專利名稱：相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種光纖傳感領域，涉特別及到大動態(tài)范圍的相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)及方法。
背景技術：
相位敏感式光時域反射儀(Φ-OTDR)通過探測后向瑞利散射光的干涉信號的變化而獲取擾動信號，并通過回波時間對事件定位。它在國外一直受到持續(xù)的關注和研究， 早在1993年，H. F. Taylor就提出了相位敏感式Φ-OTDR技術，通過提高后向瑞利散射光的干涉效果，獲得比普通OTDR更高的靈敏度，適合于探測微弱的擾動信號。一直到2005年， J. C. Juarez等人米用摻鉺光纖結合F-P腔構成光纖激光器,輸出激光線寬小于3KHz,可以在12km的光纖上探測出人的地面入侵情況并能夠定位，并用于周界報警監(jiān)測。近年來，隨著超窄帶光源技術的出現(xiàn)，使得Φ-OTDR技術得以繼續(xù)發(fā)展，基于超窄帶光源的Φ-OTDR技術具有檢測靈敏度高、系統(tǒng)信號處理簡單、測量速度快、定位準確、測量距離較長、信噪比高、成本低等優(yōu)點，因此在安全防護技術中成為一種有競爭力的選擇。由于Φ-OTDR系統(tǒng)的傳感距離與注入光纖的脈沖光功率有關，要提高系統(tǒng)的傳感距離就要增加脈沖功率。但當傳感距離比較長時，光纖的后向瑞利散射信號會有很大的動態(tài)范圍，以普通單模光纖損耗O. 2dB/km計算，當傳輸距離超過IOOkm時,光強來回損耗超過 40dB。這就為大動態(tài)范圍的相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)的研究帶來了諸多困難，如何提高它的動態(tài)范圍和測量長度，有些專利中提出過一些方法。例如專利CN1330265A中通過控制光源發(fā)射不同功率脈沖光，來探測不同距離出的散射信號。這種方法每個脈沖只能測一段距離，要完整的將光路測完，需要多個脈沖，大大提高了測量時間，對實時性要求不高的場合是可以使用的。在專利CN101660944A和CN101603856A中提出了一種分時接收的方法來提高探測端的動態(tài)范圍，既通過將一個脈沖周期內的散射光分為不同的時間段用不同的探測器來接收，再將接收到的信號整合。這種方式需要非常精密的設計和嚴格的控制，也不適合實際應用。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種大動態(tài)范圍的相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)及方法，可實現(xiàn)大動態(tài)范圍長距離光信號采集和測量。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案得以實現(xiàn)的相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)，包括光源、傳感光纖；所述傳感系統(tǒng)進一步包括第一光源，所述第一光源用于發(fā)射波長為X1、功率Sp1的光，第二光源，所述第二光源用于發(fā)射波長為λ 2，λ i、功率為P2，P2幸P1的光；第一耦合器，所述第一耦合器用于將所述第一光源和第二光源發(fā)出的光耦合進所述傳感光纖；
第二耦合器，所述耦合器用于將傳感光纖中的散射光信號耦合進分光模塊；分光模塊,所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出分別對應于波長λ 2、λ 2 的入射光的散射光信號，并傳送到探測器模塊；探測器模塊，所述探測器模塊用于將分離后的散射光信號轉換為第一信號、第二信號，并傳送到信號處理模塊；信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息。根據(jù)上述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述分光模塊是光柵或濾波器或棱鏡。根據(jù)上述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述第一光源發(fā)出的光的波長X1為 1310nm,第二光源發(fā)出的光的波長為1550nm。根據(jù)上述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述光源為脈沖光源。根據(jù)上述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，可選地，所述傳感系統(tǒng)進一步包括光調制器，所述光調制器用于將所述光源發(fā)出的連續(xù)光調制為脈沖光；驅動模塊，所述驅動模塊的輸出端連接所述光調制器；所述光源為連續(xù)光源。本發(fā)明的目的還通過以下技術方案得以實現(xiàn)相位敏感式光時域反射傳感方法，所述方法包括以下步驟(Al)不同功率、不同波長的兩束不同入射脈沖光進入感知外界信息的傳感光纖中，產生的散射光進入耦合器；(A2)稱合器將所述散射光稱合進分光模塊；(A3)分光模塊分離出分別對應于所述不同入射脈沖光的散射光信號,并由探測器模塊轉換為第一信號和第二信號；(A4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息。根據(jù)上述的方法，可選地，所述方法進一步包括以下步驟(BI)光源發(fā)出的連續(xù)光被調制為脈沖光。根據(jù)上述的方法，優(yōu)選地，所述光源為窄線寬激光器。根據(jù)上述的方法，優(yōu)選地，所述不同入射脈沖光的波長分別為A1S 1310nm、λ2 為 1550nmo根據(jù)上述的方法，可選地，所述方法進一步包括以下步驟(Cl)判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值，若超過閾值，則提示報警。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明采用雙光源結合，解決高動態(tài)范圍長距離探測難題，為探測距離達百公里以上的分布式光纖振動傳感器研制生產提供了依據(jù)和參考。


