CN105258781B - 一种光纤振动检测系统及光纤振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤振动检测系统及光纤振动检测方法，光纤振动传感器与上位机连接；光纤振动传感器包括第一环形器、N个泵浦光源和第一波分复用器，第一环形器与第一波分复用器连接，N个泵浦光源与第一波分复用器连接，第一波分复用器通过第一传感光纤连接至远程增益模块，远程增益模块还与第二传感光纤相连接；第一环形器发出的信号光与从N个泵浦光源发出的泵浦光一起经过第一波分复用器之后进入远程增益模块，通过远程增益模块将泵浦光下载下来用于信号光的放大。由此，解决了现有光纤振动信号检测系统存在检测距离有限而不能满足实际生产需求的技术问题，提高了远距离光纤振动检测的准确率。

Description

一种光纤振动检测系统及光纤振动检测方法

技术领域

本发明涉及信号检测领域，尤其是涉及一种光纤振动检测系统及光纤振动检测方法。

背景技术

大型工程结构健康监测、输油管线保护、地质灾害预防等都需要采集振动信号，基于相干瑞利技术(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感器由于具有传统传感器不可比拟的优势而成为了研究的热点。目前该技术主要应用于围栏入侵检测、长输油气管道检测、边界安防等领域，而且取得了不错的应用效果，但是随着检测距离的延长，光信号变得很弱，尤其是后向瑞利散射光信号变得极为微弱，这为信号的检测带来很大的困难。

目前为了解决随着检测距离的延长光信号变得很弱，尤其是后向瑞利散射光信号变得极为微弱的这一问题，以单一的提高入纤光功率或前置放大器的增益系数的方式。但是提高入纤光功率将会导致脉冲能量过高，当脉冲光信号超过布里渊效应阈值时会激起受激布里渊效应，导致光功率在光纤前端急剧下降，反而降低了传感距离。为解决该问题，目前公开了基于掺铒光纤放大方法以延长光纤传感系统监测距离的方法，但是需要占用多条光纤用以传输泵浦光，造成资源浪费，反而延长检测距离的效果有限，因此，很多实际生产需求仍然不能满足。

发明内容

本发明通过提供一种光纤振动检测系统及光纤振动检测方法，解决了现有技术造成资源浪费且延长检测距离的效果有限的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种光纤振动检测系统，包括：光纤振动传感器，上位机，远程增益模块，第一传感光纤，第二传感光纤；

所述光纤振动传感器与所述上位机连接；

所述光纤振动传感器包括第一环形器、N个泵浦光源和第一波分复用器，N为大于1的整数，其中，所述第一环形器与所述第一波分复用器连接，所述N个泵浦光源与所述第一波分复用器连接，所述第一波分复用器通过所述第一传感光纤连接至所述远程增益模块，所述远程增益模块还与所述第二传感光纤相连接；

其中，从所述第一环形器发出的信号光与从所述N个泵浦光源发出的泵浦光一起经过所述第一波分复用器之后进入所述远程增益模块，通过所述远程增益模块将所述泵浦光下载下来用于所述信号光的放大。

优选的，所述远程增益模块包括：第二波分复用器，滤波器，第二环形器，第三波分复用器，耦合器，第四波分复用器，第三环形器，第五波分复用器；

所述第一波分复用器通过所述第一传感光纤连接至所述第二波分复用器，所述第二波分复用器连接至所述滤波器，所述滤波器连接至所述第二环形器，所述第二环形器连接至所述第三波分复用器，所述第三波分复用器连接至所述第三环形器，所述第三波分复用器还连接至所述耦合器，所述耦合器连接至所述第四波分复用器和所述第二波分复用器，所述第四波分复用器连接至所述第三环形器，所述第二波分复用器还与所述第五波分复用器相连接，所述第三环形器连接至所述第五波分复用器。

优选的，所述远程增益模块包括N个远程增益子模块依次串联而成；

相邻两个所述远程增益子模块之间通过传感光纤连接，其中，第n远程增益子模块将第n泵浦光源发出的泵浦光分离出来用于所述第n远程增益子模块对所述信号光的放大，n依次取1至N。

