專利名稱：基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式光纖振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器。
背景技術(shù)：
對(duì)于油氣管線泄漏探測(cè)、安全周界防護(hù)、結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)等應(yīng)用要求，通過振動(dòng)擾動(dòng)探測(cè)與定位是實(shí)現(xiàn)預(yù)警、預(yù)報(bào)最為行之有效的方法。在這些應(yīng)用中，振動(dòng)擾動(dòng)的探測(cè)與定位需要對(duì)連續(xù)大范圍空間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是傳統(tǒng)傳感器所無法勝任的，而分布式傳感技術(shù)的顯著特點(diǎn)是光纖上每一點(diǎn)都可以作為傳感元，因此可準(zhǔn)確探測(cè)沿光纖軸向分布任一點(diǎn)的振動(dòng)擾動(dòng)信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)源擾動(dòng)點(diǎn)的精確定位。
分布式光纖振動(dòng)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括對(duì)工程結(jié)構(gòu)與大型建筑健康監(jiān)測(cè)，輸油、氣管線的維護(hù)，輸電線路故障預(yù)警，以及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于分布式振動(dòng)傳感器的研究通常有以下幾種馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉型、Sagnac干涉型、布里淵光時(shí)域反射型(BOTDR)、相位敏感光時(shí)域反射型(0-OTDR)、偏振光時(shí)域反射型(POTDR)等。干渉型分布式光纖振動(dòng)傳感器相對(duì)于基于OTDR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、響應(yīng)快，但對(duì)振動(dòng)源的定位精度差，尤其是無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)擾動(dòng)的同時(shí)定位。相位敏感光時(shí)域反射型(P-OTDR)具有定位精度高的能力，但需要采用窄線寬光源，并通過多次測(cè)量后的相減運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，因此測(cè)量距離短、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。由于光纖纖芯折射率的起伏，光在傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生瑞利散射，利用光時(shí)域探測(cè)(OTDR)技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)光纖鏈路中事件的精確定位，因此基于后向散射技術(shù)的分布式光纖傳感器通常采用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量精確定位。但傳統(tǒng)的OTDR對(duì)后向散射光信號(hào)的功率進(jìn)行探測(cè)，一方面光波信號(hào)的功率對(duì)振動(dòng)擾動(dòng)靈敏度不高，另ー方面后向散射光信號(hào)非常微弱，需要多次測(cè)量平均處理，因此僅適合于檢測(cè)緩慢變化的擾動(dòng)，對(duì)瞬時(shí)擾動(dòng)幾乎無法檢測(cè)。光纖中光波信號(hào)的偏振態(tài)對(duì)外部的振動(dòng)擾動(dòng)異常敏感，基于光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)的POTDR則特別適合于監(jiān)測(cè)環(huán)境中瞬時(shí)微弱振動(dòng)擾動(dòng)的探測(cè)。POTDR與OTDR相似，所不同的是POTDR利用單模光纖中背向瑞利散射光的偏振態(tài)工作，所以在光纖鏈路前端需要起偏獲得線偏振，而接收端則需要解偏輸出光信號(hào)。但是，現(xiàn)有的各項(xiàng)應(yīng)用于分布式振動(dòng)傳感的技術(shù)中，普遍存在無法進(jìn)行多振動(dòng)點(diǎn)同時(shí)精確定位的問題?？紤]實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，多點(diǎn)振動(dòng)源同時(shí)發(fā)生的情況是不可避免的，這個(gè)問題的解決能夠?qū)⒎植际焦饫w傳感技術(shù)進(jìn)一歩推向?qū)嵱没?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)上的局限性，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源同時(shí)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器。本發(fā)明米用的技術(shù)方案是對(duì)后向散射光中兩個(gè)相互正交的偏振態(tài)進(jìn)行差分探測(cè)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源同時(shí)定位，其理論依據(jù)在于兩點(diǎn)，ー是光纖中傳輸光波信號(hào)的偏振態(tài)對(duì)光纖感知振動(dòng)擾動(dòng)異常敏感，能夠探測(cè)微弱的振動(dòng)信號(hào)，克服傳統(tǒng)OTDR探測(cè)微弱擾動(dòng)的局限性；ニ是同一光信號(hào)中兩個(gè)相互正交的偏振態(tài)的功率和基本不變，所以振動(dòng)擾動(dòng)對(duì)兩偏振態(tài)的影響就具有彼增我減的特點(diǎn)，差分探測(cè)的信號(hào)對(duì)振動(dòng)擾動(dòng)具有一定的規(guī)律。本發(fā)明的整個(gè)振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括有光收發(fā)模塊，光纖鏈路模塊和信號(hào)處理模塊。