光纖擾動探測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖擾動探測方法，本發(fā)明在測量時進行分段頻率掃描，用同頻光的散射曲線測量動態(tài)擾動，將K組測量下獲得的傳感光纖上任一點背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線與第一組測量下獲得的對應點的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線進行相關性檢測，來測量準靜態(tài)擾動，從而實現(xiàn)了對動態(tài)擾動信號和準靜態(tài)信號的同時測量，大大提高了全分布式光纖傳感器的測量功能和應用范圍；本發(fā)明還公開了一種光纖擾動探測裝置，本發(fā)明的測量系統(tǒng)裝置結構簡單且成本低；在測量時間上比分別利用兩套系統(tǒng)進行動態(tài)和準靜態(tài)擾動的測量時間縮短很多，且可實現(xiàn)動態(tài)和準靜態(tài)擾動的不間斷測量。
【專利說明】光纖擾動探測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感領域，特別是一種光纖擾動探測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]隨著光纖通訊的發(fā)展，尤其是骨干傳輸網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡和光纖接入技術的快速發(fā)展，光纖光纜在通訊領域的作用越來越重要?，F(xiàn)如今的信息時代，光纖光纜因受到破壞而導致的通訊意外中斷會產生不可估量的損失。為了盡可能的減少損失，迫切需要對光纜線路建立一套安全防護系統(tǒng)，能夠盡快發(fā)現(xiàn)光纜中的異常情況和其所在位置，以便及時報警、防范和搶修，把損失減為最少。
[0003]相位敏感光時域反射技術最早是由H.F.Taylor在1993年提出的，向光纖中注入強相干的探測光，探測到的散射曲線是光纖中各點的散射光相干后的結果，擾動作用于光纖上改變該點的光纖長度和折射率，導致該位置的光相位發(fā)生變化，通過測量注入脈沖與接收到的信號之間的時間延遲可以定位擾動。相位敏感光時域反射技術具有靈敏度高、數(shù)據(jù)處理簡單、定位精度高的優(yōu)點。但是已有的相位敏感光時域反射技術，由于受到系統(tǒng)中光源頻漂和其他一些不穩(wěn)定因素的影響，無法測量靜態(tài)或低頻擾動，準靜態(tài)擾動就是如應變和溫度變化那樣的緩慢變化擾動。
[0004]基于相干探測的光時域反射技術，引入本振光，與信號光相干后探測差頻信號，大大提高了背向散射信號的光功率，提高了光時域反射技術的動態(tài)范圍。近來，YaheiKoyamada提出了基于相干光時域反射技術的準靜態(tài)擾動測量方法，通過變頻來彌補擾動帶來的光相位變化，能夠高精度的測出作用于光纖上的溫度和應力變化的大小，在8km的傳感光纖上，溫度分辨率和空間分辨率分別可以達到0.01°C和lm。但是由于需要掃頻等原因耗時較長，該方案不宜測量高頻擾動。
[0005]現(xiàn)實生活中對于光纖的擾動，可能同時存在高頻動態(tài)擾動或準靜態(tài)擾動，準靜態(tài)就是如應變和溫度變化那樣的緩慢變化擾動，目前還沒有能同時測量這兩種不同擾動的技術，如何克服現(xiàn)有技術的不足已成為現(xiàn)有光纖傳感領域亟待解決的重點難題。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足而提供光纖擾動探測方法及裝置，能夠同時測量光纖受到的動態(tài)擾動和準靜態(tài)擾動的信息，大大提高了全分布式光纖傳感器的測量功能和應用范圍，縮短了測量時間且本發(fā)明系統(tǒng)裝置結構簡單。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0008]根據(jù)本發(fā)明提出的光纖擾動探測方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、向被測傳感光纖注入探測光；
[0010]步驟二、探測光在被測傳感光纖中產生背向瑞利散射光，該背向瑞利散射光與本振光混頻后由平衡探測器探測；具體如下:
