CN104181635B - 光强分布式解调系统及分布式传感光纤 - Google Patents

Abstract

一种分布式传感光纤，其特征是分布式传感光纤是在一根普通单模光纤上刻写上千个超低反射率的光纤光栅，使得普通单模光纤与光纤光栅成为一体，光纤光栅的反射率R设定在0.1%‑1%，有效降低了多径反射。一种光强分布式解调系统，它包括分布式反馈半导体激光器、声光调制器、环形器、耦合器、分布式传感光纤、光电探测器和光强解调装置；分布式反馈半导体激光器发出连续激光进入到声光调制器，被调制为脉宽为W的脉冲激光，脉冲激光进入到环形器依次遍历分布式传感光纤上的第一光栅、第二光栅、第三光栅，一直到第N光栅，反射光从环形器的C₃端进入非平衡干涉仪进行干涉，非平衡干涉仪输出的干涉光进入到光电探测器，光电探测器输出电信号至光强解调装置。

Description

光强分布式解调系统及分布式传感光纤

技术领域

本方案涉及一种分布式声波监测技术，尤其涉及一种光强分布式解调系统及分布式传感光纤。

背景技术

目前光纤分布式传感技术包括光纤双干涉仪技术、光纤光栅准分布式传感技术和光时域反射技术。光纤双干涉仪技术采用Sagnac–Sagnac, Sagnac–MZ, Sagnac–Michelson等干涉方案实现分布式测试，其光路设计以及解调算法较复杂，在工程实际应用中存在较多难以克服的问题。

光纤光栅准分布式传感技术利用光纤光栅的反射作用实现对物理量的分布式监测，在以往的专利和应用中，并且主要是利用光纤光栅的波长变化信息，传统串接光纤光栅传感器存在焊点多、损耗大以及机械强度差的缺点，不利于进行长距离大规模的组网，故其在分布式传感光纤的容量及复用率成为工程应用的瓶颈，主要就是容量低。

光时域反射技术主要是利用光纤在外部扰动作用下产生的Rayleigh、Raman、Briliouin等效应进行测量，其具有光路简单、传感器易于铺设等优点，但其散射后的信号能量很弱，故如检测距离、空间分辨率等技术指标较低，如果达到较高的技术指标，其解调系统设计更加复杂化，成本剧增，即高精度致使高成本。

发明内容

为了解决分布式测量的工程应用便利性、达到长距离监测、高空间分辨率等高技术指标、高成本的问题，我们结合光时域发射技术和光纤光栅准分布式传感技术的优点，提出了基于超低反射率光纤光栅的分布式传感光纤及光强分布式解调系统。

本申请所采取的技术措施是：一种分布式传感光纤，其特征是分布式传感光纤是在一根普通单模光纤上刻写上千个超低反射率的光纤光栅，使得普通单模光纤与光纤光栅成为一体，光纤光栅的反射率R设定在0.1%-1%，有效降低了多径反射。

超低反射率定义为小于1%的反射率，其特点是减少光纤光栅的多径反射，提高信号的信噪比。

一种分布式传感光纤的制作方法包括如下步骤：

第一步初步设定准分子激光器的脉冲频率和曝光时间，在普通单模光纤上采用相位掩膜板法刻写光纤光栅；如图1所示，首先根据理论计算和经验值的指导下，初步设定准分子激光器的脉冲频率和曝光时间，采用相位掩膜板法制作光纤光栅，将光纤盒3放入到传动轴B上，将光纤4拉出一部分缠绕在收线盒5上，收线盒固定在转动轴C上，激光器控制器8控制准分子激光器1发出脉冲光，经过光路系统2，脉冲光在A处的光纤上刻写光栅。

第二步根据干涉法精确测定光纤光栅的超低反射率R（R<1%）；

如果测得的反射率R不是预先设计的反射率，调整准分子激光器的脉冲频率和曝光时间重新刻写光纤光栅，直到完成一个预先设计的超低反射率的光纤光栅；通过以上两个步骤完成了超低反射率R和准分子激光器的脉冲频率和曝光时间的一一对应关系；