第二方面，本发明实施例提供了一种光纤振动检测方法，应用于第一方面所述的光纤振动检测系统中，所述光纤振动检测方法包括如下步骤：

所述信号光与所述N个泵浦光源发出的泵浦光一起进入所述第一传感光纤传输到所述远程增益模块后，第一远程增益子模块接收通过所述第一传感光纤传输来的泵浦光和信号光；

在第n泵浦光源发出的泵浦光的激励下，第n远程增益子模块对所述信号光进行放大，n依次取1至N；

第N远程增益子模块通过所述第二传感光纤传输来的向后瑞利散射光信号；

在第n泵浦光源发出的泵浦光的激励下，第n远程增益子模块对所述向后瑞利散射光信号进行放大，n依次取1至N，其中，所述向后瑞利散射光信号为所述信号光产生。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于本发明实施例采用了光纤振动传感器的第一波分复用器通过传感光纤连接至远程增益模块，远程增益模块将泵浦光源发出的泵浦光分离出来，同时与传感光纤相连接，由此传感光纤间串接远程增益模块提高了光纤振动传感系统的监测距离，这种同纤遥泵放大方式对每段传感光纤集中式放大有效增强了用于检测的光信号，解决了现有技术造成资源浪费且延长检测距离的效果有限的技术问题，从而提高了远距离光纤振动检测的准确率。

进一步，遥泵放大方式会将正向传输的光信号和反向传输的瑞利散射光信号同时放大，对于信号光使用前向泵浦方式，对于后向瑞利散射光信号使用后向泵浦方式，由此这种泵浦结构不仅使得信号光的噪声性能好而且后向瑞利散射光可以获得较高的增益系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中光纤振动检测系统的架构图；

图2为本发明实施例中远程增益模块的结构图；

图3为本发明实施例中光纤振动检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1所示，本发明实施例提供的一种光纤振动检测系统，包括：光纤振动传感器1，上位机2，第一传感光纤3，第二传感光纤4，远程增益模块5，其中，光纤振动传感器1与上位机2连接，光纤振动传感器1通过第一传感光纤3与远程增益模块5连接，远程增益模块5还与第二传感光纤4连接。

具体的，光纤振动传感器1包括：第一环形器11，第一泵浦光源12-1、第二泵浦光源12-2…至第N泵浦光源12-N共N个泵浦光源，第一波分复用器13。其中，第一环形器11连接至第一波分复用器13，第一泵浦光源12-1、第二泵浦光源12-2…至第N泵浦光源12-N均与第一波分复用器13连接，第一波分复用器13通过第一传感光纤3连接到远程增益模块5。由此，第一环形器11产生的信号光从第一波分复用器13的一端口进入第一波分复用器13，N个泵浦光源12-1、12-2…至12-N发出N种不同波长的泵浦光，N种波长的泵浦光从第一波分复用器13的N个端口进入第一波分复用器13，由第一波分复用器13将N种波长的泵浦光与信号光进行光耦合后进入第一传感光纤3并一起在第一传感光纤3中传输。

具体的，N为大于1的整数，比如，有2个泵浦光源，3个泵浦光源等等均可以。

远程增益模块5接收到第一传感光纤3内正向传输的信号光和正向传输的N种波长的泵浦光后，远程增益模块5将N种波长的泵浦光分别对应下载下来对正向传输的信号光进行放大。

具体的，远程增益模块5由第一远程增益子模块5-1、第二远程增益子模块5-2…至第N远程增益子模块5-N共N个远程增益子模块通过传感光纤串联而成。依次的，第一波分复用器13通过第一传感光纤3连接至第一远程增益子模块5-1，依次的，第一远程增益子模块5-1通过一段传感光纤连接至第二远程增益子模块5-2，第二远程增益子模块5-2通过又一段传感光纤连接至第三远程增益子模块(未图示)等等，最后的，第N远程增益子模块5-N连接至第二传感光纤4，从而将经过第N远程增益子模块5-N放大后的信号光通过第二传感光纤4传输到下一级装置。

具体来讲，第一远程增益子模块5-1接收到第一传感光纤3内正向传输的信号光和正向传输的来自N个泵浦光源的N种波长的泵浦光，则第一远程增益子模块5-1将与第一远程增益子模块5-1对应的一种波长的泵浦光下载下来对正向传输的信号光进行第一次放大，将剩余的N-1种波长的泵浦光继续通过一段传感光纤传输至第二远程增益子模块5-2。第二远程增益子模块5-2将与第二远程增益子模块5-2对应的一种波长的下载下来对正向传输的信号光进行第二次放大，将剩余的N-2种波长的泵浦光继续通过一段传感光纤传输至第三远程增益子模块(未图示)，依次进行下去，串联在最末端的第N远程增益子模块5-N将从最后一种波长的泵浦光下载下来对信号光进行最后一次放大后通过第二传感光纤4传输到下一级装置。