[0011](201)調節(jié)探測光的頻率M次，使得探測光的頻率分別為f\、f2、……、fM，每種頻率下探測N次背向瑞利散射光信號，得到MXN條背向瑞利散射曲線，提取MXN條背向瑞利散射曲線上所有點作為一組測量數(shù)據(jù)；
[0012](202)重復(201)的步驟K次，得到K組測量數(shù)據(jù)，最終獲得KXMXN條背向瑞利散射曲線；
[0013]步驟三、對步驟二中探測后的信號進行數(shù)據(jù)處理，獲得當前傳感光纖的動態(tài)擾動和準靜態(tài)擾動信息；具體步驟如下:
[0014](301)動態(tài)擾動的測量:在每組測量中得到N條同頻背向瑞利散射曲線后，取N條中時間間隔為預估動態(tài)擾動周期1/4至3/4的兩條背向瑞利散射曲線，將距光輸入端位置相同的點對應的背向瑞利散射光光功率進行相減得到差值曲線，差值曲線尖峰處對應的點即為受擾動點；對每一個受擾動點，取N條同頻背向瑞利散射曲線上該擾動點的背向瑞利散射光光功率，將它們按時間順序排列后進行傅里葉變換獲得該點受擾動的頻譜圖，頻譜上峰值對應的頻率即為動態(tài)擾動的主要頻率；
[0015](302)準靜態(tài)擾動的測量:
[0016]a，在每組測量下，將測得的N條同頻背向瑞利散射曲線上所有離光信號輸入端距離相同的點對應的背向瑞利散射光光功率相加后取平均值，形成平均背向瑞利散射曲線，該平均背向瑞利散射曲線為背 向瑞利散射光光功率的平均值隨離探測光輸入端距離變化的曲線，最終獲得M條不同頻的平均背向瑞利散射曲線；
[0017]b，將M條不同頻的平均背向瑞利散射曲線上離探測光輸入端距離相同的點的背向瑞利散射光光功率按頻率順序排列，獲得傳感光纖上任一點的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線；
[0018]C，將K組測量下獲得的傳感光纖z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線分別與第一組測量下獲得的z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線進行相關性檢測，Z為散射點離信號輸入端的距離；
[0019]d，根據(jù)相關性檢測的公式，測量出光纖上z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線與第一組z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線相比沿頻率坐標的頻移量Af，若Δ f = O,表明該ζ點未受擾動,若Δ f古O,表明該z點受到擾動,進而獲得準靜態(tài)擾動的信息。
[0020]作為本發(fā)明的光纖擾動探測方法的進一步優(yōu)化的方案，所述步驟d中的準靜態(tài)擾動的信息指擾動的位置、擾動點處外部施加的應力變化量和溫度變化量。
[0021 ] 作為本發(fā)明的光纖擾動探測方法的進一步優(yōu)化的方案，所述擾動點處外部施加

Af
的應力變化量Δ ε由！ = 4.78Δ^計算獲得，擾動點處外部施加的溫度變化量ΔΤ由

V
! = -(6.92χΚ6)Δ計算獲得，V為M次調頻的中心探測光頻。
V
[0022]作為本發(fā)明的光纖擾動探測方法的進一步優(yōu)化的方案，所述步驟d中的相關性檢測的公式為:
【權利要求】
1.光纖擾動探測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、向被測傳感光纖注入探測光； 步驟二、探測光在被測傳感光纖中產生背向瑞利散射光，該背向瑞利散射光與本振光混頻后由平衡探測器探測；具體如下: (201)調節(jié)探測光的頻率M次，使得探測光的頻率分別為f\、f2>......