參照附圖，本發(fā)明的公開內容將變得更易理解。本領域技術人員容易理解的是這些附圖僅僅用于舉例說明本發(fā)明的技術方案，而并非意在對本發(fā)明的保護范圍構成限制。圖中
圖I是本發(fā)明實施例I的分布式光纖傳感系統(tǒng)的基本結構圖； 圖2是本發(fā)明實施例I的方法的流程圖3是本發(fā)明實施例2的分布式光纖傳感系統(tǒng)的基本結構圖； 圖4是本發(fā)明實施例2的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1-4和以下說明描述了本發(fā)明的可選實施方式以教導本領域技術人員如何實施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導本發(fā)明技術方案，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領域技術人員應該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內。本領域技術人員應該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可選實施方式，而僅由權利要求和它們的等同物限定。實施例I :圖I示意性地給出了本發(fā)明實施例的相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)的基本結構圖，如圖I所示，所述傳感系統(tǒng)包括第一光源和第二光源，用于發(fā)射不同波長、不同功率的脈沖光，所述光源可采用激光器，如窄線寬的脈沖式半導體激光器；優(yōu)選地，第一光源的出射波長X1為1310nm,功率較低，在IOdBm左右，用于探測短距離處信號；第二光源的出射波長入2為1550nm，功率較高，超過30dBm，用于探測長距離處信號；第一耦合器，所述第一耦合器用于將所述第一光源和第二光源發(fā)出的光耦合進所述傳感光纖；第二耦合器，所述耦合器用于將傳感光纖中的瑞利散射光信號耦合進分光模塊； 優(yōu)選地，在本實施例中，第一稱合器和第二稱合器合并為一個稱合器。分光模塊,所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出分別對應于波長λ 2、λ 2 的入射光的瑞利散射光信號，并傳送到探測器模塊；優(yōu)選地，所述分光模塊是光柵或濾波器或棱鏡，本實施例采用兩個濾波器來實現(xiàn)分光。探測器模塊，所述探測器模塊用于將分離后的瑞利散射光信號轉換為第一信號、 第二信號，并傳送到信號處理模塊；信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息，如振動、溫度。圖2示意性地給出了利用上述傳感系統(tǒng)進行相位敏感式光時域反射傳感方法，如圖2所示，所述方法包括以下步驟(Al)不同功率、不同波長的兩束不同入射脈沖光進入感知外界信息的傳感光纖中，產生的瑞利散射光進入耦合器；(Α2)稱合器將所述瑞利散射光稱合進分光模塊；(A3)分光模塊分離出分別對應于所述不同入射脈沖光的瑞利散射光信號,并由探測器模塊轉換為第一信號和第二信號；(Α4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息。
根據(jù)實施例I達到的益處在于第一光源和第二光源的功率、波長不同，這種分段接收的方法即可以解決長距離探測中動態(tài)范圍過高的問題，也不會使測量時間變慢。實施例2 圖3示意性地給出了本發(fā)明實施例的相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)的基本結構圖，如圖3所示,所述傳感系統(tǒng)包括第一光源和第二光源，用于發(fā)射不同波長、不同功率的連續(xù)光，所述光源可采用激光器，如窄線寬的半導體激光器；優(yōu)選地，第一光源的出射波長X1為1310nm,功率較低,在 IOdBm左右，用于探測短距離處信號；第二光源的出射波長入2為1550nm，功率較高，超過 30dBm，用于探測長距離處信號；第一稱合器，所述第一稱合器用于將所述第一光源和第二光源發(fā)出的光稱合進光調制器；光調制器，光調制器用于將連續(xù)光調制成脈沖光，并傳送到第二耦合器；可選地， 所述光調制器采用聲光調制器；本實施例中，光調制器的消光比要求大于55dB ；第二耦合器，所述耦合器用于將所述脈沖光耦合進傳感光纖，并將傳感光纖中的瑞利散射光信號耦合進分光模塊；分光模塊,所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出分別對應于波長λ 2、λ 2 的入射光的瑞利散射光信號，并傳送到探測器模塊；優(yōu)選地，所述分光模塊是光柵或濾波器或棱鏡，本實施例采用兩個濾波器來實現(xiàn)分光。探測器模塊，所述探測器模塊用于將分離后的散射光信號轉換為第一信號、第二信號，并傳送到信號處理模塊；信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息，如振動、溫度；判斷模塊，所述判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值；所述判斷模塊可采用電路或軟件來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方式是本領域的現(xiàn)有技術，在此不再贅述。