[发明专利]一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统

说明书

本发明公开了一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，具体为：可调谐激光器和窄线宽激光器输出的连续光经光纤耦合器分别分为两路，其中一路耦合在一起，通过任意函数发生器驱动声光调制器调制产生脉冲探测光，再通过掺铒光纤放大器补偿光功率的损耗后经光纤环形器将脉冲探测光注入传感光纤中，产生的散射光经环形器的输出，再分为两路散射光；另一路输出的连续光作为本地光，分别经偏振控制器调节偏振态后分别与两路散射光通过光纤耦合器耦合，再用平衡探测器进行光电转化，用数据采集卡的两个通道同时采集，最后用上位机进行后期处理。本发明是一种设计简单，高精度、高稳定性的动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统。

背景技术

分布式光纤传感技术在近年来，随着油气管道、高铁、大型建筑等的高速发展，其安全越来越受到各界关注，而分布式光纤传感技术由于其本身大量的优点，使得其成为长距离、恶劣环境下进行外界信息感知的关键技术。而相位敏感光时域反射技术正是众多分布式光纤传感技术中很重要的一项技术。其主要应用于油气管道，结构健康监测，周界防护，地震监测，分布式声波探测等领域。传统的相位敏感光时域反射技术通过测量反射信号的强度随着外界环境的变化来对声波、振动等进行定性测量(仅能实现分布式定位，不能定量测量)，近年来，研究发现散射信号的相位与外界参量具有线性对应关系，通过解调相位并分析相位变化与外界扰动(声波、振动等动态应变)可以定量分析外界信号，以实现真正的模式识别。基于此，很多研究人员在基于相位解调的相位敏感光时域反射技术上做了大量研究。尽管如此，受限于散射相位超高的灵敏度而要实现准确的定量分析，动态应变所引起的连续相位变化不能超过π，这一限制大大制约了相位敏感光时域反射技术的应用领域。目前的相位敏感光时域反射系统仅能应用在分布式声波探测，对于分布式周界防护等监测具有极高的误报率和错报率。为了提高在类似应用场景的准确性，亟需突破这一限制条件(即：提高相位敏感光时域反射技术的动态应变测量范围)。目前，在提高基于相位解调的相位敏感光时域反射技术的动态测量范围方面没有任何相应的技术手段。

发明内容

鉴于现有技术在动态测量中的测量范围不够的缺点，本发明的目的是提供一种简单，高精度、高稳定性的动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，解决基于相位解调的相位敏感光时域反射技术在实际应用中的不足。

本发明的一种动态应变测量范围提升的相位敏感光时域反射系统，具体结构为：可调谐激光器输出的连续光经9:1的光纤耦合器一后分为两路，同时窄线宽激光器输出的连续光也经9:1的光纤耦合器二分为两路，光纤耦合器一和光纤耦合器二的90％输出臂的连续光再经由1:1的光纤耦合器三将两路连续光耦合在一起，耦合在一起的双波长连续光通过任意函数发生器驱动声光调制器调制产生脉冲探测光，再通过掺铒光纤放大器补偿光功率的损耗后经光纤环形器将脉冲探测光注入传感光纤中，光纤中产生的散射光经环形器的3口输出，输出的连续光通过分光比为1:1的光纤耦合器四分为两路；光纤耦合器一和光纤耦合器二的10％输出臂输出的连续光作为本地光，分别经偏振控制器一和偏振控制器二调节偏振态后分别与光纤耦合器四两个输出臂输出的连续散射光通过光纤耦合器五和光纤耦合器六耦合，耦合后的连续光分别用平衡探测器一和平衡探测器二进行光电转化，两个探测器输出的电信号用数据采集卡的两个不同通道同时采集，最后用上位机进行后期处理。

进一步的，系统采用两个波长的探测光进行外界参量的感知，并且系统的灵敏度通过调节两个激光器的波长差来调节，具体为：

式中，为外界动态应变引起的相位变化量，n为光纤的有效折射率，λ₁和λ₂为两个激光器的波长，Δz为外界变量引起的光纤长度的变化。

进一步的，系统采用相干探测的方式探测光信号，通过探测器的带宽限制来控制平衡探测器一和平衡探测器二获取对应波长的外界感知信号。