双波长分布式光纤声传感系统技术方案

本公开提供了双波长分布式光纤声传感系统，包括：第一窄线宽激光器，第二窄线宽激光器、主主耦合器、光隔离器、调制器、掺铒光纤放大器、环行器、第一光纤光栅，第二光纤光栅、传感光纤、波分复用器、第一迈克尔逊干涉仪，第二迈克尔逊干涉仪、第一载波电路，第二载波电路、第一光电探测器，第二光电探测器、数据采集卡、信号处理机和脉冲发生器。通过波分复用方式实现两个空间分辨率不同但相近的相位解调结果，通过两者相减来获得高空间分辨率的分布式动态振动或声信号的监测，由于无需减小干涉仪臂长差和脉冲光宽度，因此保证了该系统低噪声的特点。 1

【技术实现步骤摘要】
双波长分布式光纤声传感系统
本专利技术涉及分布式光纤传感领域，特别是用于测量动态振动或声信号的分布式光纤传感领域。
技术介绍
分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。分布式光纤传感技术根据传感原理可分为基于干涉探测和基于后向散射探测技术两类。前者利用马赫-曾德型干涉仪、萨格纳克型干涉仪以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)，布里渊光时域反射型(B-OTDR)，拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离空间连续的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。Φ-OTDR技术是通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。分布式光纤声传感系统存在多种方案，比如基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，采用相位生成载波相位解调算法实现分布式振动或声信号的测量，解决了大动态范围信号的检测，克服了初始相位漂移对信号幅度的影响(徐团伟等，基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，申请号201410032610.X)。基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统的空间分辨率取决于干涉仪臂长差，同时与脉冲光宽度有关。通过减小干涉仪臂长差和脉冲光宽度可提高空间分辨率，但随着脉冲光宽度的减小，将导致背向瑞利散射光强的下降，进而导致系统本底噪声升高。空间分辨率和系统信噪比密切相关，追求高空间分辨率将导致系统噪声特性变差，难以实现微弱振动或声信号的测量。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种双波长分布式光纤声传感系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种双波长分布式光纤声传感系统，包括：第一窄线宽激光器与第二窄线宽激光器；主耦合器，其输入端连接第一窄线宽激光器和第二窄线宽激光器的输出端；光隔离器，其输入端连接到所述主耦合器的输出端；调制器，其输入端连接到光隔离器的输出端；掺铒光纤放大器，其输入端连接到所述调制器的输出端；环行器，其a端口连接到所述掺铒光纤放大器的输出端；第一光纤光栅与第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅组成光纤光栅串，连接到所述环行器的b端口；传感光纤，连接到所述环行器的c端口；波分复用器，其输入端连接到所述环行器的d端口；第一迈克尔逊干涉仪与第二迈克尔逊干涉仪，所述第一迈克尔逊干涉仪与第二迈克尔逊干涉仪分别连接到波分复用器的两输出端口；第一载波电路与第二载波电路，所述第一载波电路的输出端连接第一迈克尔逊干涉仪的电学接口；第二载波电路的输出端连接第二迈克尔逊干涉仪的电学接口；第一光电探测器，第二光电探测器，第一光电探测器的输入端口与第一迈克尔逊干涉仪的输出端相连，第二光电探测器的输入端口与第二迈克尔逊干涉仪的输出端相连；数据采集卡，其具有多个输入端口，分别连接到第一载波电路与第二载波电路的输出端、第一光电探测器和第二光电探测器的输出端口；以及信号处理机，连接到数据采集卡，用于通过数据采集卡采集的数据实现分布式信号的测量。在本公开一些实施例中，所述第一迈克尔逊干涉仪，包括：耦合器、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器和第一相位调制器，其中，第一耦合器的分别连接波分复用器的一输出端，第一法拉第旋转镜的输入端，第一相位调制器的输入端，第一光电探测器的输入端；第一相位调制器的输出端与第二法拉第旋转镜的输入端相连，第一相位调制器的电学接口与第一载波电路的输出端相连。在本公开一些实施例中，所述第二迈克尔逊干涉仪，包括：第二耦合器、第三法拉第旋转器、第四法拉第旋转器和第二相位调制器，其中，第二耦合器的四端口分别连接波分复用器的一输出端，第四法拉第旋转镜的输入端，第二相位调制器的输入端，第二光电探测器的输入端，第二相位调制器的输出端与第四法拉第旋转镜的输入端相连，第二相位调制器的电学接口与第二载波电路的输出端相连。在本公开一些实施例中，第一相位调制器与第二相位调制器包括压电陶瓷管和缠绕在管壁外的单模光纤，用于产生正弦相位调制。在本公开一些实施例中，第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪的单程臂长差不同但相近，两者差值为1m-5m之间。在本公开一些实施例中，所述第一窄线宽激光器、第二窄线宽激光器的输出波长不同，分别与第一光纤光栅，第二光纤光栅的中心波长一致。在本公开一些实施例中，所述脉冲发生器发射重复脉冲电压信号作用于调制器，产生脉冲光信号，脉冲电压信号的脉冲宽宽为10ns-100ns。在本公开一些实施例中，所述第一相位调制器和第二相位调制器由压电陶瓷管和缠绕在管壁外的单模光纤组成，用于产生正弦相位调制，调制幅度为2rad-4rad。在本公开一些实施例中，所述的双波长分布式光纤声传感系统，通过具有两个不同空间分辨率的相位信号的差值，获得高空间分辨动态振动或声信号的测量，系统空间分辨率为两迈克尔逊干涉仪单程臂长差的差值。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果：通过波分复用方式实现两个空间分辨率不同但相近的相位解调结果，通过两者相减来获得高空间分辨率的分布式动态振动或声信号的监测，由于无需减小干涉仪臂长差和脉冲光宽度，因此保证了该系统低噪声的特点，进而体现高空间分辨率和低噪声兼顾的优势。附图说明图1是本公开实施例的双波长分布式光纤声传感系统的结构示意图。图2是本公开实施例的空间分辨率和空间采样分辨率的关系。图3是本公开实施例的双波长分布式光纤声传感系统对扰动信号的相位解调结果示意图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】1A、第一窄线宽激光器；1B、第二窄线宽激光器2、耦合器；3、光隔离器4、调制器；5、掺铒光纤放大器6、环行器；7A、第一光纤光栅；7B、第二光纤光栅8、传感光纤；9、波分复用器10A、第一耦合器；10B、第二耦合器11A、第一法拉第旋转器；11B、第二法拉第旋转器11C、第三法拉第旋转器；11D第四为法拉第旋转器12A、第一相位调制器12B第二相位调制器13A第一载波电路；13B第二载波电路14A、第一光电探测器和14B第二光电探测器15、数据采集卡；16、信号处理机、17、脉冲发生器；100A、第一迈克尔逊干涉仪；100B、第二迈克尔逊干涉仪具体实施方式本公开提供了一种双波长分布式光纤声传感系统，同时保证其低噪声优势，实现高空间分辨率低噪声的分布式动态振动或声信号的监测，克服了系统高空间分辨率和高信噪比难以同时兼顾的不足，提升了分布式光纤声传感系统的性能。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双波长分布式光纤声传感系统，包括：

