CN102589593B - 相位敏感式光时域反射传感系统及方法 - Google Patents
相位敏感式光时域反射传感系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种双光源大动态范围相位敏感式光时域反射传感系统及方法，包括有第一光源和第二光源，主控制单元控制第一光源和第二光源，其发射波长分别为λ1和λ2的连续窄线宽激光；使第一光源发射低功率光束，第二光源发射高功率光束。耦合器将两束光合为一束；声光调制器对连续光进行调制，使其以脉冲状态发射到传感光纤中。返回的瑞利散射信号通过滤波片将不同波长光滤出，分别经两个探测器检测。信号采集与处理部分对检测信号进行处理和计算。本发明通过不同功率光束探测不同距离，能够较好的解决大动态范围的光信号检测难题，在不增加处理时间的前提下增大此分布式光纤传感器的探测距离。
Description
技术领域
本发明涉及到一种光纤传感领域，涉特别及到大动态范围的相位敏感式光时域反射传感系统及方法。
背景技术
相位敏感式光时域反射仪(Φ-OTDR)通过探测后向瑞利散射光的干涉信号的变化而获取扰动信号，并通过回波时间对事件定位。它在国外一直受到持续的关注和研究，早在1993年，H.F.Taylor就提出了相位敏感式Φ-OTDR技术，通过提高后向瑞利散射光的干涉效果，获得比普通OTDR更高的灵敏度，适合于探测微弱的扰动信号。一直到2005年，J.C.Juarez等人采用掺铒光纤结合F-P腔构成光纤激光器，输出激光线宽小于3KHz，可以在12km的光纤上探测出人的地面入侵情况并能够定位，并用于周界报警监测。
近年来，随着超窄带光源技术的出现，使得Φ-OTDR技术得以继续发展，基于超窄带光源的Φ-OTDR技术具有检测灵敏度高、系统信号处理简单、测量速度快、定位准确、测量距离较长、信噪比高、成本低等优点，因此在安全防护技术中成为一种有竞争力的选择。
由于Φ-OTDR系统的传感距离与注入光纤的脉冲光功率有关，要提高系统的传感距离就要增加脉冲功率。但当传感距离比较长时，光纤的后向瑞利散射信号会有很大的动态范围，以普通单模光纤损耗0.2dB/km计算，当传输距离超过100km时，光强来回损耗超过40dB。这就为大动态范围的相位敏感式光时域反射传感系统的研究带来了诸多困难，如何提高它的动态范围和测量长度，有些专利中提出过一些方法。例如专利CN1330265A中通过控制光源发射不同功率脉冲光，来探测不同距离出的散射信号。这种方法每个脉冲只能测一段距离，要完整的将光路测完，需要多个脉冲，大大提高了测量时间，对实时性要求不高的场合是可以使用的。在专利CN101660944A和CN101603856A中提出了一种分时接收的方法来提高探测端的动态范围，既通过将一个脉冲周期内的散射光分为不同的时间段用不同的探测器来接收，再将接收到的信号整合。这种方式需要非常精密的设计和严格的控制，也不适合实际应用。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种大动态范围的相位敏感式光时域反射传感系统及方法，可实现大动态范围长距离光信号采集和测量。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：
相位敏感式光时域反射传感系统，包括光源、传感光纤；所述传感系统进一步包括：
第一光源，所述第一光源用于发射波长为λ1、功率为P1的光，
第二光源，所述第二光源用于发射波长为λ2，λ2≠λ1、功率为P2，P2≠P1的光；
第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述第一光源和第二光源发出的光耦合进所述传感光纤；
第二耦合器，所述耦合器用于将传感光纤中的散射光信号耦合进分光模块；
分光模块，所述分光模块用于从接收到的光信号分离出分别对应于波长λ2、λ2的入射光的散射光信号，并传送到探测器模块；
探测器模块，所述探测器模块用于将分离后的散射光信号转换为第一信号、第二信号，并传送到信号处理模块；
信号处理模块，所述信号处理模块用于处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息。
根据上述的分布式光纤传感系统，优选地，所述分光模块是光栅或滤波器或棱镜。
根据上述的分布式光纤传感系统，优选地，所述第一光源发出的光的波长λ1为1310nm，第二光源发出的光的波长λ2为1550nm。
根据上述的分布式光纤传感系统，优选地，所述光源为脉冲光源。
根据上述的分布式光纤传感系统，可选地，所述传感系统进一步包括：
光调制器，所述光调制器用于将所述光源发出的连续光调制为脉冲光；
驱动模块，所述驱动模块的输出端连接所述光调制器；
所述光源为连续光源。
本发明的目的还通过以下技术方案得以实现：
相位敏感式光时域反射传感方法，所述方法包括以下步骤：
