專利名稱：一種超長距離分布式光纖傳感裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及長距離分布式光纖溫度、振動(dòng)傳 感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感裝置基于光線背向散射原理，當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，光纖 中會(huì)不斷產(chǎn)生拉曼散射(斯托克斯、反斯托克斯)、瑞利散射及布里淵散射等散射光，其中 一部分會(huì)反方向傳輸?shù)健霸搭^”，我們稱這部分散射光為“背向散射光”。散射光信號(hào)比較弱， 需要高靈敏度光電探測器和放大電路才能接收到。在分布式光纖傳感裝置中，散射信號(hào)強(qiáng)度隨著探測距離的增加呈指數(shù)關(guān)系下降， 在不降低裝置信噪比的情況下，通常有兩種方法，一是提高光源入射功率，二是提高接收電 路靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍；但實(shí)際上，光源入射功率和接收電力靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍都是有限度 的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足超長距離探測的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、高性能、有效的超長距離分布式光纖傳感裝 置及其使用方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種超長距離分布式光纖傳感裝置，該裝置采用分級的方法，每一級包括兩個(gè)光 纖耦合器、一個(gè)光無源放大模塊(EDFA)、一個(gè)隔離器和一個(gè)具有分光濾光功能的器件；通 過設(shè)定兩個(gè)光纖耦合器的分光比將大功率脈沖光源發(fā)出的光和泵浦激光光源發(fā)出的光按 照需要輸入分光濾光器件和光無源放大模塊，大功率脈沖光源發(fā)出的光經(jīng)過分光濾光器件 進(jìn)入光無源放大模塊，再通過隔離器進(jìn)入下段傳感光纖；兩個(gè)光纖耦合器的另外一端分別 將其余光輸入下一級的兩個(gè)光纖耦合器；裝置采用的傳感光纜至少包含三根光纖，分別用 于傳感光、注入脈沖光和泵浦光的傳輸。大功率脈沖光源發(fā)出的脈沖光經(jīng)第一級光纖耦合器分光后，所需的脈沖光進(jìn)入第 一級的分光濾光器件，經(jīng)過光無源放大模塊進(jìn)入隔離器，泵浦光源的光經(jīng)過另一光纖耦合 器分光，將所需的泵浦光輸入光無源放大模塊用以提供能量，第一級兩個(gè)光纖耦合器將剩 余的脈沖光和泵浦光分別輸入第二級的兩個(gè)光纖耦合器，第二級的兩個(gè)光纖耦合器同樣按 照比例將裝置所需的脈沖光和泵浦光輸入第二級分光濾光器件和光無源放大模塊，剩余光 輸入第三級的兩個(gè)光纖耦合器，依次向下傳輸。光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的后向散射光沿傳 感光纖后向傳輸，至各級中繼放大模塊時(shí)經(jīng)EDFA放大、分光濾光器件的濾光分離得到需要 的各種后向散射光，從而完成后向散射光的提取，提取出的后向散射光進(jìn)入裝置主機(jī)的處 理系統(tǒng)，完成分布式光纖傳感裝置的信號(hào)處理工作。裝置每一級設(shè)置一個(gè)隔離器，只能允許后向散射光向前傳輸，從而防止上一級的 光脈沖對下一級產(chǎn)生影響，導(dǎo)致下一級可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)脈沖光的情形。
大功率脈沖光源用于產(chǎn)生大功率脈沖光源，該光源經(jīng)過多個(gè)耦合器間隔一定長度 注入傳感光纜，從而提高超大長度系統(tǒng)信噪比；光纖耦合器用于脈沖光源和泵浦光源的分配；它的輸出端比例可以根據(jù)大功率脈 沖光源和裝置需要探測光纜的長度來設(shè)定；泵浦光源用于光無源放大模塊的泵浦光源，是光無源放大模塊的能量來源，通過 EDFA將其能量轉(zhuǎn)化到后向散射光信號(hào)上；分光濾光器件用于將脈沖光引入到探測光纜中，同時(shí)將需要分離的后向散射光過 濾出來。EDFA是標(biāo)準(zhǔn)摻鉺光纖光大器的簡化形式，主要是其中的無源部分，而將有源部分 提到了最前端，從而實(shí)現(xiàn)中繼放大的無源放大；續(xù)接接口用于裝置擴(kuò)展，從而可以接入更長的探測光纜；處理系統(tǒng)用于光散射信號(hào)的接收、放大及處理。本發(fā)明所述的超長距離分布式光纖傳感裝置的優(yōu)點(diǎn)在于大功率脈沖光源通過多 個(gè)光纖耦合器的按比例分配及傳輸光纖的傳輸，分級進(jìn)入探測光纖，定長度實(shí)現(xiàn)探測光脈 沖的“再放大”，從而在“源”的角度上提高了系統(tǒng)信噪比；這種分級傳輸探測光脈沖的方法 一方面可以避免超限光功率直接進(jìn)入探測光纜導(dǎo)致非線性散射的問題；一方面可以減少連 續(xù)光傳輸導(dǎo)致的更大能量的損耗。隔離器的存在則可以完全避免上級光脈沖和下級光脈沖 同時(shí)出現(xiàn)在下級探測光纜中的情形，從而保證系統(tǒng)空間分辨率不受影響。泵浦光源通過耦 合器、傳輸光纜及EDFA將能量轉(zhuǎn)移到各級后向散射信號(hào)中，從而從“信號(hào)”的角度上直接提 高了系統(tǒng)信噪比。裝置由于采用了分級設(shè)計(jì)，大大降低了對接收電路的接收靈敏度和動(dòng)態(tài) 范圍的要求。