具体的，光纤振动传感器1为基于相干瑞利散射技术(Φ-OTDR)的分布式振动传感器，光纤振动传感器1将耦合后的光通过第一传感光纤3传输到N个远程增益子模块串联而成的远程增益模块5，由此在第一传感光纤3与第二传感光纤4之间通过多段传感光纤串联的多个远程增益子模块延长了Φ-OTDR传感距离。

下面，参考图2所示，第一远程增益子模块5-1、第二远程增益子模块5-2…至第N远程增益子模块5-N中每个远程增益子模块均包括：第二波分复用器51，滤波器52，第二环形器53，第三波分复用器54，耦合器55，第四波分复用器56，第三环形器57，第五波分复用器58。

其中，第二波分复用器51连接至滤波器52，滤波器52连接至第二环形器53，第二环形器53连接至第三波分复用器54，第三波分复用器54连接至第三环形器57，第三波分复用器54还连接至耦合器55，耦合器55连接至第四波分复用器56和第二波分复用器51，第四波分复用器56连接至第三环形器57，第二波分复用器51与第五波分复用器58相连接，同时第五波分复用器58与第三环形器57相连接。

具体的，第三波分复用器54与第三环形器57之间通过第一掺铒光纤59连接，第四波分复用器56与第三环形器57之间通过第二掺铒光纤510连接。

在具体实施过程中，第一掺铒光纤59与第二掺铒光纤510可以根据实际信号强度灵活调整。

针对上述结构，具体为：第一传感光纤3的一端口接入第一波分复用器13，第一传感光纤3的另一端口接入第一远程增益子模块5-1的第二波分复用器51。第二传感光纤4的一端口接入第N远程增益子模块5-N的第三环形器57，第二传感光纤4的另一端口连接到一下级装置。

具体的，第一传感光纤3、第二传感光纤4、以及用于每相邻远程增益子模块之间连接传感光纤均为相同结构和相同参数的光纤。

下面以第一远程增益子模块5-1在第一泵浦光源12-1发出的泵浦光的激励下对正向传输的信号光进行放大的过程进行举例说明，其他远程增益子模块对信号光进行放大的过程与第一远程增益子模块5-1对信号光进行放大的过程相同或相似，不进行一一说明：

第一环形器11发出的信号光与N个泵浦光源发出的N种波长的泵浦光耦合后通过第一传感光纤3一起传输后从第二波分复用器51的一个端口进入第二波分复用器51，之后第一远程增益子模块5-1对应的一种波长的泵浦光从第二波分复用器51的一个端口进入耦合器55，而信号光从第二波分复用器51的另一个端口进入滤波器52中进行滤波处理，滤波处理之后的信号光从第二环形器53的端口53-1进，从第二环形器53的端口53-2输出出到第四波分复用器56。从耦合器55的端口55-1分出的泵浦光与第二环形器53的端口53-2出来的滤波处理后的信号光一起进入第四波分复用器56，泵浦光为第二掺铒光纤510提供激励，从而将正向传输的信号光进行第一次放大，被第一次放大后的信号光从第三环形器57的端口57-1进入第三环形器57后从第三环形器57的端口57-2进入第五波分复用器58，而剩余的N-1种波长的泵浦光也从第二波分复用器51的其他N-1个端口进入第五波分复用器58，则第五波分复用器58将被第一次放大后的信号光与N-1种波长的泵浦光耦合后通过传感光纤传输到第二远程增益子模块5-2。进入第二波分复用器51的信号光会在第一、第二远程增益子模块5-1、5-2之间的传感光纤中产生后向瑞利散射光。而第一、第二远程增益子模块5-1、5-2之间的传感光纤中产生的后向瑞利散射光从第三环形器57的端口57-3进入第一掺铒光纤59，从耦合器55的端口55-2分出的泵浦光从第三波分复用器54进入为第一掺铒光纤59提供激励，以将后向传输的信号光进行放大，被放大的后向传输的信号光依次经过第二环形器53、滤波器52和第二波分复用器51进入传感光纤传输到第二远程增益子模块5-2。

上述可以看出，对于信号光使用前向泵浦方式，对于后向瑞利散射光信号使用后向泵浦方式。由此，不仅使得信号光的噪声性能好而且后向瑞利散射光可以获得较高的增益系数。

基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种光纤振动检测方法，应用于前述实施例所述的光纤振动检测系统中，结合参考图1、图2、图3所示，该光纤振动检测方法包括如下步骤：

S1、信号光与N个泵浦光源发出的泵浦光一起进入第一传感光纤3传输到远程增益模块5后，第一远程增益子模块5-1通过第一传感光纤3接收信号光与通过第一传感光纤3传输来的泵浦光；