(A1)不同功率、不同波长的两束不同入射脉冲光进入感知外界信息的传感光纤中，产生的散射光进入耦合器；
(A2)耦合器将所述散射光耦合进分光模块；
(A3)分光模块分离出分别对应于所述不同入射脉冲光的散射光信号，并由探测器模块转换为第一信号和第二信号；
(A4)信号处理模块处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息。
根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤：
(B1)光源发出的连续光被调制为脉冲光。
根据上述的方法，优选地，所述光源为窄线宽激光器。
根据上述的方法，优选地，所述不同入射脉冲光的波长分别为：λ1为1310nm、λ2为1550nm。
根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤：
(C1)判断模块判断所述信号处理模块传送来的振动和/或温度是否超出阈值，若超过阈值，则提示报警。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用双光源结合，解决高动态范围长距离探测难题，为探测距离达百公里以上的分布式光纤振动传感器研制生产提供了依据和参考。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是本发明实施例1的分布式光纤传感系统的基本结构图；
图2是本发明实施例1的方法的流程图；
图3是本发明实施例2的分布式光纤传感系统的基本结构图；
图4是本发明实施例2的方法的流程图。
具体实施方式：
图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的相位敏感式光时域反射传感系统的基本结构图，如图1所示，所述传感系统包括：
第一光源和第二光源，用于发射不同波长、不同功率的脉冲光，所述光源可采用激光器，如窄线宽的脉冲式半导体激光器；优选地，第一光源的出射波长λ1为1310nm，功率较低，在10dBm左右，用于探测短距离处信号；第二光源的出射波长λ2为1550nm，功率较高，超过30dBm，用于探测长距离处信号；
第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述第一光源和第二光源发出的光耦合进所述传感光纤；
第二耦合器，所述耦合器用于将传感光纤中的瑞利散射光信号耦合进分光模块；优选地，在本实施例中，第一耦合器和第二耦合器合并为一个耦合器。
分光模块，所述分光模块用于从接收到的光信号分离出分别对应于波长λ2、λ2的入射光的瑞利散射光信号，并传送到探测器模块；优选地，所述分光模块是光栅或滤波器或棱镜，本实施例采用两个滤波器来实现分光。
探测器模块，所述探测器模块用于将分离后的瑞利散射光信号转换为第一信号、第二信号，并传送到信号处理模块；
信号处理模块，所述信号处理模块用于处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息，如振动、温度。
图2示意性地给出了利用上述传感系统进行相位敏感式光时域反射传感方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
(A1)不同功率、不同波长的两束不同入射脉冲光进入感知外界信息的传感光纤中，产生的瑞利散射光进入耦合器；
(A2)耦合器将所述瑞利散射光耦合进分光模块；
(A3)分光模块分离出分别对应于所述不同入射脉冲光的瑞利散射光信号，并由探测器模块转换为第一信号和第二信号；
(A4)信号处理模块处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息。
根据实施例1达到的益处在于：第一光源和第二光源的功率、波长不同，这种分段接收的方法即可以解决长距离探测中动态范围过高的问题，也不会使测量时间变慢。
实施例2：
图3示意性地给出了本发明实施例的相位敏感式光时域反射传感系统的基本结构图，如图3所示，所述传感系统包括：
第一光源和第二光源，用于发射不同波长、不同功率的连续光，所述光源可采用激光器，如窄线宽的半导体激光器；优选地，第一光源的出射波长λ1为1310nm，功率较低，在10dBm左右，用于探测短距离处信号；第二光源的出射波长λ2为1550nm，功率较高，超过30dBm，用于探测长距离处信号；
第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述第一光源和第二光源发出的光耦合进光调制器；
光调制器，光调制器用于将连续光调制成脉冲光，并传送到第二耦合器；可选地，所述光调制器采用声光调制器；本实施例中，光调制器的消光比要求大于55dB；
第二耦合器，所述耦合器用于将所述脉冲光耦合进传感光纤，并将传感光纤中的瑞利散射光信号耦合进分光模块；
