專(zhuān)利名稱(chēng)：基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感以及安全防護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及基于相位解調(diào)的超大動(dòng)態(tài)范圍的分布式光纖傳感裝置及方法。
背景技術(shù)：
1993 年，Φ-OTDR(Phase sensitive Opitcal Time Domain Reflector,相敏時(shí)域反射儀)技術(shù)由美國(guó)農(nóng)機(jī)大學(xué)Taylor教授發(fā)明(US5194847)。該技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，受到各國(guó)分布式傳感研究人員以及公司的關(guān)注。Φ-OTDR技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)強(qiáng)度，來(lái)間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵信號(hào)的檢測(cè)。對(duì)于Φ-OTDR技術(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)80Km的長(zhǎng)距離分布式傳感，以O(shè). 2dB/Km的損耗計(jì)算，總共需要檢測(cè)電路具有32dB的動(dòng)態(tài)范圍。如果檢測(cè)距離更長(zhǎng)，則需要更大的動(dòng)態(tài)范圍。這就對(duì)檢測(cè)方法提出了非常高的要求。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，一些專(zhuān)利也已經(jīng)提出了一些方法，如華魏公司申請(qǐng)專(zhuān)利CN101603856A，利用N個(gè)光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量，但是這種方法需要N路光電探測(cè)器，導(dǎo)致光路系統(tǒng)復(fù)雜，大大提高了成本。華魏公司申請(qǐng)專(zhuān)利 CN101625264A，雖然利用對(duì)數(shù)放大器提高檢測(cè)范圍，但是后續(xù)仍然需要用控制增益的辦法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)整。事實(shí)上，入侵改變的是光在光纖中傳輸?shù)南辔?。而傳統(tǒng)Φ-OTDR技術(shù)直接通過(guò)光強(qiáng)來(lái)近似獲得光相位的變化，容易受光強(qiáng)自身波動(dòng)以及激光器強(qiáng)度噪聲(Relative Intensity noise, RIN)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)范圍大的基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感裝置，包括依次連接的光源和傳感光纖；所述傳感裝置進(jìn)一步包括第一耦合器，所述第一耦合器用于將光源發(fā)出的光分別耦合進(jìn)光調(diào)制器、第二耦合器；光調(diào)制器，所述光調(diào)制器用于將連續(xù)光調(diào)整為脈沖光和/或調(diào)整光的頻率，調(diào)整后的光進(jìn)入所述傳感光纖；驅(qū)動(dòng)模塊，所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端分別連接所述光調(diào)制器、鎖相放大器；第二耦合器，所述第二耦合器用于將傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光耦合到探測(cè)器；探測(cè)器，所述探測(cè)器用于將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到自動(dòng)增益控制模塊；自動(dòng)增益控制模塊，所述自動(dòng)增益控制模塊用于將所述電信號(hào)調(diào)整為相對(duì)等幅度的信號(hào)，并傳送到鎖相放大器；鎖相放大器，所述鎖相放大器用于解調(diào)所述相對(duì)等幅度的信號(hào)，參考信號(hào)來(lái)自所述驅(qū)動(dòng)模塊；信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊用于處理所述鎖相放大器傳送來(lái)的信號(hào)，用于獲知所述傳感光纖感知的信息。根據(jù)上述的分布式光纖傳感裝置，優(yōu)選地，所述自動(dòng)增益控制模塊進(jìn)一步包括增益受控放大子模塊，所述增益受控放大子模塊的輸入端連接所述探測(cè)器，輸出端分別連接所述鎖相放大器的輸入端、受控電壓成形子模塊的輸入端；受控電壓成形子模塊，所述受控電壓成形子模塊的輸出端連接所述增益受控放大子模塊的輸入端。根據(jù)上述的分布式光纖傳感裝置，可選地，所述傳感裝置進(jìn)一步包括環(huán)形器，所述光調(diào)整器的出射光通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的散射光信號(hào)傳輸?shù)剿龅诙詈掀鳌８鶕?jù)上述的分布式光纖傳感裝置，優(yōu)選地，所述光源為連續(xù)光源。根據(jù)上述的分布式光纖傳感裝置，優(yōu)選地，所述光調(diào)制器為聲光調(diào)制器。