隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置制造方法
【專利摘要】一種隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置，它包括DFB光纖激光器，聲光調(diào)制器，第一光放大器，環(huán)形器，探測(cè)光纖；由探測(cè)光纖返回的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器的C3端輸出并經(jīng)第二光放大器送至第三光濾波器，第三光濾波器輸出光信號(hào)至第一光電探測(cè)器；穿過探測(cè)光纖繼續(xù)傳送的正向入射脈沖光信號(hào)經(jīng)光隔離器進(jìn)入第二光濾波器，第二光濾波器輸出光信號(hào)到耦合器并連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，耦合器通過相位調(diào)制器連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，耦合器輸出光信號(hào)至第二光電探測(cè)器，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)至光纖信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)。采用基于背相瑞利散射的聲波位置測(cè)量裝置與基于邁克耳遜干涉的聲波相位測(cè)量裝置通過同一根探測(cè)光纖互相結(jié)合的方案，無需時(shí)分復(fù)用技術(shù)。
【專利說明】隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種光纖傳感器，尤其涉及一種隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]聲波測(cè)量技術(shù)在海洋油氣資源勘探開發(fā)，井下的微地震、聲速、流量等方面均有著廣泛的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的聲波測(cè)量方法都存在裝置體積大、測(cè)量范圍受放大器件限制等問題，并且傳統(tǒng)的聲波測(cè)量方法只能進(jìn)行點(diǎn)式測(cè)量，在實(shí)際運(yùn)用中受到限制，因此研制高性能的聲波測(cè)量系統(tǒng)勢(shì)在必行。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中基于光纖技術(shù)的聲波傳感系統(tǒng)研究已經(jīng)非常廣泛,對(duì)于聲波相位多米用光纖光柵探頭或電探頭的點(diǎn)聲波傳感器，此種傳感系統(tǒng)只能測(cè)量探頭附近位置的聲波相位信息；對(duì)于聲波位置多采用基于光時(shí)域反射技術(shù)的光纖分布式傳感器，此種傳感系統(tǒng)只能確定聲源在傳感光纖上的位置，對(duì)聲源本身的信息卻難以得知。綜上現(xiàn)有的測(cè)量手段一般都存在聲波相位測(cè)量和聲波位置測(cè)量難以兼顧的問題。如果要同時(shí)對(duì)隨機(jī)位置聲源的聲波相位和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則必須在測(cè)量空間內(nèi)布置兩套系統(tǒng)，一套用于聲波相位測(cè)量，另一套用于聲波位置測(cè)量，不僅需要鋪設(shè)一條位置傳感光纖，還需要在測(cè)量范圍內(nèi)搭配大量的聲波相位傳感器以覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，對(duì)于在背向反射光中解調(diào)聲波相位，系統(tǒng)普遍還需采用復(fù)雜的時(shí)分復(fù)用技術(shù)，造成系統(tǒng)成本大量增加?，F(xiàn)有技術(shù)中，在具體應(yīng)用前述兩種測(cè)量手段時(shí)，兩種測(cè)量裝置均需要分別搭設(shè)，即為配合測(cè)量聲波位置，不僅需要鋪設(shè)一條位置傳感光纖，還需要在測(cè)量范圍內(nèi)搭配大量的聲波相位傳感器以覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，才能獲得此聲波的相位信息；對(duì)于在背向反射光中解調(diào)聲波相位，系統(tǒng)普遍還需采用復(fù)雜的時(shí)分復(fù)用技術(shù)；另外，相應(yīng)的光源提供裝置、濾波裝置、混頻裝置等設(shè)備也均需為兩種測(cè)量裝置分別單獨(dú)設(shè)置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提出了一種隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置。
[0005]一種隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置，它包括分布反饋式(DistributedFeedback, DFB)光纖激光器(以下簡(jiǎn)稱DFB光纖激光器)，接收DFB光纖激光器輸出正向入射光信號(hào)的聲光調(diào)制器，接收聲光調(diào)制器輸出正向入射脈沖光信號(hào)的第一光放大器，第一光放大器輸出的正向入射脈沖光信號(hào)經(jīng)第一光濾波器送至環(huán)形器Cl端，從環(huán)形器C2端送至探測(cè)光纖；
[0006]由探測(cè)光纖返回的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器的C3端輸出并經(jīng)第二光放大器送至第三光濾波器，第三光濾波器輸出光信號(hào)至第一光電探測(cè)器；
[0007]穿過探測(cè)光纖繼續(xù)傳送的正向入射脈沖光信號(hào)經(jīng)光隔離器進(jìn)入第二光濾波器，第二光濾波器輸出光信號(hào)到2X2稱合器的Pl端,2X2稱合器的P2端通過光纖連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2X2耦合器的P4端通過相位調(diào)制器連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2X2耦合器的P2端輸出光信號(hào)至第二光電探測(cè)器,第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)至光纖信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)。