如图1所示，宽带光源发出稳定功率（光功率为1mW）的激光进入到第一隔离器，经过第一隔离器后进入到分光比为50:50的第一耦合器的P₁₁端，分束光进入到等长两臂，一分束光进入到P₁₃端，经过反射率为90%的标准光栅，反射光返回到第一耦合器的P₁₂端，透射光进入到第二隔离器，另一半分束光进入到P₁₄端，经过测试光栅，反射光返回到第一耦合器的P₁₂端，透射光进入到第三隔离器，两束光P₁₂端干涉，进入到高精度光功率计，分别记录光功率值最大值W_max和最小值W_min，

(1)

(2)

由公式（1）和（2）得出

如果测得的反射率R不是预先设计的反射率，调整准分子激光器的脉冲频率和曝光时间重新刻写光纤光栅，直到完成一个预先设计的超低反射率的光纤光栅。

第三步制作分布式传感光纤；根据分布式传感系统的参数要求确定光纤光栅的间距d以及个数N，其中间距d决定了光强分布解调系统的空间分布率，d*N 确定了光强分布解调系统的检测距离；

（1）调节传动轴和转动轴之间的距离为2d,并且使传动轴和转动轴的中点A位于准分子激光器的刻写光纤光栅处，将光纤盒放入到传动轴上，将光纤拉出一部分缠绕在收线盒上；

（2）在要刻写光纤光栅处的光纤采用热去覆法除去涂覆层，按照第二步确定的脉冲频率和曝光时间刻写光纤光栅，刻写完毕后进行光纤涂覆；

（3）计算机上的控制程序控制步进电机带动转动轴使得收线盒转动，将长度为d米的光纤缠绕在收线盒上，并且计算机上的控制程序确保刻写光纤光栅的间距为d米；

（4）重复执行步骤（2）和（3），直到完成长度L米分布式传感光纤中的超低反射率光纤光栅的刻写，完成了分布式传感光纤的制作。

拉丝塔在线制作光纤光栅的技术因为光纤实在运动状态下刻写光纤光栅，存在着反射率控制不精确以及光栅条纹的展宽，而本专利制作的分布式传感光纤利用精确控制脉冲频率和曝光时间从而使得超低反射率得到精确控制且不存在条纹展宽现象。

将预先制作好的光纤光栅焊接在光纤上的方法适合于反射率较高情况，因为上千个光纤的熔接损耗使的光分布式解调系统无法正常工作，故本专利的分布式传感光纤的相比较普通焊接在光纤上的光纤光栅具有没有熔接损耗，提高了光纤机械强度，实现大容量的光纤光栅（N>1000）的优势。

本专利所用的分布式传感光纤是同样的反射波长，同样的超低反射率的N个光纤光栅刻写在光纤上，使得光纤与光纤光栅成为一体，光栅的反射率R设定在0.1%-1%，有效降低了多径反射。

一种光强分布式解调系统，它包括分布式反馈半导体激光器、声光调制器、环形器、耦合器、分布式传感光纤、光电探测器和光强解调系统；窄线宽（<10KHz）的分布式反馈半导体激光器发出连续激光进入到声光调制器，被调制为重复频率为f _rep =n/2Lc，其中n是光纤折射率，L是光纤长度，c是光在真空的速度，脉宽为W的脉冲激光，脉冲激光进入到环形器的C₁ 端，经过环形器的C₂端进入到传感光纤，依次遍历第一光栅、第二光栅、第三光栅，一直到第N光栅，因为光纤的反射率在0.1%-1%，绝大部分光透过光栅继续向前传播，仅有少量的光被光栅反射到环形器的C₃端，反射光从环形器的C₃端进入非平衡干涉仪进行干涉，非平衡干涉仪输出的干涉光进入到光电探测器，光电探测器输出电信号至光强解调系统。