S2、在第n泵浦光源发出的泵浦光的激励下，第n远程增益子模块对信号光进行放大，n依次取1至N；

S3、第N远程增益子模块5-N接收通过第二传感光纤4传输来的向后瑞利散射光信号；

S4、在第n泵浦光源发出的泵浦光的激励下，第n远程增益子模块对向后瑞利散射光信号进行放大，n依次取1至N，其中，向后瑞利散射光信号为信号光产生。

本实施例为前述光纤振动检测系统中应用的光纤振动检测方法，属于同一发明构思下的两个方面，在前述光纤振动检测系统的实施例中已经详细阐述了本发明提供的光纤振动检测方法的过程，具体可以参考前述光纤振动检测系统中的描述，为了说明书的简介，本文不再赘述，凡是应用前述光纤振动检测系统进行的光纤振动检测方法，均属于本发明意欲保护的范围。

通过上述本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

由于本发明实施例采用了光纤振动传感器的第一波分复用器通过传感光纤连接至远程增益模块，远程增益模块将泵浦光源发出的泵浦光分离出来，同时与传感光纤相连接，由此传感光纤间串接远程增益模块提高了光纤振动传感系统的监测距离，这种同纤遥泵放大方式对每段传感光纤集中式放大有效增强了用于检测的光信号，解决了现有技术造成资源浪费且延长检测距离的效果有限的技术问题。从而提高了远距离光纤振动检测的准确率。

进一步，遥泵放大方式会将正向传输的光信号和反向传输的瑞利散射光信号同时放大，对于信号光使用前向泵浦方式，对于后向瑞利散射光信号使用后向泵浦方式，由此这种泵浦结构不仅使得信号光的噪声性能好而且后向瑞利散射光可以获得较高的增益系数。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种光纤振动检测系统，其特征在于，包括：光纤振动传感器，上位机，远程增益模块，第一传感光纤，第二传感光纤；

所述光纤振动传感器与所述上位机连接；

所述光纤振动传感器包括第一环形器、N个泵浦光源和第一波分复用器，N为大于1的整数，其中，所述第一环形器与所述第一波分复用器连接，所述N个泵浦光源与所述第一波分复用器连接，所述第一波分复用器通过所述第一传感光纤连接至所述远程增益模块，所述远程增益模块还与所述第二传感光纤相连接；

所述远程增益模块包括N个远程增益子模块依次串联而成；相邻两个所述远程增益子模块之间通过传感光纤连接，其中，第n远程增益子模块将第n泵浦光源发出的泵浦光分离出来用于所述第n远程增益子模块对信号光的放大，n依次取1至N；

其中，从所述第一环形器发出的信号光与从所述N个泵浦光源发出的N种不同波长的泵浦光一起经过所述第一波分复用器之后进入所述远程增益模块，通过所述远程增益模块将所述泵浦光下载下来用于所述信号光的放大。

2.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于，所述远程增益模块包括：第二波分复用器，滤波器，第二环形器，第三波分复用器，耦合器，第四波分复用器，第三环形器，第五波分复用器；

所述第一波分复用器通过所述第一传感光纤连接至所述第二波分复用器，所述第二波分复用器连接至所述滤波器，所述滤波器连接至所述第二环形器，所述第二环形器连接至所述第三波分复用器，所述第三波分复用器连接至所述第三环形器，所述第三波分复用器还连接至所述耦合器，所述耦合器连接至所述第四波分复用器和所述第二波分复用器，所述第四波分复用器连接至所述第三环形器，所述第二波分复用器还与所述第五波分复用器相连接，所述第三环形器连接至所述第五波分复用器。

3.一种光纤振动检测方法，应用于如权利要求2所述的光纤振动检测系统中，其特征在于，所述光纤振动检测方法包括如下步骤：

所述信号光与所述N个泵浦光源发出的泵浦光一起进入所述第一传感光纤传输到所述远程增益模块后，第一远程增益子模块接收通过所述第一传感光纤传输来的泵浦光和信号光；

在第n泵浦光源发出的泵浦光的激励下，第n远程增益子模块对所述信号光进行放大，n依次取1至N；

第N远程增益子模块通过所述第二传感光纤传输来的向后瑞利散射光信号；

在第n泵浦光源发出的泵浦光的激励下，第n远程增益子模块对所述向后瑞利散射光信号进行放大，n依次取1至N，其中，所述向后瑞利散射光信号为所述信号光产生。