本發(fā)明的目的是還通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感方法，所述方法包括以下步驟(Al)光源發(fā)出的光一部分通過(guò)第一耦合器進(jìn)入光調(diào)制器，另一部分進(jìn)入第二耦合器；(A2)所述光調(diào)制器在驅(qū)動(dòng)模塊作用下將連續(xù)光調(diào)制為脈沖光和/或調(diào)整脈沖光的頻率，調(diào)整后的光進(jìn)入傳感光纖；(A3)第二耦合器將所述傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光耦合進(jìn)探測(cè)器，所述散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光間發(fā)生干涉；(A4)探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到自動(dòng)增益控制模塊；(A5)自動(dòng)增益控制模塊將所述電信號(hào)調(diào)整為相對(duì)等幅度的信號(hào)，并傳送到鎖相放大器；(A6)鎖相放大器解調(diào)所述相對(duì)等幅度的信號(hào)，參考信號(hào)來(lái)自所述驅(qū)動(dòng)模塊；(A7)信號(hào)處理模塊處理所述鎖相放大器傳送來(lái)的信號(hào)，從而獲知所述傳感光纖感知的信息。根據(jù)上述的方法，優(yōu)選地，所述光源為窄線(xiàn)寬激光器。根據(jù)上述的方法，可選地，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(BI)所述光調(diào)制器的輸出光通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的散射光信號(hào)傳輸?shù)剿龅诙詈掀?。根?jù)上述的方法，可選地，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(Cl)判斷模塊判斷所述信號(hào)處理模塊傳送來(lái)的振動(dòng)是否超出閾值，若超過(guò)閾值， 則提示報(bào)警。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明是在原先Φ-OTDR技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了利用鎖相放大器進(jìn)行相位解調(diào)的辦法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光相位的實(shí)時(shí)解調(diào)。利用該方法可以減少激光器的強(qiáng)度噪聲(RIN)，減少由于各種原因引起的幅度變化導(dǎo)致的噪聲，大大提高了信噪比。與此同時(shí)，采用了自動(dòng)增益控制裝置，可以滿(mǎn)足長(zhǎng)距離測(cè)試中所需的大動(dòng)態(tài)范圍，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?；谝陨细倪M(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了基于相位解調(diào)的超大動(dòng)態(tài)范圍的分布式測(cè)量。動(dòng)態(tài)范圍大，定位精度高，干涉?zhèn)鞲徐`敏度高，檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的帶寬大，并且能可多點(diǎn)定位等。


參照附圖，本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是這些附圖僅僅用于舉例說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而并非意在對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。 圖中圖I是本發(fā)明實(shí)施例I的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例I的方法的流程圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1-4和以下說(shuō)明描述了本發(fā)明的可選實(shí)施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導(dǎo)本發(fā)明技術(shù)方案，已簡(jiǎn)化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實(shí)施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個(gè)變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可選實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。實(shí)施例I :圖I示意性地給出了本發(fā)明實(shí)施例的基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感裝置的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖I所示，所述傳感裝置包括依次連接的光源和傳感光纖；所述光源可采用激光器，如窄線(xiàn)寬的連續(xù)式半導(dǎo)體激光器；所述傳感裝置進(jìn)一步包括第一耦合器，所述第一耦合器用于將光源發(fā)出的光分別耦合進(jìn)光調(diào)制器、第二耦合器；光調(diào)制器，所述光調(diào)制器用于將連續(xù)光調(diào)整為脈沖光和/或調(diào)整光的頻率，調(diào)整后的光進(jìn)入所述傳感光纖；優(yōu)選地，所述光調(diào)制器采用聲光調(diào)制器。