[发明专利]一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法

说明书

技术领域

本发明主要用于安全监测领域，特别涉及一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法。

技术背景

光纤振动传感器是以光纤作为传感部分，较传统的振动传感器具有有本征无源、抗电磁干扰、监测距离长、灵敏度高等优势，应用领域广泛。分布式光纤振动传感器在具有光纤振动传感器优势的同时，还可实现对振动事件的定位，特别适用于油气管线、国防边界、铁路边界、国防光缆等安全监测。

分布式光纤振动传感器的设计原理目前包含马赫-曾德干涉仪技术、白光干涉技术和相位敏感OTDR技术。通过应用效果选型，仅有相位敏感OTDR技术作为最成功的方案得到应用。该技术采用相位敏感技术，通过周围环境振动引起后向瑞利散射信号相位变化的特性进行振动信号的拾取，通过通过光时域反射技术(OTDR)进行振动信号的位置确定。其应用优势在于每个位置的振动特性独立，不会互相影响，可同时实现传感光纤敷设沿线周围的振动信息监测，对入侵引起的振动信息定位准确，不存在定位误差现象。

采用相位敏感OTDR技术实现的分布式光纤振动传感器，为了避免后向散射信号之间发生串扰，每个测量周期只能发出一个光脉冲信号，光纤监测距离越长，要求光脉冲之间的间隔时间也越长，发出的光脉冲重复频率越小，监测光纤上每个点的振动频率响应受光源发出脉冲重复频率限制，脉冲重复频率越小，振动响应频率范围越低。举例说明：如果监测光纤长度为100km，一般要求脉冲发出重复频率最大为1kHz，相当于每个振动点的采样频率为1kHz，进行2次累加去噪后采样频率为500Hz，按照采样定理仅可响应250Hz的信号。这在入侵识别监测时会受到局限，无法采集全部的信号实现模式识别处理。

本发明设计的高频响分布式光纤振动传感装置，将频分复用技术应用到相位敏感OTDR技术中，在一个探测脉冲中包含N个不同频率光信号，探测的频率响应比传统的方案相比，频率响应提升N倍。分布式光纤振动传感器在延长监测距离的同时，不会降低其频率响应，装置性能显著提升。

发明内容

本发明提供一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法。设计采用频分复用技术，在一次发出的光脉冲中包含N个不同频率光信号，在一个测量周期内T0一次发出的N个不同频率的光脉冲按照间隔同样的延迟时间t0发送到光纤中。在一个测量周期T0内，N条不同波长的后向瑞利散射信号连续返回并被光电探测器探测，其中两条相邻的后向瑞利散射信号曲线之间有一个t0的时间延迟，探测后的电信号包含了N条不同频率光的后向瑞利散射信息，时域上无法进行区分，需要采用N个混频器和低通滤波器组成检波器将N条不同频率的后向瑞利散射信号进行解调区分。区分后的N条曲线之间会有t0的时间延迟，需要依次进行同步校准，保证采集的每个位置点不同频率光的信号同步。通过频分复用技术，每个位置点的样本数量增加N个，探测的振动信号频率提升N倍。

一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于：设有光源模块、1*N+1分光模块、N个移频模块、1*N耦合模块、放大模块、偏振控制模块、2*2耦合器、环形器、传感光纤、探测模块、混频解调模块、同步采集模块和检测分析模块；

其中光源模块发出激光，输出与分光模块的输入端连接，分光模块分出多路激光，其中一路作为相干探测部分与偏振控制模块相连接，输出接入2*2耦合器输入端口，分光模块分出其它N路与不同频移的N个频移模块相连接，同步采集模块控制输出连接各个频移器的控制输入端，频移模块输出与N路耦合模块相连接，耦合模块输出连接放大模块输入端，放大模块输出端连接环形器1端口，环形器2端口连接传感光纤，环形器3端口连接2*2耦合器另一路输入端，2*2耦合器输出端连接探测模块，探测模块输出连接混频解调模块，混频解调模块输出连接同步采集模块，同步采集模块连接检测分析模块。

本发明中所述的光源模块为超窄线宽激光器，光源模块可由一个光源或多个中心频率相差百兆赫兹或千兆赫兹的光源耦合组成；

本发明中所述的分光光模块，其要求分光比不小于1*N+1，将光源模块进行分光用于不同光信号的移频处理；

本发明中所述的移频模块，频移范围为几十兆赫兹至百兆赫兹范围内进行分布，同时将光源的连续光转换为脉冲光，可采用电光调制器或声光调制器实现；

本发明中所述的耦合模块，其要求耦合输入不小于N路，是将不同路调制后的信号进行耦合为一路信号输出；

本发明中所述的放大模块，是将光信号进行放大，放大器的峰值功率输出大于2W，可采用掺铒光纤放大器来实现；