲和后脉冲的脉冲宽度相等，脉冲宽度其中，c为真空中光速，nf为传感光纤折射率，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔。作为本专利技术所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优化方案，所述光调制器可为电光调制器或者声光调制器。基于一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计的测量振动的方法，包括以下步骤：步骤一、将连续光调制成探测双脉冲，按照预设周期发射M次探测双脉冲至传感光纤中；步骤二、探测双脉冲在刻有弱反射光栅阵列的传感光纤中产生背向返回信号，背向返回信号是包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号；M次探测获得M条背向返回信号曲线；步骤三、将M条背向返回信号曲线按时间顺序排列，获得传感光纤上每一点对应的功率随时间变化的曲线，并对传感光纤上每一点对应的功率曲线进行傅里叶变换，获得频谱图，从而实现振动的定位和对振动频率的大范围测量。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本专利技术采用融合弱反射光栅阵列的光纤作为传感光纤，所获得的信号具有很高的信噪比；本专利技术采用双脉冲作为探测光信号，解决了融合光纤光栅的传感系统大都只是“点敏感”的问题，实现了敏感于传感光纤任意一点的扰动；(2)本专利技术在实现振动测量时，无需进行平均等数据处理，可以实现超高频率的振动测量，同时高质量的信号还可以实现较低频率(～3Hz)的测量；(3)本专利技术测量系统装置结构简单且成本较低。附图说明图1是本专利技术融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计的示意图。图2是本专利技术的相位光时域反射计中融合弱反射光栅阵列的传感光纤示意图。图3是本专利技术融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计中所包含的探测双脉冲示意图。图4是本专利技术中前后脉冲在相邻弱反射光栅上产生的反射脉冲发生干涉产生干涉脉冲现象的原理图；其中，(a)为前脉冲在弱反射光栅上产生第一反射脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，其特征在于，包括窄线宽激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、传感光纤、脉冲信号发生器和设置在传感光纤上的弱反射光栅阵列；其中，窄线宽激光器，用于输出连续光至光调制器；脉冲信号发生器，用于控制光调制器以及同步数据采集装置的数据采集；光调制器，用于根据脉冲信号发生器的控制将连续光调制成探测双脉冲输出至环形器的第一端口；环形器，用于将探测双脉冲由其第二端口注入传感光纤中，获得包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至雪崩探测器；雪崩探测器，用于将包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号转换成电信号输出至数据采集装置；数据采集装置，用于对电信号进行处理，获得传感光纤的扰动信息。

【技术特征摘要】
1.一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，其特征在于，包括窄线宽激
光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、传感光纤、脉冲信号发生器和设
置在传感光纤上的弱反射光栅阵列；其中，
窄线宽激光器，用于输出连续光至光调制器；
脉冲信号发生器，用于控制光调制器以及同步数据采集装置的数据采集；
光调制器，用于根据脉冲信号发生器的控制将连续光调制成探测双脉冲输出至环形器
的第一端口；
环形器，用于将探测双脉冲由其第二端口注入传感光纤中，获得包含一系列干涉脉冲
的背向瑞利散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至雪崩探测
器；
雪崩探测器，用于将包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号转换成电信号输出至
数据采集装置；
数据采集装置，用于对电信号进行处理，获得传感光纤的扰动信息。
2.根据权利要求1所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，其特征
在于，所述弱反射光栅阵列是刻制在传感光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的
弱反射光栅组成，反射率为-55dB～-30dB，相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的，其中，L为传感光纤总长度，ΔL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，周玲，张旭苹，刘涛，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32