另外裝置采用了可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可方便實(shí)現(xiàn)從短距離，到長距離，再到超長距離 的探測。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所述的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施步驟。實(shí)施例1 如圖1，大功率脈沖光源1發(fā)出的脈沖光經(jīng)過光纖耦合器2分成兩部分， 一部分直接進(jìn)入第一級的波分復(fù)用器4，另一部分通過傳輸光纖進(jìn)入第二級的光纖耦合器 11 ；波分復(fù)用器4和光無源放大模塊5相連，泵浦光源3發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器13分 光，一部分進(jìn)入光無源放大模塊5為其提供能量，另一部分通過傳輸光纖進(jìn)入第二級光纖 耦合器14，EDFA無源模塊5和隔離器6相連；第二級光纖耦合器11和14分別按照需要將 脈沖光和泵浦光輸入第二級波分復(fù)用器7和光無源放大模塊8，其余光通過傳輸光纖傳輸 至下一級光纖耦合器，連接端口 15可以根據(jù)實(shí)際需要連接多級中繼放大模塊。光在探測光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的后向散射光沿探測光纖后向傳輸，至各級中繼放大 模塊時(shí)經(jīng)EDFA放大、波分復(fù)用器的濾光，分離得到攜帶溫度信號(hào)的反斯托克斯光和作為參 考信號(hào)的斯托克斯光，從而完成后向散射光的提取，提取出的后向散射光進(jìn)入裝置主機(jī)的
5處理系統(tǒng)16，完成分布式光纖傳感裝置的信號(hào)處理工作。本實(shí)施例所述的裝置可以用于分布式光纖溫度傳感裝置，大功率脈沖光源發(fā)出波 長為1550nm的脈沖光，分級注入探測光纖中后會(huì)產(chǎn)生后向散射光，利用各級EDFA放大探測 光纖中產(chǎn)生的后向拉曼散射光，并通過各級的波分復(fù)用器將攜帶溫度信號(hào)的反斯托克斯光 和作為參考信號(hào)的斯托克斯光分離出來，最終進(jìn)入處理系統(tǒng)16進(jìn)行后續(xù)處理。實(shí)施例2 如圖2，大功率脈沖光源1發(fā)出的脈沖光經(jīng)過光纖耦合器2分成兩部分， 一部分直接進(jìn)入第一級的環(huán)形器4，另一部分通過傳輸光纖進(jìn)入第二級的光纖耦合器11 ； 環(huán)形器4和光無源放大模塊5相連，泵浦光源3發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器13分光，一部分 進(jìn)入光無源放大模塊5為其提供能量，另一部分通過傳輸光纖進(jìn)入第二級光纖耦合器14， EDFA無源模塊5和隔離器6相連；第二級光纖耦合器11和14分別按照需要將脈沖光和泵 浦光輸入第二級環(huán)形器7和光無源放大模塊8，其余光通過傳輸光纖傳輸至下一級光纖耦 合器，連接端口 15可以根據(jù)實(shí)際需要連接多級中繼放大模塊。本實(shí)施例所述的裝置可以用于分布式光纖振動(dòng)傳感裝置，型號(hào)為 KOHERASBoostiKTM Module高功率單頻光纖激光器的大功率窄脈沖光源發(fā)出波長為1550nm 的脈沖光，分級注入探測光纖中后會(huì)產(chǎn)生后向散射光，利用各級EDFA放大探測光纖中產(chǎn)生 的后向瑞利散射光，并通過環(huán)形器4最終進(jìn)入處理系統(tǒng)16進(jìn)行后續(xù)處理。
權(quán)利要求
1.一種超長距離分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的裝置采用多級中繼放大模 塊，每級中繼放大模塊包括兩個(gè)光纖耦合器、一個(gè)分光濾光器件和一個(gè)光無源放大模塊 ’大 功率脈沖光源發(fā)出的脈沖光經(jīng)光纖耦合器的分光將探測所需的脈沖光輸入第一級分光濾 光器件，其余脈沖光通過傳輸光纖輸入第二級光纖耦合器，泵浦光源發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖 耦合器分光后將所需的泵浦光輸入光無源模塊為其提供能量，其余泵浦光輸入第二級對應(yīng) 的光纖耦合器；級與級之間分離脈沖光的光纖耦合器和分離泵浦光的光纖耦合器分別通過 一根傳輸光纖相連，級與級之間光無源模塊和分光濾光器件通過一根探測光纖相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超長距離分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的第 二級開始每級中繼放大模塊前，增加一個(gè)隔離器，一端連接探測光纖，一端連接分光濾光器 件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超長距離分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的中 繼放大模塊作為一個(gè)整體，嵌入兩段探測光纜的連接處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超長距離分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的每 一級的兩個(gè)光纖耦合器，輸出端的分光比可以根據(jù)光源的功率和需要探測的長度計(jì)算設(shè)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超長距離分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的分 光濾光器件可以為波分復(fù)用器、光纖耦合器或者環(huán)形器等能把探測脈沖引入探測光纜，同 時(shí)能過濾所需后向散射光的器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超長距離分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述的光 無源放大模塊可以為摻鉺光纖放大器。