所述非平衡干涉仪包括第二耦合器以及与第二耦合器相连接的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；反射光从环形器的C₃端进入到第二耦合器的P₂₁端后分为二路，一路从第二耦合器的P₂₃端经第一法拉第旋转镜的反射回到P₂₃端形成P₂信号，如图4所示的P₂信号；另一路从第二耦合器的P₂₄端经过长度为D米的延时光纤后经第二法拉第旋转镜的反射回到P₂₄端形成P₄信号，0.1m<D<100m，D的大小由光强分布式解调系统的空间分布率决定的，即光栅之间的距d离决定的，即D=d。如图4所示的P₄信号，P₄信号和P₂信号在第二耦合器的P₂₂端发生干涉生成P₃信号，如图4所示的P₃信号，P₃信号从第二耦合器的P₂₂端送入到光电探测器，P₃信号就是两个光栅之间的光强信息，即光强分布式解调系统最小空间分辨率的光强信息。

所述非平衡干涉仪包括第三耦合器以及与第三耦合器相连接的第四耦合器；，反射光从环形器的C₃端进入到第三耦合器的P₃₁端后分为两路，一路经第三耦合器的P₃₂端进入第四耦合器的P₄₁端，另一路自第三耦合器的P₃₃端经D米的延时光纤进入到第四耦合器的P₄₂端，0.1m<D<100m，两束光在第四耦合器的P₄₃端干涉后送入光电探测器。

所述非平衡干涉仪包括第五耦合器以及与第五耦合器相连接的第三法拉第旋转镜；反射光从环形器的C₃端进入到第五耦合器的P₅₁端后分为两路，一路经第五耦合器的P₅₄端送入D米的延时光纤后进入到第五耦合器的P₅₂端，0.1m<D<100m，另一路经第五耦合器的P₅₅端到达第三法拉第旋转镜后反射回第五耦合器的P₅₅端，第五耦合器的P₅₂端输出的光信号与第五耦合器P₅₅端的返回光在第五耦合器的P₅₃端进行干涉后送入光电探测器。

该方案的有益效果是：

一、分布式传感光纤的有益效果

在传感光纤拉制过程中，直接将超低反射率光纤光栅刻写在传感光纤中，与传感光纤融为一体，避免了以往专利或应用中的光纤光栅的熔接损耗。

二、光强分布式解调系统的有益效果（将分布式传感光纤接入到光强解调装置 中形成分布式解调系统）

（1）不同于以往的应用，本专利解调的是光纤光栅反射的光强信号，不是波长信息，光栅的容量与反射率紧密相关，本专利采用的超低反射率光纤光栅，其反射率在0.1%-1%之间，并且波长为同一波长，保证了在上千米的传感光纤上可以复用几千个光纤光栅，保证了光栅的高容量，确保分布式检测的长距离的要求。

（2）本专利中分布式传感光纤中的光栅间距反映系统的空间分辨率，不同于以往的光纤光栅准分布式系统只能解调光纤光栅处的信息，本专利解调的是两个光纤光栅之间的传感光纤处的光强信息，增加了分布式检测系统的空间分辨率。解调方案是解调光栅之间的光强信息结合分布式传感光纤的光栅间距可以做到很小，从而提高了系统的空间分布率。

（3）被光栅反射后的光的能量相比较透射过的能量是微弱的，但与光纤中的瑞利散射或者布里渊散射要强100-1000倍，故此系统比基于瑞利散射的信噪比要高，精度要高。

光强解调装置解调原理：

根据光的相干原理，电探测器上的光强I可表示为：

I=A+BcosΦ(t) (3)

式(1)中： A 是干涉仪输出的平均光功率，B是干涉信号幅值，B=κA，κ≤1为干涉条纹可见度。Φ(t)是干涉仪的相位差。 设Φ(t) =Ccosω0t+φ(t)，则式(1)可写为：

I=A+Bcos[Ccosω0t+φ(t)] (4)

式(2)中Ccosω0t是相位载波，C是幅值，ω0是载波频率;φ(t) =Dcosωst +Ψ(t)，Dcosωst是传感光纤声场信号引起的相位变化,D是幅值，ωs是声场信号频率,Ψ(t)是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式(4) 用Bessel函数展开得：