驅(qū)動(dòng)模塊，所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端分別連接所述光調(diào)制器、鎖相放大器，用于向光調(diào)制器發(fā)出調(diào)制信號(hào)，向鎖相放大器提供參考信號(hào)；第二耦合器，所述第二耦合器用于將傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光耦合到探測(cè)器；傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光間發(fā)生干涉；探測(cè)器，所述探測(cè)器用于將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到自動(dòng)增益控制模塊；自動(dòng)增益控制模塊，所述自動(dòng)增益控制模塊用于將所述電信號(hào)調(diào)整為相對(duì)等幅度的信號(hào)，并傳送到鎖相放大器；優(yōu)選地,所述自動(dòng)增益控制模塊進(jìn)一步包括增益受控放大子模塊，所述增益受控放大子模塊的輸入端連接所述探測(cè)器，輸出端分別連接所述鎖相放大器的輸入端、受控電壓成形子模塊的輸入端；受控電壓成形子模塊，所述受控電壓成形子模塊的輸出端連接所述增益受控放大子模塊的輸入端。由于探測(cè)器的輸出直接與增益受控電路的輸入相連接。增益受控放大電路的輸出電壓Uo經(jīng)檢波并經(jīng)濾波器濾除低頻調(diào)制分量和噪聲后，產(chǎn)生增益受控放大電路的輸出電壓Uc。當(dāng)輸入信號(hào)Ui增大時(shí)，Uo和Uc也隨之增大。Uc增大使增益受控放大電路的增益下降，從而使輸出信號(hào)幅度Uo的變化量大大小于輸入信號(hào)幅度Ui的變化量，達(dá)到自動(dòng)增益控制目的。只要輸入光功率足夠強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍則主要取決于自動(dòng)增益控制裝置，例如對(duì)于自動(dòng)增益控制裝置的輸入動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60dB，則整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到60dB，滿(mǎn)足150Km(以O(shè). 2dB/Km計(jì)算)的長(zhǎng)距離檢測(cè)需求；鎖相放大器，所述鎖相放大器用于解調(diào)所述相對(duì)等幅度的信號(hào)，參考信號(hào)來(lái)自所述驅(qū)動(dòng)模塊；信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊用于處理所述鎖相放大器傳送來(lái)的信號(hào)，用于獲知所述傳感光纖感知的信息。圖2示意性地給出了利用上述傳感裝置的基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感方法， 如圖2所示，所述方法包括以下步驟(Al)光源發(fā)出的光一部分通過(guò)第一耦合器進(jìn)入光調(diào)制器，另一部分進(jìn)入第二耦合器；(A2)所述光調(diào)制器在驅(qū)動(dòng)模塊作用下將連續(xù)光調(diào)制為脈沖光和/或調(diào)整脈沖光的頻率，調(diào)整后的光進(jìn)入傳感光纖；(A3)第二耦合器將所述傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光耦合進(jìn)探測(cè)器，所述散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光間發(fā)生干涉；(A4)探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到自動(dòng)增益控制模塊；(A5)自動(dòng)增益控制模塊將所述電信號(hào)調(diào)整為相對(duì)等幅度的信號(hào)，并傳送到鎖相放大器；(A6)鎖相放大器解調(diào)所述相對(duì)等幅度的信號(hào)，參考信號(hào)來(lái)自所述驅(qū)動(dòng)模塊。鎖相放大器的參考信號(hào)來(lái)源于調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)裝置，鎖相放大器的輸出信號(hào)進(jìn)入信號(hào)采集與處理裝置，信號(hào)采集與處理裝置通過(guò)同步信號(hào)控制調(diào)制器驅(qū)動(dòng)裝置；調(diào)制器驅(qū)動(dòng)裝置輸出至鎖相放大器的參考端，通過(guò)鎖相放大器對(duì)幅度穩(wěn)定的干涉信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)。由于鎖相放大器解調(diào)的是干涉信號(hào)的相位信息，因此該解調(diào)方法抑制了幅度噪聲。解調(diào)輸出包含了光纖的相位信息變化((a)。而入侵動(dòng)作導(dǎo)致的相位變化包括折射率n (t)和長(zhǎng)度L(t)的變化， 即
權(quán)利要求