所述光收發(fā)模塊的功能主要是光信號(hào)的發(fā)送和接收，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生探測(cè)光脈沖，可以根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求選擇激光波長(zhǎng)為1310nm或1550nm的半導(dǎo)體激光器，并且發(fā)出的探測(cè)光脈沖寬度在信號(hào)處理模塊中嵌入式計(jì)算機(jī)的控制下改變。而接收端由兩個(gè)光電探測(cè)器接收到兩正交偏振的后向散射光，并在電路上實(shí)現(xiàn)差分運(yùn)算與放大。所述光纖鏈路模塊包括偏振控制器，起偏器，光環(huán)行器，傳感光纖，偏振分束器。所述偏振控制器用于控制激光光源輸出光脈沖的偏振態(tài)，降低起偏帶來的功率損失和光源隨機(jī)偏振態(tài)變化帶來功率波動(dòng)。所述光環(huán)行器是3端ロ環(huán)行器，作用是引導(dǎo)探測(cè)光脈沖從確定端ロ耦合進(jìn)傳感光纖，而后向散射光從另一端ロ輸出。所述傳感光纖是通用的標(biāo)準(zhǔn)單 模光纖，沿傳感光纖軸向空間上任意點(diǎn)即為傳感兀，同時(shí)整段傳感光纖也作為探測(cè)光和后向散射光的傳輸通道。所述偏振分束器是ー個(gè)特殊的1X2耦合器，能夠?qū)ⅸ`個(gè)輸入光信號(hào)分解為兩束正交偏振光，送入光電探測(cè)器進(jìn)行后續(xù)處理。信號(hào)處理模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器和嵌入式計(jì)算機(jī)。所述A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高速采樣后送入嵌入式計(jì)算機(jī)處理。所述嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感數(shù)據(jù)的處理、分析，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)擾動(dòng)源的精確定位，并提供VGA、USB、RS232C、井口等接ロ。本發(fā)明采用了一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源同時(shí)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，不僅具有分布式光纖傳感的所有優(yōu)點(diǎn)，還具有以下特點(diǎn)I、對(duì)微弱的振動(dòng)擾動(dòng)探測(cè)，探測(cè)靈敏度聞，定位精度聞;2、對(duì)多點(diǎn)振動(dòng)源能同時(shí)定位；3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有源器件較少，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高；4、采用硬件進(jìn)行差分運(yùn)算和信號(hào)處理，響應(yīng)速度快。


圖I是基于偏振態(tài)差分探測(cè)的分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是系統(tǒng)中光纖鏈路模塊及與其他模塊的連接示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源同時(shí)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，按照?qǐng)DI搭建整個(gè)傳感系統(tǒng)，其中的光纖鏈路模塊及與其他模塊的連接示意圖如圖2所不。脈沖激光器發(fā)出具有一定脈寬和周期的激光脈沖,光脈沖的波長(zhǎng)為1310nm或1550nm，發(fā)出的探測(cè)光脈沖寬度在嵌入式計(jì)算機(jī)的控制下可以改變。經(jīng)過偏振控制器，控制激光光源輸出光脈沖的偏振態(tài)，降低了起偏帶來的功率損失和光源隨機(jī)偏振態(tài)變化帶來功率波動(dòng)。通過起偏器將輸入信號(hào)變換成具有確定偏振態(tài)的線偏振光，然后注入一個(gè)環(huán)行器，環(huán)行器輸出的是傳感光纖的后向散射信號(hào)，姆ー個(gè)不同的時(shí)刻包含有傳感光纖上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏振信息，最后通過偏振分束器來分解后向散射信號(hào)的偏振態(tài)，得到兩路振動(dòng)方向相互垂直的偏振光，并將這兩路信號(hào)送入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為含有振動(dòng)擾動(dòng)信息的電信號(hào)，先后進(jìn)行電路上的差分運(yùn)算、放大處理，最后由嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，顯示處理結(jié)果。本發(fā)明提出的振動(dòng)擾動(dòng)定位原理如下所述在振動(dòng)點(diǎn)以前光纖中傳輸?shù)幕臼蔷€偏振光，差分以后光功率在ー個(gè)固定的幅度范圍內(nèi)波動(dòng)；在振動(dòng)點(diǎn)由于光彈效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)雙折射，改變了原有光信號(hào)的偏振態(tài)，首個(gè)振動(dòng)點(diǎn)以后偏振態(tài)差分的光功率將在另ー個(gè)固定的幅度范圍內(nèi)波動(dòng)；若之后還存在振動(dòng)點(diǎn)，偏振態(tài)差分的光功率將又在ー個(gè)不同的但固定的幅度范圍內(nèi)波動(dòng)，以此類推，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的同時(shí)定位。本發(fā)明提出的分布式振動(dòng)傳感器的最大可測(cè)距離主要由激光源的光功率和光接收模塊的接收靈敏度確定，分辨率主要由脈寬決定，定位精度主要由采樣頻率確定。綜上所述，本發(fā)明是在現(xiàn)有的光時(shí)域反射技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用偏振分束器進(jìn)行偏振態(tài)的差分探測(cè)和嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析以后實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源的同時(shí)定 位，此方案簡(jiǎn)單，靈敏度高，易于實(shí)施且定位準(zhǔn)確。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于，包括 光收發(fā)模塊包括激光光源與光電探測(cè)器，其主要功能分別是產(chǎn)生探測(cè)光脈沖和接收兩正交的偏振光。