【技术特征摘要】
1.一种双波长分布式光纤声传感系统，包括：第一窄线宽激光器(1A)与第二窄线宽激光器(1B)；主耦合器(2)，其输入端连接第一窄线宽激光器(1A)和第二窄线宽激光器(1B)的输出端；光隔离器(3)，其输入端连接到所述主耦合器(2)的输出端；调制器(4)，其输入端连接到光隔离器(3)的输出端；掺铒光纤放大器(5)，其输入端连接到所述调制器(4)的输出端；环行器(6)，其a端口连接到所述掺铒光纤放大器(5)的输出端；第一光纤光栅(7A)与第二光纤光栅(7B)，所述第一光纤光栅(7A)和第二光纤光栅(7B)组成光纤光栅串，连接到所述环行器(6)的b端口；传感光纤(8)，连接到所述环行器(6)的c端口；波分复用器(9)，其输入端连接到所述环行器(6)的d端口；第一迈克尔逊干涉仪(100A)与第二迈克尔逊干涉仪(100B)，所述第一迈克尔逊干涉仪(100A)与第二迈克尔逊干涉仪(100B)分别连接到波分复用器(9)的两输出端口；第一载波电路(13A)与第二载波电路(13B)，所述第一载波电路(13A)的输出端连接第一迈克尔逊干涉仪(100A)的电学接口；第二载波电路(13B)的输出端连接第二迈克尔逊干涉仪(100B)的电学接口；第一光电探测器(14A)，第二光电探测器(14B)，第一光电探测器(14A)的输入端口与第一迈克尔逊干涉仪(100A)的输出端相连，第二光电探测器(14B)的输入端口与第二迈克尔逊干涉仪(100B)的输出端相连；数据采集卡(15)，其具有多个输入端口，分别连接到第一载波电路(13A)与第二载波电路(13B)的输出端、第一光电探测器(14A)和第二光电探测器(14B)的输出端口；以及信号处理机(16)，连接到数据采集卡(15)，用于通过数据采集卡(15)采集的数据实现分布式信号的测量。2.根据权利要求1所述的双波长分布式光纤声传感系统，所述第一迈克尔逊干涉仪(100A)，包括：耦合器(10A)、第一法拉第旋转器(11A)、第二法拉第旋转器(11B)和第一相位调制器(12A)，其中，第一耦合器(10A)的四端口分别连接波分复用器(9)的一输出端，第一法拉第旋转镜(11A)的输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐团伟，冯圣文，黄建芬，杨洋，李芳，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11