（5）

式(5)中Jn(m)是m调制深度下的n阶Bessel函数值；如图5所示，相位载波调制示意图利用Bessel函数展开后的干涉仪输出探测器信号I进行基频信号(幅值是G)、二倍频信号(幅值是H)相乘，为了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象,对两路信号进行了微分交叉相乘(DCM)，微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算处理后转换为

B2GHJ1(C)J2(C)φ(t) (6)

将φ(t) =Dcosωst +Ψ ( t)代入式(4)有

B2GHJ1(C)J2(C)[Dcosωst+Ψ(t)] (7)

可见, 积分后得到的信号包含了待测信号Dcosωst和外界的环境信息. 后者通常是个慢变信号,且幅度可以很大,可通过高通滤波器加以滤除.系统的最后输出为

B2GHJ1(C)J2(C)Dcosωst (8)

由公式(8)可以求解出传感光纤声场信号引起的相位变化的Dcosωst信号。

附图说明

图1是光纤光栅超低反射率测试框图；图2是超低反射率分布式传感光纤制作装置示意图；图3是光强分布式解调系统实施例1光路框图；图4非平衡干涉仪干涉信号示意图；图5是光强解调装置框图；图6是实施例2光强分布式解调系统框图；图7是实施例3光强分布式解调系统框图。

图2中：1-激光器；2-光路系统；3-光纤盒；4-光纤；5-收线盒；6-步进电机；7-计算机；8-激光器控制器；9-传动轴；10-转动轴；11-光纤光栅。

具体实施方式

实施例一：

如图3所示，一种光强分布式解调系统，它包括分布式反馈半导体激光器、声光调制器、环形器、耦合器、分布式传感光纤、光电探测器和光强解调装置；窄线宽（<10KHz）的分布式反馈半导体激光器发出连续激光进入到声光调制器，被调制为重复频率为f _rep =n/2Lc，其中n是光纤折射率，L是光纤长度，c是光在真空的速度，脉宽为W的脉冲激光，脉冲激光进入到环形器的C₁ 端，经过环形器的C₂端进入到传感光纤，依次遍历第一光栅、第二光栅、第三光栅，一直到第N光栅，因为光纤的反射率在0.1%-1%，绝大部分光透过光栅继续向前传播，仅有少量的光被光栅反射到环形器的C₃端，反射光从环形器的C₃端进入非平衡干涉仪进行干涉，非平衡干涉仪输出的干涉光进入到光电探测器，光电探测器输出电信号至光强解调装置。

所述非平衡干涉仪包括第二耦合器以及与第二耦合器相连接的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；反射光从环形器的C₃端进入到第二耦合器的P₂₁端后分为二路，一路从第二耦合器的P₂₃端经第一法拉第旋转镜的反射回到P₂₃端形成P₂信号，如图4所示的P₂信号；另一路从第二耦合器的P₂₄端经过长度为1米的延时光纤后经第二法拉第旋转镜的反射回到P₂₄端形成P₄信号，如图4所示的P₄信号，P₄信号和P₂信号在第二耦合器的P₂₂端发生干涉生成P₃信号，如图4所示的P₃信号，P₃信号从第二耦合器的P₂₂端送入到光电探测器。

由图3所示的光电探测器信号进入到如图5所示的光强解调装置的中，所述光强解调装置包括乘法器、滤波器、微分器、积分器。探测器信号与基频信号在第一乘法器相乘进入到第一低通滤波器，信号送至第一微分器，与第二低通滤波后的信号相乘，进入到减法器一端，与第四乘法器之后的信号进行减法运算；探测器信号与倍频信号在第二乘法器相乘进入到第二低通滤波器，信号送至第二微分器，与第一低通滤波后的信号相乘，进入到减法器一端，与第三乘法器之后的信号进行减法运算；两路信号同时送入减法器，运算后送入积分器、高通滤波器后，解调出传感信号。

分布式传感光纤是在一根普通单模光纤上刻写上千个超低反射率的光纤光栅，使得普通单模光纤与光纤光栅成为一体，光纤光栅的反射率R设定为0.2%，有效降低了多径反射。超低反射率定义为小于1%的反射率，其特点是减少光纤光栅的多径反射，提高信号的信噪比。