分光模块，所述分光模块用于从接收到的光信号分离出分别对应于波长λ2、λ2的入射光的瑞利散射光信号，并传送到探测器模块；优选地，所述分光模块是光栅或滤波器或棱镜，本实施例采用两个滤波器来实现分光。
探测器模块，所述探测器模块用于将分离后的散射光信号转换为第一信号、第二信号，并传送到信号处理模块；
信号处理模块，所述信号处理模块用于处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息，如振动、温度；
判断模块，所述判断模块判断所述信号处理模块传送来的振动和/或温度是否超出阈值；所述判断模块可采用电路或软件来实现，具体实现方式是本领域的现有技术，在此不再赘述。
报警模块，当所述判断模块的判断结果为是时，所述报警模块提示报警，可采用声、光或电的模式报警。
图4示意性地给出了利用上述传感系统进行相位敏感式光时域反射传感方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：
(B1)第一光源和第二光源发出的连续光被耦合在一起，并被调制为脉冲光；
(A1)不同功率、不同波长的两束不同入射脉冲光进入感知外界信息的传感光纤中，产生的瑞利散射光进入耦合器；
(A2)耦合器将所述瑞利散射光耦合进分光模块；
(A3)分光模块分离出分别对应于所述不同入射脉冲光的瑞利散射光信号，并由探测器模块转换为第一信号和第二信号；
(A4)信号处理模块处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息；
(C1)判断模块判断所述信号处理模块传送来的振动和/或温度是否超出阈值，若超过阈值，则提示报警模块报警。
根据实施例2达到的益处在于：第一光源和第二光源的功率、波长不同，这种分段接收的方法即可以解决长距离探测中动态范围过高的问题，也不会使测量时间变慢。
Claims (10)
1.一种相位敏感式光时域反射传感系统，包括光源、传感光纤；其特征在于：所述传感系统进一步包括：
第一光源，所述第一光源用于发射波长为λ1、功率为P1的光，
第二光源，所述第二光源用于发射波长为λ2，λ2≠λ1、功率为P2，P2≠P1的光；
第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述第一光源和第二光源发出的光同时耦合进所述传感光纤；
第二耦合器，所述耦合器用于将传感光纤中的散射光信号耦合进分光模块；
分光模块，所述分光模块用于从接收到的光信号分离出分别对应于波长λ2、λ2的入射光的散射光信号，并传送到探测器模块；
探测器模块，所述探测器模块用于将分离后的散射光信号转换为第一信号、第二信号，并传送到信号处理模块；
信号处理模块，所述信号处理模块用于处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述分光模块是光栅或滤波器或棱镜。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述第一光源发出的光的波长λ1为1310nm，第二光源发出的光的波长λ2为1550nm。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述光源为脉冲光源。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述传感系统进一步包括：
光调制器，所述光调制器用于将所述光源发出的连续光调制为脉冲光；
驱动模块，所述驱动模块的输出端连接所述光调制器；
所述光源为连续光源。
6.一种利用分布式光纤传感系统同时检测振动和温度的方法，所述方法包括以下步骤：
(A1)不同功率、不同波长的两束不同入射脉冲光同时进入感知外界信息的传感光纤中，产生的散射光进入耦合器；
(A2)耦合器将所述散射光耦合进分光模块；
(A3)分光模块分离出分别对应于所述不同入射脉冲光的散射光信号，并由探测器模块转换为第一信号和第二信号；
(A4)信号处理模块处理接收到的第一信号和第二信号，从而获知所述传感光纤的感知信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括以下步骤：
(B1)光源发出的连续光被调制为脉冲光。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述光源为窄线宽激光器。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述不同入射脉冲光的波长分别为：λ1为1310nm、λ2为1550nm。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括以下步骤：
(C1)判断模块判断所述信号处理模块传送来的振动和/或温度是否超出阈值，若超过阈值，则提示报警。
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