[发明专利]基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及数字增强干涉光纤传感技术，特别是一种基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传感器。

背景技术

光纤传感器具有抗电磁干扰能力强，高灵敏度，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，传感距离长，便于与光纤系统连接等优势。近年来，被广泛应用于天然气、石油管道安全监测，桥梁裂纹监测，气体浓度探测、边界安防等领域。但是，在一些要求高灵敏度探测能力的场合，例如声音探测、微弱振动的探测等，光纤传感器的灵敏度和信噪比一直是其制约因素。因此，提高光纤传感系统的灵敏度和信噪比是当务之急。

自从1993年H.F.Taylor提出相位敏感光时域反射计(Phasesensitiveopticaltimedomainreflectometry,以下简称Phase-OTDR)以来，大大提高了光纤传感的灵敏度，具体参见【H.F.TaylorandE.E.Lee.Apparatusandmethodforfiberopticintrusionsensing.U.S.Patent5,1993:194847】。

RobertM.Payton等提出在Phase-OTDR中应用伪随机序列对连续光进行相位调制，并在接收端进行相关运算，解调出相位信息，提高了系统的灵敏度和信噪比【RobertM.Payton.Naturalfiberspanreflectometerprovidingaspreadvirtualsensingarraycapability.U.S.Patent,US7268863】。

D.A.Shaddock等提出的数字增强干涉技术的概念，利用伪随机码的相关特性，能够有效的抑制杂散噪声，具体参见【DanielA.Shaddock,Digitallyenhancedheterodyneinterferometry.Opticsletters2007,32(22),3355-3357.】

一般来说，光纤中返回的信号强度越大，系统的信噪比越高。Phase-OTDR中利用的是瑞利散射光进行传感，瑞利散射光的强度比较低，对于提高系统的灵敏度和信噪比有很大限制。而通过在光纤中引入反射点，反射回的光信号强度可大大改善。基于此，可以设法提取光纤中的反射信号作为传感信号，并与数字增强干涉技术结合，来提高系统的灵敏度。但是，如何在光纤中添加准分布式的反射点是很关键的。有人采用利用光纤连接头的级联作为反射点进行过几个反射点时的实验，并且用前面的连接头作为相邻后面连接头的参考点，来求出连接头之间的相位信息。光纤连接头的反射率如APC是～1％，UPC发射率～4％，连接头处约有0.4dB的损耗。如果将多个连接头级联在一起，会导致仅几个反射点之后的反射回的信号强度都非常低，甚至探测不到，根本无法满足准分布式传感系统中对很多传感点数的要求。数字增强干涉技术中，由于伪随机码的互相关特性，要求各个弱反射点反射回的信号强度基本一致，以提高信噪比。各个连接头处反射回的信号强度前后差异太大，会大大降低信噪比。并且，连接头在工程应用中具有稳定性差、体积大等缺点。因此，需要一种弱反射率、低损耗、易于集成的传感反射点，且最好能够实现反射点的反射率可调整，以尽量使前后反射点反射回的信号强度相当。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有光纤传感系统灵敏度低、信噪比差的不足，提出一种基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅传感器。采用弱反射率光纤光栅级联而成的阵列，采集的信号是光栅中反射回来的信号，信号强度大，信噪比高。系统中采用数字增强干涉技术，利用伪随机码的互相关特性，去除杂散噪声的影响，提高了系统的信噪比。