分布式传感光纤的制作方法包括如下步骤：

第一步在普通单模光纤上刻写光纤光栅；如图2所示，首先根据理论计算和经验值的指导下，初步设定准分子激光器的脉冲频率和曝光时间，采用相位掩膜板法制作光纤光栅，将光纤盒3放入到传动轴9上，将光纤4拉出一部分缠绕在收线盒5上，收线盒5固定在转动轴10上，激光器控制器8控制准分子激光器1发出脉冲光，经过光路系统2，脉冲光在A处的光纤上刻写光纤光栅11。

第二步精确测定光纤光栅的超低反射率R（R<1%），如图1所示，宽带光源发出稳定功率（光功率为1mW）的激光进入到第一隔离器，经过第一隔离器后进入到分光比为50:50的第一耦合器的P₁₁端，分束光进入到等长两臂，一分束光进入到P₁₃端，经过反射率为90%的标准光栅，反射光返回到第一耦合器的P₁₂端，透射光进入到第二隔离器，另一半分束光进入到P₁₄端，经过测试光栅，反射光返回到第一耦合器的P₁₂端，透射光进入到第三隔离器，两束光P₁₂端干涉，进入到高精度光功率计，分别记录光功率值最大值W_max和最小值W_min，

(1)

(2)

由公式（1）和（2）得出

如果测得的反射率R不是预先设计的反射率，调整准分子激光器的脉冲频率和曝光时间重新刻写光纤光栅，直到完成一个预先设计的超低反射率的光纤光栅。通过以上两步完成了超低反射率R和准分子激光器的脉冲频率和曝光时间的一一对应关系。

第三步制作分布式传感光纤。如图2所示，根据分布式传感系统的参数要求确定光纤光栅的间距d以及个数N, 例如监测距离L米，空间分辨率是S米，则d=S,N= L/S。

（1）调节传动轴9和转动轴10之间的距离为2d,并且使的传动轴9和转动轴10的中点A位于准分子激光器的刻写光纤光栅处，将光纤盒3放入到传动轴9上，将光纤4拉出一部分缠绕在收线盒5上，

（2）在要刻写光纤光栅处的光纤采用热去覆法除去涂覆层，按照第二步确定的脉冲频率和曝光时间刻写光纤光栅，刻写完毕后进行光纤涂覆。

（3）计算机7上的控制程序控制步进电机6带动转动轴10使得收线盒5转动，将长度为d米的光纤缠绕在收线盒5上，并且计算机7上的控制程序确保刻写光纤光栅11的间距为d米。

（4）重复执行步骤（2）和（3），直到完成长度L米分布式传感光纤中的超低反射率光纤光栅的刻写，完成了适用于本解调系统的分布式传感光纤的制作。

拉丝塔在线制作光纤光栅的技术因为光纤是在运动状态下刻写光纤光栅，存在着反射率控制不精确以及光栅条纹的展宽，而本专利制作的分布式传感光纤利用在静止状态下刻写光纤光栅从而使得超低反射率得到精确控制且不存在条纹展宽现象。

将预先制作好的光纤光栅焊接在光纤上的方法适合于反射率较高情况，因为上千个光纤的熔接损耗使的光分布式解调系统无法正常工作，故本专利的分布式传感光纤的相比较普通焊接在光纤上的光纤光栅具有没有熔接损耗，提高了光纤机械强度，实现大容量的光纤光栅（N>1000）的优势。

本专利所用的分布式传感光纤是同样的反射波长，同样的超低反射率的1500个光纤光栅刻写在光纤上，使得光纤与光纤光栅成为一体，光栅的反射率R设定在0.2%，有效降低了多径反射。

实施例二：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：如图6所示，所述非平衡干涉仪包括第三耦合器以及与第三耦合器相连接的第四耦合器；反射光从环形器的C₃端进入到第三耦合器的P₃₁端后分为两路，一路经第三耦合器的P₃₂端进入第四耦合器的P₄₁端，另一路自第三耦合器的P₃₃端经10m的延时光纤进入到第四耦合器的P₄₂端，两束光在第四耦合器的P₄₃端干涉后送入光电探测器。