7.一種利用權(quán)利要求1所述的超長距離分布式光纖傳感裝置測量溫度的方法，其特征 在于該方法包括下列步驟a、大功率脈沖光源發(fā)出的脈沖光經(jīng)第一級光纖耦合器分光后，所需的脈沖光進(jìn)入第 一級的波分復(fù)用器，其余脈沖光進(jìn)入第二級光纖耦合器，波分復(fù)用器將脈沖光引入探測光 纖；b、脈沖光在探測光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生后向拉曼散射光，后向拉曼散射光經(jīng)中繼放大模塊 中的光無源放大模塊放大后進(jìn)入波分復(fù)用器進(jìn)行濾波，泵浦光源發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合 器分光，所需的泵浦光進(jìn)入光無源模塊為后向拉曼散射光提供能量，其余泵浦光進(jìn)入第二 級光纖耦合器；C、波分復(fù)用器將攜帶溫度信號(hào)的反斯托克斯光和作為參考信號(hào)的斯托克斯光分離過 濾后進(jìn)入處理裝置進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理，從而完成該段探測光纖的溫度信號(hào)探測；d、第二級光纖耦合器將該級所需的脈沖光信號(hào)輸入波分復(fù)用器，繼續(xù)上述步驟，完成 該段探測光纜的測量；隔離器用于阻擋前段探測脈沖波只能允許后向散射光向前傳輸，從 而防止上一級的光脈沖對下一級產(chǎn)生影響，導(dǎo)致下一級可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)脈沖光的情形。e、各級中繼放大模塊嵌入探測光纜的連接處，根據(jù)測量需要，可以實(shí)現(xiàn)N級連接。
8.一種利用權(quán)利要求1所述的超長距離分布式光纖傳感裝置測量振動(dòng)的方法，其特征 在于該方法包括下列步驟a、大功率脈沖光源發(fā)出的脈沖光經(jīng)第一級光纖耦合器分光后，所需的脈沖光進(jìn)入第一 級的環(huán)形器，其余脈沖光進(jìn)入第二級光纖耦合器，環(huán)形器將脈沖光引入探測光纖；b、脈沖光在探測光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生后向瑞利散射光，后向瑞利散射光經(jīng)中繼放大模 塊中的光無源放大模塊放大后進(jìn)入環(huán)形器，泵浦光源發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器分光，所 需的泵浦光進(jìn)入光無源模塊為后向瑞利散射光提供能量，其余泵浦光進(jìn)入第二級光纖耦合 器；C、環(huán)形器將后向瑞利散射光輸入處理裝置進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理，從而完成該段探測光纖 的溫度信號(hào)探測；d、第二級光纖耦合器將該級所需的脈沖光信號(hào)輸入環(huán)形器，繼續(xù)上述步驟，完成該段 探測光纜的測量；隔離器用于阻擋前段探測脈沖波，只能允許后向瑞利散射光向前傳輸，從 而防止上一級的光脈沖對下一級產(chǎn)生影響，導(dǎo)致下一級可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)脈沖光的情形。e、各級中繼放大模塊嵌入探測光纜的連接處，根據(jù)測量需要，可以實(shí)現(xiàn)N級連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超長距離分布式光纖傳感裝置及其測量溫度和振動(dòng)信號(hào)的方法，采用多級中繼放大模塊，大功率脈沖光源通過多個(gè)光纖耦合器的按比例分配及傳輸光纖的傳輸，分級進(jìn)入探測光纖，定長度實(shí)現(xiàn)探測光脈沖的“再放大”，從而在“源”的角度上提高了系統(tǒng)信噪比；一方面可以避免超限光功率直接進(jìn)入探測光纜導(dǎo)致非線性散射的問題；一方面可以減少連續(xù)光傳輸導(dǎo)致的更大能量的損耗。裝置由于采用了分級設(shè)計(jì)，大大降低了對接收電路的接收靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的要求。另外裝置采用了可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可方便實(shí)現(xiàn)從短距離，到長距離，再到超長距離的探測。
文檔編號(hào)G01D5/353GK102072741SQ20101052627
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者仝芳軒, 周正仙, 席剛, 皋魏, 郭兆坤 申請人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司