[0008]本方案的具體特點(diǎn)還有，從2X2耦合器P3端到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長(zhǎng)度與從2X2耦合器P4端到第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長(zhǎng)度的差s為系統(tǒng)空間分辨率的整數(shù)倍。
[0009]第一光放大器是指第一脈沖摻鉺光纖放大器，第二光放大器是指第二脈沖摻鉺光纖放大器。
[0010]前述結(jié)構(gòu)的工作原理是:
[0011]I)聲波位置信息測(cè)量:采用窄線寬、低噪聲的DFB光纖激光器作為光源，然后經(jīng)聲光調(diào)制器成正向入射脈沖，再經(jīng)第一光放大器和第一光濾波器后入射到環(huán)行器Cl端。環(huán)行器C2端連接探測(cè)光纖，探測(cè)光纖的后向瑞利散射信號(hào)通過環(huán)行器C3端，經(jīng)第二光放大器和第三光濾波器后直接進(jìn)入第一光電探測(cè)器，后由光纖信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)差疊加等相關(guān)處理后，即可得到振動(dòng)位置信號(hào)。當(dāng)脈沖脈寬為τ，周期為T的脈沖激光進(jìn)入探測(cè)光纖，根據(jù)光纖分布式測(cè)量原理可以得出激光脈寬τ與系統(tǒng)空間分辨率Λ L之間的:Λ L=CT/2n，c為光在真空中的速度3X 108m/s，n為光纖折射率約為1.5。前述“聲波位置信息測(cè)量”處理過程中所涉及到的裝置，即形成本實(shí)用新型的第一光纖分布式傳感裝置；
[0012]2)聲波相位信息測(cè)量:從探測(cè)光纖出射的正向入射脈沖光，經(jīng)過光隔離器、第二光濾波器之后，進(jìn)入由2X2耦合器、 相位調(diào)制器、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡組成的臂長(zhǎng)差為s的邁克耳遜干涉儀(s為Λ L的整數(shù)倍)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間處正向入射脈沖信號(hào)的干涉，進(jìn)入Ρ3端口的光未加相位調(diào)制與時(shí)延被第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射(如圖2所示)，進(jìn)入Ρ4端口的光附加相位調(diào)制與時(shí)延被第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射(如圖3所示)，兩束光在2 X 2耦合器處發(fā)生干涉如圖4所示，從Ρ2端出射的干涉信號(hào)記錄了單位長(zhǎng)度上的聲波相位信號(hào)，輸出至第二光電探測(cè)器，通過下面的解調(diào)算法就可以解調(diào)還原出被記錄在干涉信號(hào)上的聲波相位信號(hào)。
[0013]相位載波解調(diào)原理:
[0014]根據(jù)光的相干原理，第二光電探測(cè)器上的光強(qiáng)I可表示為:
[0015]I=A+BcosC> (t)(I)
[0016]式(I)中:A是干涉儀輸出的平均光功率，Β=κΑ, K≤I為干涉條紋可見度。Φ (t)是干涉儀的相位差。設(shè)Φ (t) zCcoso^t+ct (t)，則式(I)可寫為:
[0017]I=A+Bcos [Ccos ω 0t+ Φ (t) ](2)
[0018]式(2)中Ccos ω。!:是相位載波;Φ (t) =Dcos ω3? +Ψ (t), Dcoscost 是傳感光纖聲場(chǎng)信號(hào)引起的相位變化，ψα)是環(huán)境擾動(dòng)等引起的初始相位的緩慢變化。將式(2)用Bessel函數(shù)展開得:
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置，它包括DFB光纖激光器，接收DFB光纖激光器輸出正向入射光信號(hào)的聲光調(diào)制器，接收聲光調(diào)制器輸出正向入射脈沖光信號(hào)的第一光放大器，第一光放大器輸出正向入射脈沖光信號(hào)經(jīng)第一光濾波器送至環(huán)形器Cl端,再從環(huán)形器C2端送至探測(cè)光纖；由探測(cè)光纖返回的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器的C3端輸出并經(jīng)第二光放大器送至第三光濾波器，第三光濾波器輸出光信號(hào)至第一光電探測(cè)器；穿過探測(cè)光纖繼續(xù)傳送的正向入射脈沖光信號(hào)經(jīng)光隔離器進(jìn)入第二光濾波器，第二光濾波器輸出光信號(hào)到2X2耦合器的Pl端，2X2耦合器的P2端通過光纖連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2X2耦合器的P4端通過相位調(diào)制器連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2 X 2耦合器的P2端輸出光信號(hào)至第二光電探測(cè)器，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)至光纖信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置，其特征是從2X2耦合器P3端到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長(zhǎng)度與從2X2耦合器P4端到第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長(zhǎng)度的差s為系統(tǒng)空間分辨率的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)位置點(diǎn)光纖分布式聲波傳感裝置，其特征是第一光放大器是指第一脈沖摻鉺光纖放大器。
【文檔編號(hào)】G01S17/06GK203561437SQ201320688158
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】王晨, 劉小會(huì), 尚盈, 王昌, 彭綱定, 郭士生 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院激光研究所