实施例三：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：如图7所示，所述非平衡干涉仪包括第五耦合器以及与第五耦合器相连接的第三法拉第旋转镜；反射光从环形器的C₃端进入到第五耦合器的P₅₁端后分为两路，一路经第五耦合器的P₅₄端送入80m的延时光纤后进入到第五耦合器的P₅₂端，另一路经第五耦合器的P₅₅端到达第三法拉第旋转镜后反射回第五耦合器的P₅₅端，第五耦合器的P₅₂端输出的光信号与第五耦合器P₅₅端的返回光在第五耦合器的P₅₃端进行干涉后送入光电探测器。

Claims (5)

1.一种光强分布式解调系统，它包括分布式反馈半导体激光器、声光调制器、环形器、耦合器、分布式传感光纤、光电探测器和光强解调装置；分布式反馈半导体激光器发出连续激光进入到声光调制器，被调制为重复频率为f _rep =n/2Lc，其中n是光纤折射率，L是光纤长度，c是光在真空的速度，脉宽为W的脉冲激光，脉冲激光进入到环形器的C₁ 端，经过环形器的C₂端进入到分布式传感光纤，依次遍历分布式传感光纤上的第一光栅、第二光栅、第三光栅，一直到第N光栅，因为光栅的反射率在0.1%-1%，绝大部分光透过光栅继续向前传播，仅有少量的光被光栅反射到环形器的C₃端，反射光从环形器的C₃端进入非平衡干涉仪进行干涉，非平衡干涉仪输出的干涉光进入到光电探测器，光电探测器输出电信号至光强解调装置；分布式传感光纤是同样的反射波长，同样的超低反射率的N个光纤光栅刻写在光纤上。

2.根据权利要求1所述的光强分布式解调系统，其特征是所述非平衡干涉仪包括第二耦合器以及与第二耦合器相连接的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；反射光从环形器的C₃端进入到第二耦合器的P₂₁端后分为二路，一路从第二耦合器的P₂₃端经第一法拉第旋转镜的反射回到P₂₃端形成P₂信号；另一路从第二耦合器的P₂₄端经过长度为D米的延时光纤，0.1m<D<100m ，后经第二法拉第旋转镜的反射回到P₂₄端形成P₄信号，P₄信号和P₂信号在第二耦合器的P₂₂端发生干涉生成P₃信号，P₃信号从第二耦合器的P₂₂端送入到光电探测器。

3.根据权利要求1所述的光强分布式解调系统，其特征是所述非平衡干涉仪包括第三耦合器以及与第三耦合器相连接的第四耦合器；反射光从环形器的C₃端进入到第三耦合器的P₃₁端后分为两路，一路经第三耦合器的P₃₂端进入第四耦合器的P₄₁端，另一路自第三耦合器的P₃₃端经过D米延时光纤进入到第四耦合器的P₄₂端，0.1m<D<100m，两束光在第四耦合器的P₄₃端干涉后送入光电探测器。

4.根据权利要求1所述的光强分布式解调系统，其特征是所述非平衡干涉仪包括第五耦合器以及与第五耦合器相连接的第三法拉第旋转镜；反射光从环形器的C₃端进入到第五耦合器的P₅₁端后分为两路，一路经第五耦合器的P₅₄端送入D米延时光纤后进入到第五耦合器的P₅₂端，0.1m<D<100m，另一路经第五耦合器的P₅₅端到达第三法拉第旋转镜后反射回第五耦合器的P₅₅端，第五耦合器的P₅₂端输出的光信号与第五耦合器P₅₅端的返回光在第五耦合器的P₅₃端进行干涉后送入光电探测器。

5.根据权利要求1所述的光强分布式解调系统，其特征是分布式传感光纤是在一根普通单模光纤上刻写上千个超低反射率的光纤光栅，使得普通单模光纤与光纤光栅成为一体，光纤光栅的反射率R设定在0.1%-1%，有效降低了多径反射。