【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种分布式光纤声波传感系统及检测装置。
技术介绍
1、分布式光纤声波传感器(distributed acoustic sensors)是近十年来出现的一种新型的声波感知手段，其利用光纤中固有的瑞利散射现象，能够感受光纤沿线各点的声波信息，具有传感距离长、空间分辨率高、抗电磁干扰、耐恶劣环境、布设方便等优势。得益于窄线宽激光器、高速采集卡、数字信号处理、人工智能等关键器件及先进算法的推动，das技术近年来得到了飞速发展，不仅传感长度、空间分辨率、测量分辨率、探测频率等主要性能得到了大幅提升，同时也在地震科学、油气资源勘探与开发、智慧城市建设以及国防安全等方面得到了广泛应用。可以说，das技术已经成为了信息光子领域研究和应用的热点之一。
2、das的实现方案目前包含两大类，分别是相位敏感光时域反射仪(phase-sensitive optical time domain reflectometry，eflect)技术以及相位敏感光频域反射仪(phase-sensitive optical frequency domain reflectometry，φ-ofdr)技术。其中φ-otdr系统配置更加简单、结构更加灵活、性能更加突出，因此成为了das的主要实现方案。基于φ-otdr方案的das系统需要在发端调制脉冲光，在收端接收传感光纤中产生的瑞利背向散射光(rayleigh backscattering，rbs)后，通过光路结构或者信号处理算法恢复出rbs中携带的光纤沿线各点相位信息。为了对rbs进行相位解调
3、为了克服外差解调φ-otdr所带来的上述问题，研究人员借鉴单点式干涉型光纤传感器的相位解调研究成果，提出了零差解调φ-otdr的方案，包括双脉冲相位偏移、3×3耦合器以及90°hybrid等方案。2014年，俄罗斯科学院的研究人员通过在前后两个脉冲之间分别调制0，2π/3，-2π/3的相位差，实现了待测光纤沿线声波的分布式探测；2022年，南方科技大学邵理阳教授课题组提出了一种双脉冲相移φ-otdr技术，通过前后两个脉冲之间π/2的相位差，可以将φ-otdr解调信号频率下限扩展到0.5hz。2016年，中科院上海光机所的科研人员通过3×3耦合器对返回的rbs信号进行光学差分，利用3路rbs信号实现了分布式声波传感功能；2023年，意大利的科研人员基于返回光的后端干涉形式，在末端用3×3耦合器的方式得到了3组直流相位差不同的rbs信号，通过算法上组合处理解调出了光纤沿线各点的振动信息。2016年，电子科大王子南教授提出了一种基于90°hybrid方案的零差解调φ-otdr系统，传感长度12.56km，空间分辨率10m；2018年上海交通大学何组源教授课题组在基于线性调频信号的das方案中同样采用90°hybrid实现光纤沿线各点的声波信号提取。上述方案虽然避免了在接收到的rbs信号中引入高频载波，不需要进行高速信号采集，但是均存在成本问题。例如，进行双脉冲相位调制时，需要使用高消光比光脉冲调制器结合铌酸锂相位调制器，不仅对器件的调制技术提出了较高的要求，同时也使得整个光信号调制环节成本较高；采用3×3耦合器方案，接收端至少需要使用2个光电探测器，同时搭配多通道数据采集卡，同样增加了系统的成本；采用90°hybrid方案时，系统成本主要受限于高精度hybrid器件，hybrid中90°的相移也需要进行精确控制，防止外界环境变化导致相移偏离90°。
4、目前在基于φ-otdr的das技术方案中，需要通过解调rbs中的相位信号重构出光纤沿线各点所受的声波或振动信号，通常会使用外差检测或零差检测两种方案。前者会在rbs信号中引入高频载波，对后续的信号接收、解调等造成较大的压力；后者目前方案包括双脉冲相位偏移、3×3耦合器以及90°hybrid等，但以上三种现有方案均存在不同程度的成本问题，限制了其实际大范围应用。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中分布式光纤声波传感系统存在成本高，控制调试困难的缺陷，提供一种能够提升das系统的性价比，降低系统运算的复杂度，解决关键光电子器件成本制约问题的分布式光纤声波传感系统及检测装置。
2、本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
3、一种分布式光纤声波传感系统，其特点在于，所述分布式光纤声波传感系统包括一激光器、一斩波器、一双脉冲发生器、一信号发生器、一滤波器、一第一环形器、一光电探测器、一数据采集系统以及一上位机，
4、所述激光器与斩波器连接，所述斩波器与双脉冲发生器连接，所述信号发生器分别连接所述斩波器以及所述双脉冲发生器，所述双脉冲发生器包括一缠绕延时光纤的压电陶瓷晶体，所述信号发生器向所述斩波器发送脉冲调制信号并向所述压电陶瓷晶体发送相位调制信号；
5、所述双脉冲发生器通过滤波器连接所述第一环形器的第一端口，所述第一环形器的第二端口与所述待测光纤连接，所述第一环形器的第三端口与所述光电探测器，所述双脉冲发生器用于输出双脉冲，双脉冲之间的延时τ根据公式获取，其中c为光波在真空中的光速，n为光纤的有效折射率，δl为延时光纤的长度，w为脉冲宽度；
6、所述光电探测器的输出端与所述数据采集系统连接；
7、所述数据采集系统与所述上位机连接。