1.基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感裝置，包括依次連接的光源和傳感光纖；其特征在于所述傳感裝置進(jìn)一步包括第一耦合器，所述第一耦合器用于將光源發(fā)出的光分別耦合進(jìn)光調(diào)制器、第二耦合器；光調(diào)制器，所述光調(diào)制器用于將連續(xù)光調(diào)整為脈沖光和/或調(diào)整光的頻率，調(diào)整后的光進(jìn)入所述傳感光纖；驅(qū)動(dòng)模塊，所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端分別連接所述光調(diào)制器、鎖相放大器；第二耦合器，所述第二耦合器用于將傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光耦合到探測(cè)器；探測(cè)器，所述探測(cè)器用于將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到自動(dòng)增益控制模塊；自動(dòng)增益控制模塊，所述自動(dòng)增益控制模塊用于將所述電信號(hào)調(diào)整為相對(duì)等幅度的信號(hào)，并傳送到鎖相放大器；鎖相放大器，所述鎖相放大器用于解調(diào)所述相對(duì)等幅度的信號(hào)，參考信號(hào)來(lái)自所述驅(qū)動(dòng)模塊；信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊用于處理所述鎖相放大器傳送來(lái)的信號(hào)，用于獲知所述傳感光纖感知的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述自動(dòng)增益控制模塊進(jìn)一步包括增益受控放大子模塊，所述增益受控放大子模塊的輸入端連接所述探測(cè)器，輸出端分別連接所述鎖相放大器的輸入端、受控電壓成形子模塊的輸入端；受控電壓成形子模塊，所述受控電壓成形子模塊的輸出端連接所述增益受控放大子模塊的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述傳感裝置進(jìn)一步包括環(huán)形器，所述光調(diào)整器的出射光通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的散射光信號(hào)傳輸?shù)剿龅诙詈掀鳌?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述光源為連續(xù)光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖傳感裝置，其特征在于所述光調(diào)制器為聲光調(diào)制器。
6.基于相位解調(diào)的分布式光纖傳感方法，所述方法包括以下步驟(Al)光源發(fā)出的光一部分通過(guò)第一耦合器進(jìn)入光調(diào)制器，另一部分進(jìn)入第二耦合器； (A2)所述光調(diào)制器在驅(qū)動(dòng)模塊作用下將連續(xù)光調(diào)制為脈沖光和/或調(diào)整脈沖光的頻率，調(diào)整后的光進(jìn)入傳感光纖；(A3)第二耦合器將所述傳感光纖中的散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光耦合進(jìn)探測(cè)器， 所述散射光、第一耦合器傳送來(lái)的光間發(fā)生干涉；(A4)探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到自動(dòng)增益控制模塊；(A5)自動(dòng)增益控制模塊將所述電信號(hào)調(diào)整為相對(duì)等幅度的信號(hào)，并傳送到鎖相放大器；(A6)鎖相放大器解調(diào)所述相對(duì)等幅度的信號(hào)，參考信號(hào)來(lái)自所述驅(qū)動(dòng)模塊；(A7)信號(hào)處理模塊處理所述鎖相放大器傳送來(lái)的信號(hào)，從而獲知所述傳感光纖感知的信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述光源為窄線(xiàn)寬激光器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(BI)所述光調(diào)制器的輸出光通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入所述傳感光纖，并將所述傳感光纖中的散射光信號(hào)傳輸?shù)剿龅诙詈掀鳌?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(Cl)判斷模塊判斷所述信號(hào)處理模塊傳送來(lái)的振動(dòng)是否超出閾值，若超過(guò)閾值，則提示報(bào)警。
全文摘要
本發(fā)明公布了基于相位解調(diào)的超大動(dòng)態(tài)范圍分布式光纖傳感裝置及方法。其中包括光源，耦合器，聲光調(diào)制器，光放大器，環(huán)形器，探測(cè)器，自動(dòng)增益控制裝置，調(diào)制器驅(qū)動(dòng)裝置，鎖相放大器，傳感光纜，信號(hào)處理以及信號(hào)輸出裝置。本發(fā)明采用了自動(dòng)增益控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)檢測(cè)；采用了鎖相放大器的相位解調(diào)檢測(cè)裝置，降低了強(qiáng)度噪聲的影響，可以實(shí)現(xiàn)了高靈敏度，高帶寬振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，從而可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍分布式振動(dòng)傳感。本發(fā)明的有益效果為可實(shí)現(xiàn)具有如下優(yōu)勢(shì)的長(zhǎng)距離分布式傳感動(dòng)態(tài)范圍大，定位精度高，干涉?zhèn)鞲徐`敏度高，檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的帶寬大，可多點(diǎn)定位，檢測(cè)距離長(zhǎng)等。
文檔編號(hào)G01D3/028GK102589578SQ20121006004
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者毛慧 申請(qǐng)人:杭州安遠(yuǎn)科技有限公司