報警模塊，當所述判斷模塊的判斷結果為是時，所述報警模塊提示報警，可采用聲、光或電的模式報警。圖4示意性地給出了利用上述傳感系統(tǒng)進行相位敏感式光時域反射傳感方法，如圖4所示，所述方法包括以下步驟(BI)第一光源和第二光源發(fā)出的連續(xù)光被I禹合在一起,并被調制為脈沖光；(Al)不同功率、不同波長的兩束不同入射脈沖光進入感知外界信息的傳感光纖中，產生的瑞利散射光進入耦合器；(Α2)稱合器將所述瑞利散射光稱合進分光模塊；(A3)分光模塊分離出分別對應于所述不同入射脈沖光的瑞利散射光信號,并由探測器模塊轉換為第一信號和第二信號；(Α4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息；(Cl)判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值，若超過閾值，則提示報警模塊報警。
根據(jù)實施例2達到的益處在于第一光源和第二光源的功率、波長不同，這種分段接收的方法即可以解決長距離探測中動態(tài)范圍過高的問題，也不會使測量時間變慢。
權利要求
1.一種相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng),包括光源、傳感光纖；其特征在于所述傳感系統(tǒng)進一步包括第一光源，所述第一光源用于發(fā)射波長為λ i、功率為P1的光，第二光源，所述第二光源用于發(fā)射波長為λ2，λ2 ^ λ i、功率為PyP2^P1的光；第一稱合器，所述第一稱合器用于將所述第一光源和第二光源發(fā)出的光稱合進所述傳感光纖；第二耦合器，所述耦合器用于將傳感光纖中的散射光信號耦合進分光模塊；分光模塊，所述分光模塊用于從接收到的光信號分離出分別對應于波長λ2、λ2的入射光的散射光信號，并傳送到探測器模塊；探測器模塊，所述探測器模塊用于將分離后的散射光信號轉換為第一信號、第二信號， 并傳送到信號處理模塊；信號處理模塊，所述信號處理模塊用于處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息。
2.根據(jù)權利要求I所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于所述分光模塊是光柵或濾波器或棱鏡。
3.根據(jù)權利要求I所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于所述第一光源發(fā)出的光的波長λ I為1310nm,第二光源發(fā)出的光的波長λ2為1550nm。
4.根據(jù)權利要求I所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于所述光源為脈沖光源。
5.根據(jù)權利要求I所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感系統(tǒng)進一步包括 光調制器，所述光調制器用于將所述光源發(fā)出的連續(xù)光調制為脈沖光；驅動模塊，所述驅動模塊的輸出端連接所述光調制器；所述光源為連續(xù)光源。
6.一種利用分布式光纖傳感系統(tǒng)同時檢測振動和溫度的方法，所述方法包括以下步驟(Al)不同功率、不同波長的兩束不同入射脈沖光進入感知外界信息的傳感光纖中，產生的散射光進入耦合器；(A2)耦合器將所述散射光耦合進分光模塊；(A3)分光模塊分離出分別對應于所述不同入射脈沖光的散射光信號，并由探測器模塊轉換為第一信號和第二信號；(A4)信號處理模塊處理接收到的第一信號和第二信號，從而獲知所述傳感光纖的感知信息。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進一步包括以下步驟(B1)光源發(fā)出的連續(xù)光被調制為脈沖光。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于所述光源為窄線寬激光器。
9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于所述不同入射脈沖光的波長分別為=X1 為 1310nm、 λ2為 1550nm。
10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于所述方法進一步包括以下步驟(Cl)判斷模塊判斷所述信號處理模塊傳送來的振動和/或溫度是否超出閾值，若超過閾值，則提示報警。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種雙光源大動態(tài)范圍相位敏感式光時域反射傳感系統(tǒng)及方法，包括有第一光源和第二光源，主控制單元控制第一光源和第二光源，其發(fā)射波長分別為λ1和λ2的連續(xù)窄線寬激光；使第一光源發(fā)射低功率光束，第二光源發(fā)射高功率光束。耦合器將兩束光合為一束；聲光調制器對連續(xù)光進行調制，使其以脈沖狀態(tài)發(fā)射到傳感光纖中。返回的瑞利散射信號通過濾波片將不同波長光濾出，分別經(jīng)兩個探測器檢測。信號采集與處理部分對檢測信號進行處理和計算。本發(fā)明通過不同功率光束探測不同距離，能夠較好的解決大動態(tài)范圍的光信號檢測難題，在不增加處理時間的前提下增大此分布式光纖傳感器的探測距離。
文檔編號G01K11/32GK102589593SQ20121006004
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權日2012年3月7日
發(fā)明者林彥國 申請人:杭州安遠科技有限公司