光纖鏈路模塊包括偏振控制器、起偏器、光環(huán)行器、傳感光纖、偏振分束器，其功能是將探測(cè)光脈沖耦合進(jìn)傳感光纖中，并對(duì)傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光進(jìn)行偏振態(tài)分解，輸出兩正交的偏振光。
信號(hào)處理模塊包括差分探測(cè)與放大、A/D轉(zhuǎn)換器和嵌入式計(jì)算機(jī)，其主要功能是進(jìn)行兩正交偏振光信號(hào)的差分探測(cè)，通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)沿傳感光纖軸向分布的振動(dòng)擾動(dòng)源的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于，激光光源在嵌入式計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)源控制下產(chǎn)生探測(cè)激光脈沖，而接收端由兩個(gè)光電探測(cè)器接收兩正交偏振的后向散射光，在電路上實(shí)現(xiàn)差分運(yùn)算與放大，通過數(shù)據(jù)分析和處理實(shí)現(xiàn)振動(dòng)擾動(dòng)源的定位，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)擾動(dòng)源的同時(shí)定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于，激光光源采用半導(dǎo)體激光器，激光波長(zhǎng)為1310nm或1550nm，產(chǎn)生的探測(cè)光脈沖寬度由嵌入式計(jì)算機(jī)控制可變。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述偏振控制器控制激光光源輸出光脈沖的偏振態(tài)，降低起偏帶來的功率損失和光源隨機(jī)偏振態(tài)變化引起的功率波動(dòng)。所述光環(huán)行器是3端口環(huán)行器，作用是引導(dǎo)探測(cè)光脈沖從確定端口I禹合進(jìn)傳感光纖，而后向散射光從另一端口輸出。所述傳感光纖是通用的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，沿傳感光纖軸向空間上任意點(diǎn)均可作為傳感元，同時(shí)整段傳感光纖也是探測(cè)光和后向散射光的傳輸通道。所述偏振分束器是一個(gè)特殊的1X2耦合器，能夠?qū)⒁惠斎牍庑盘?hào)分解為兩束正交偏振態(tài)光信號(hào)輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，各光路器件連接的特征在于，激光光源輸出的光脈沖經(jīng)過偏振控制器后連接到起偏器，將探測(cè)光脈沖變換成有確定偏振態(tài)的線偏振光，然后注入進(jìn)光環(huán)行器的I端口，探測(cè)光脈沖經(jīng)光環(huán)行器的2端口耦合進(jìn)傳感光纖，傳感光纖中的后向散射信號(hào)則從光環(huán)行器的3端口輸出，最后通過偏振分束器分解為兩正交偏振的光信號(hào)，并送入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為含有振動(dòng)擾動(dòng)信息的電信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)可多點(diǎn)定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述差分探測(cè)與放大由差分放大器和主放大器組成，實(shí)現(xiàn)兩正交偏振態(tài)信號(hào)的差分探測(cè)和放大。所述A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高速采樣后送入嵌入式計(jì)算機(jī)處理。所述嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的處理、分析，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)擾動(dòng)源的精確定位，并提供VGA、USB、RS232C、并口 等接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于偏振態(tài)差分探測(cè)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源定位的分布式光纖振動(dòng)傳感器，該傳感器在現(xiàn)有光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，利用偏振分束器對(duì)傳感光纖中后向散射光的偏振態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，偏振分束器輸出的兩正交偏振光分別用兩只光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后對(duì)兩探測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算與放大處理，并由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，送入到嵌入式計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)沿光纖軸向分布振動(dòng)源的精確定位。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)沿光纖軸向分布多點(diǎn)微弱振動(dòng)源的同時(shí)定位。本發(fā)明采用的方案簡(jiǎn)單、可靠，易于實(shí)施和維護(hù)，適合于長(zhǎng)距離敷設(shè)傳感光纖所感知的微弱振動(dòng)信號(hào)探測(cè)與精確定位。
文檔編號(hào)G01D5/34GK102809421SQ201110145638
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者代志勇, 朱燕, 彭增壽, 劉永智 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)