[发明专利]基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤振动传感器的设计方法及实现，属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于偏振态差分探测实现多点振动源定位的分布式光纤振动传感器。

背景技术

对于油气管线泄漏探测、安全周界防护、结构健康检测等应用要求，通过振动扰动探测与定位是实现预警、预报最为行之有效的方法。在这些应用中，振动扰动的探测与定位需要对连续大范围空间进行实时监测，是传统传感器所无法胜任的，而分布式传感技术的显著特点是光纤上每一点都可以作为传感元，因此可准确探测沿光纤轴向分布任一点的振动扰动信息，并实现对振动源扰动点的精确定位。

分布式光纤振动传感器的应用领域非常广泛，包括对工程结构与大型建筑健康监测，输油、气管线的维护，输电线路故障预警，以及地质灾害监测等。目前，国内外对于分布式振动传感器的研究通常有以下几种：马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型、Sagnac干涉型、布里渊光时域反射型(BOTDR)、相位敏感光时域反射型(-OTDR)、偏振光时域反射型(POTDR)等。干涉型分布式光纤振动传感器相对于基于OTDR技术的优点在于灵敏度高、响应快，但对振动源的定位精度差，尤其是无法实现多点振动扰动的同时定位。相位敏感光时域反射型(-OTDR)具有定位精度高的能力，但需要采用窄线宽光源，并通过多次测量后的相减运算来实现，因此测量距离短、响应时间长。

由于光纤纤芯折射率的起伏，光在传输时会发生瑞利散射，利用光时域探测(OTDR)技术就可以实现光纤链路中事件的精确定位，因此基于后向散射技术的分布式光纤传感器通常采用OTDR技术实现被测物理量精确定位。但传统的OTDR对后向散射光信号的功率进行探测，一方面光波信号的功率对振动扰动灵敏度不高，另一方面后向散射光信号非常微弱，需要多次测量平均处理，因此仅适合于检测缓慢变化的扰动，对瞬时扰动几乎无法检测。光纤中光波信号的偏振态对外部的振动扰动异常敏感，基于光时域反射(OTDR)技术的POTDR则特别适合于监测环境中瞬时微弱振动扰动的探测。POTDR与OTDR相似，所不同的是POTDR利用单模光纤中背向瑞利散射光的偏振态工作，所以在光纤链路前端需要起偏获得线偏振，而接收端则需要解偏输出光信号。

但是，现有的各项应用于分布式振动传感的技术中，普遍存在无法进行多振动点同时精确定位的问题。考虑实际应用环境中，多点振动源同时发生的情况是不可避免的，这个问题的解决能够将分布式光纤传感技术进一步推向实用化。

发明内容

本发明的目的是针对于现有技术上的局限性，设计了一种能够实现多点振动源同时定位的分布式光纤振动传感器。本发明采用的技术方案是对后向散射光中两个相互正交的偏振态进行差分探测实现多点振动源同时定位，其理论依据在于两点，一是光纤中传输光波信号的偏振态对光纤感知振动扰动异常敏感，能够探测微弱的振动信号，克服传统OTDR探测微弱扰动的局限性；二是同一光信号中两个相互正交的偏振态的功率和基本不变，所以振动扰动对两偏振态的影响就具有彼增我减的特点，差分探测的信号对振动扰动具有一定的规律。

本发明的整个振动传感系统结构如图1所示，包括有光收发模块，光纤链路模块和信号处理模块。

所述光收发模块的功能主要是光信号的发送和接收，发送端驱动器驱动激光器产生探测光脉冲，可以根据系统指标要求选择激光波长为1310nm或1550nm的半导体激光器，并且发出的探测光脉冲宽度在信号处理模块中嵌入式计算机的控制下改变。而接收端由两个光电探测器接收到两正交偏振的后向散射光，并在电路上实现差分运算与放大。

所述光纤链路模块包括：偏振控制器，起偏器，光环行器，传感光纤，偏振分束器。所述偏振控制器用于控制激光光源输出光脉冲的偏振态，降低起偏带来的功率损失和光源随机偏振态变化带来功率波动。所述光环行器是3端口环行器，作用是引导探测光脉冲从确定端口耦合进传感光纤，而后向散射光从另一端口输出。所述传感光纤是通用的标准单模光纤，沿传感光纤轴向空间上任意点即为传感元，同时整段传感光纤也作为探测光和后向散射光的传输通道。所述偏振分束器是一个特殊的1×2耦合器，能够将一个输入光信号分解为两束正交偏振光，送入光电探测器进行后续处理。

信号处理模块包括A/D转换器和嵌入式计算机。所述A/D转换器实现对信号的高速采样后送入嵌入式计算机处理。所述嵌入式计算机实现对传感数据的处理、分析，实现振动扰动源的精确定位，并提供VGA、USB、RS232C、并口等接口。