、fM,每種頻率下探測N次背向瑞利散射光信號，得到M X N條背向瑞利散射曲線，提取M X N條背向瑞利散射曲線上所有點作為一組測量數(shù)據(jù)； (202)重復(201)的步驟K次，得到K組測量數(shù)據(jù)，最終獲得KXMXN條背向瑞利散射曲線； 步驟三、對步驟二中探測后的信號進行數(shù)據(jù)處理，獲得當前傳感光纖的動態(tài)擾動和準靜態(tài)擾動信息；具體步驟如下: (301)動態(tài)擾動的測量:在每組測量中得到N條同頻背向瑞利散射曲線后，取N條中時間間隔為預估動態(tài)擾動周期1/4至3/4的兩條背向瑞利散射曲線，將距光輸入端位置相同的點對應的背向瑞利散射光光功率進行相減得到差值曲線，差值曲線尖峰處對應的點即為受擾動點；對每一個受擾動點，取N條同頻背向瑞利散射曲線上該擾動點的背向瑞利散射光光功率，將它們按時間順序排列后進行傅里葉變換獲得該點受擾動的頻譜圖，頻譜上峰值對應的頻率即為動態(tài)擾動的主要頻率； (302)準靜態(tài)擾動的測量: a，在每組測量下，將測得的N條同頻背向瑞利散射曲線上所有離光信號輸入端距離相同的點對應的背向瑞利散射光光功率相加后取平均值，形成平均背向瑞利散射曲線，該平均背向瑞利散射曲線為背向瑞利散射光光功率的平均值隨離探測光輸入端距離變化的曲線，最終獲得M條不同頻的平均背向瑞利散射曲線； b，將M條不同頻的平均背向瑞利散射曲線上離探測光輸入端距離相同的點的背向瑞利散射光光功率按頻率順序排列，獲得傳感光纖上任一點的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線； C，將K組測量下獲得的傳感光纖z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線分別與第一組測量下獲得的z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線進行相關性檢測，z為散射點離信號輸入端的距離； d，根據(jù)相關性檢測的公式，測量出光纖上z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線與第一組z點處的背向瑞利散射光光功率隨頻率的分布曲線相比沿頻率坐標的頻移量Af,若Af = O,表明該z點未受擾動,若Af古O,表明該z點受到擾動,進而獲得準靜態(tài)擾動的信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的光纖擾動探測方法，其特征在于，所述步驟d中的準靜態(tài)擾動的信息指擾動的位置、擾動點處外部施加的應力變化量和溫度變化量。
3.根據(jù)權利要求2所述的光纖擾動探測方法，其特征在于，所述擾動點處外部施加的應力變化量Λ ε由！ =計算獲得，擾動點處外部施加的溫度變化量ΛΤ由! - -(6.9_2 X IO ' )ΑΤ計算獲得，V為M次調頻的中心探測光頻。
4.根據(jù)權利要求1所述的光纖擾動探測方法，其特征在于，所述步驟d中的相關性檢測的公式為:
5.一種基于權利要求1所述的光纖擾動探測方法的裝置，其特征在于，包括可調諧激光器、第一耦合器、聲光調制器、摻餌光纖放大器、光纖環(huán)形器、傳感光纖、第二耦合器、平衡探測器、功率檢波器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理模塊和脈沖調制器； 可調諧激光器發(fā)出連續(xù)光經(jīng)第一耦合器分成第一路連續(xù)光和第二路連續(xù)光，第一路連續(xù)光經(jīng)聲光調制器后被調制成探測光脈沖，探測光脈沖經(jīng)摻餌光纖放大器放大到指定功率后由光纖環(huán)形器的第I端口注入光纖環(huán)形器內，由光纖環(huán)形器的第2端口注入傳感光纖；第二路連續(xù)光入射至第二耦合器，為本振光；傳感光纖中的背向瑞利散射光沿傳感光纖傳播至光纖環(huán)形器第2端口，由光纖環(huán)形器第3端口輸出，入射至第二耦合器與本振光混頻后由平衡探測器相干探測，相干探測后的信號經(jīng)過功率檢波器后由數(shù)據(jù)采集卡采集獲得，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊后確定當前傳感光纖的動態(tài)、準靜態(tài)擾動信息，脈沖調制器用于控制聲光調制器所產生的脈沖信號并且用來同步數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述可調諧激光器為可調諧窄線寬激光器，其可調節(jié)頻率分辨率為百兆赫茲量級。
【文檔編號】G01D5/28GK103954308SQ201410196258
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權日:2014年5月9日
【發(fā)明者】王峰, 張旭蘋, 周玲 申請人:南京發(fā)艾博光電科技有限公司