8、激光器为窄线宽光源，为整个das系统提供高质量的低相位噪声连续光波，其光频率记作f0。在激光器之后是一个斩波器，其作用在于将连续光波调制为周期性重复脉冲光波，其重复周期记为trep，脉冲宽度记为w。常见的斩波器包括电光调制器(electro-opticmodulator，eom)，声光调制器(acousto-optic modulator，aom)以及半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，soa)等。
9、较佳地，所述双脉冲发生器包括第一耦合器以及第二耦合器，所述第一耦合器前端连接所述斩波器，所述第一耦合器的后端分别连接上臂和下臂，所述上臂与第二耦合器连接，所述下臂通过所述压电陶瓷晶体连接所述第二耦合器，所述第二耦合器还与所述滤波器连接。
10、在斩波器之后为“双脉冲发生器”，用于将一个单脉冲调制为一前一后两个双脉冲。“双脉冲发生器”的基本光路有两种形式，分别为基于mach-zehnder干涉仪型和基于michelson干涉仪型。对于基于mach-zehnder干涉仪型的“双脉冲发生器”，入射单脉冲经过第一耦合器分为两路进入mach-zehnder干涉仪的两臂(“上臂”和“下臂”)，其中通过上臂的光脉冲记为脉冲a，在经过一段光纤到达第二耦合器；通过下臂本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述分布式光纤声波传感系统包括一激光器、一斩波器、一双脉冲发生器、一信号发生器、一滤波器、一第一环形器、一光电探测器、一数据采集系统以及一上位机，
2.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述双脉冲发生器包括第一耦合器以及第二耦合器，所述第一耦合器前端连接所述斩波器，所述第一耦合器的后端分别连接上臂和下臂，所述上臂与第二耦合器连接，所述下臂通过所述压电陶瓷晶体连接所述第二耦合器，所述第二耦合器还与所述滤波器连接。
3.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述双脉冲发生器包括第二环形器以及耦合器，所述斩波器连接第二环形器的第一端口，所述第二环形器的第二端口连接所述耦合器，所述耦合器分别连接上臂和下臂，所述上臂连接第一法拉第旋镜，所述下臂通过所述压电陶瓷晶体连接所述第二法拉第旋镜，所述第二环形器的第三端口与所述滤波器连接。
4.如权利要求2或3所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述压电陶瓷晶体加载的相位调制信号为正弦信号，所述相位调制信号的幅度为ψ、周期为Tmo
5.如权利要求4所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述光电探测器用于获取待测光纤中产生的RBS信号，并经过叠加干涉形成的干涉信号包括：
6.如权利要求5所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述光电探测器用于将所述干涉信号转为电信号；
7.如权利要求6所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述上位机用于：
8.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述滤波器为光带通滤波器，双脉冲发生器通过一掺铒光纤放大器与所述光带通滤波器连接，所述信号发生器向所述数据采集系统发送相位同步信号。
9.一种管道泄漏检测装置，其特征在于，所述管道泄漏检测装置包括如权利要求1至8中任意一项所述的分布式光纤声波传感系统。
10.一种管道振动检测装置，其特征在于，所述管道振动检测装置包括如权利要求1至8中任意一项所述的分布式光纤声波传感系统。
...【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述分布式光纤声波传感系统包括一激光器、一斩波器、一双脉冲发生器、一信号发生器、一滤波器、一第一环形器、一光电探测器、一数据采集系统以及一上位机，
2.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述双脉冲发生器包括第一耦合器以及第二耦合器，所述第一耦合器前端连接所述斩波器，所述第一耦合器的后端分别连接上臂和下臂，所述上臂与第二耦合器连接，所述下臂通过所述压电陶瓷晶体连接所述第二耦合器，所述第二耦合器还与所述滤波器连接。
3.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述双脉冲发生器包括第二环形器以及耦合器，所述斩波器连接第二环形器的第一端口，所述第二环形器的第二端口连接所述耦合器，所述耦合器分别连接上臂和下臂，所述上臂连接第一法拉第旋镜，所述下臂通过所述压电陶瓷晶体连接所述第二法拉第旋镜，所述第二环形器的第三端口与所述滤波器连接。
4.如权利要求2或3所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述压电陶瓷晶体加载的相位调制信号为正弦信号，所述相位调制信号...
【专利技术属性】
技术研发人员：卜一，曹杨，王薇，柳根，彭兵贤，刘飞，尹向涵，刘仲欢，叶星北，
申请(专利权)人：北京热力装备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。