隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器的制造方法
【專利摘要】一種隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器，它包括DFB光纖激光器，聲光調(diào)制器，第一光放大器，環(huán)形器，探測光纖；由探測光纖返回的光信號經(jīng)環(huán)形器的C3端輸出并經(jīng)第二光放大器送至第三光濾波器，第三光濾波器輸出光信號至第一光電探測器；穿過探測光纖繼續(xù)傳送的正向入射脈沖光信號經(jīng)光隔離器進(jìn)入第二光濾波器，第二光濾波器輸出光信號到耦合器并連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，耦合器通過相位調(diào)制器連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，耦合器輸出光信號至第二光電探測器，第一光電探測器和第二光電探測器輸出的電信號至光纖信號解調(diào)系統(tǒng)。采用基于背相瑞利散射的聲波位置測量裝置與基于邁克耳遜干涉的聲波相位測量裝置通過同一根探測光纖互相結(jié)合的方案，無需時分復(fù)用技術(shù)。
【專利說明】隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，尤其涉及一種隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]聲波測量技術(shù)在海洋油氣資源勘探開發(fā)，井下的微地震、聲速、流量等方面均有著廣泛的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的聲波測量方法都存在裝置體積大、測量范圍受放大器件限制等問題，并且傳統(tǒng)的聲波測量方法只能進(jìn)行點式測量，在實際運用中受到限制，因此研制高性能的聲波測量系統(tǒng)勢在必行。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中基于光纖技術(shù)的聲波傳感系統(tǒng)研究已經(jīng)非常廣泛,對于聲波相位多米用光纖光柵探頭或電探頭的點聲波傳感器，此種傳感系統(tǒng)只能測量探頭附近位置的聲波相位信息；對于聲波位置多采用基于光時域反射技術(shù)的光纖分布式傳感器，此種傳感系統(tǒng)只能確定聲源在傳感光纖上的位置，對聲源本身的信息卻難以得知。綜上現(xiàn)有的測量手段一般都存在聲波相位測量和聲波位置測量難以兼顧的問題。如果要同時對隨機(jī)位置聲源的聲波相位和位置進(jìn)行監(jiān)測，則必須在測量空間內(nèi)布置兩套系統(tǒng)，一套用于聲波相位測量，另一套用于聲波位置測量，不僅需要鋪設(shè)一條位置傳感光纖，還需要在測量范圍內(nèi)搭配大量的聲波相位傳感器以覆蓋整個測量范圍，對于在背向反射光中解調(diào)聲波相位，系統(tǒng)普遍還需采用復(fù)雜的時分復(fù)用技術(shù)，造成系統(tǒng)成本大量增加。現(xiàn)有技術(shù)中，在具體應(yīng)用前述兩種測量手段時，兩種測量裝置均需要分別搭設(shè)，即為配合測量聲波位置，不僅需要鋪設(shè)一條位置傳感光纖，還需要在測量范圍內(nèi)搭配大量的聲波相位傳感器以覆蓋整個測量范圍，才能獲得此聲波的相位信息；對于在背向反射光中解調(diào)聲波相位，系統(tǒng)普遍還需采用復(fù)雜的時分復(fù)用技術(shù)；另外，相應(yīng)的光源提供裝置、濾波裝置、混頻裝置等設(shè)備也均需為兩種測量裝置分別單獨設(shè)置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器。
[0005]—種隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器，它包括分布反饋式(DistributedFeedback, DFB)光纖激光器(以下簡稱DFB光纖激光器)，接收DFB光纖激光器輸出正向入射光信號的聲光調(diào)制器，接收聲光調(diào)制器輸出正向入射脈沖光信號的第一光放大器，第一光放大器輸出的正向入射脈沖光信號經(jīng)第一光濾波器送至環(huán)形器Cl端，從環(huán)形器C2端送至探測光纖；
由探測光纖返回的光信號經(jīng)環(huán)形器的C3端輸出并經(jīng)第二光放大器送至第三光濾波器，第三光濾波器輸出光信號至第一光電探測器；
穿過探測光纖繼續(xù)傳送的正向入射脈沖光信號經(jīng)光隔離器進(jìn)入第二光濾波器，第二光濾波器輸出光信號到2X2耦合器的Pl端，2X2耦合器的P2端通過光纖連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2X2耦合器的P4端通過相位調(diào)制器連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2X2耦合器的P2端輸出光信號至第二光電探測器，第一光電探測器和第二光電探測器輸出的電信號至光纖信號解調(diào)系統(tǒng)。
[0006]本方案的具體特點還有，從2X2耦合器P3端到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長度與從2X2耦合器P4端到第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長度的差s為系統(tǒng)空間分辨率的整數(shù)倍。
[0007]第一光放大器是指第一脈沖摻鉺光纖放大器，第二光放大器是指第二脈沖摻鉺光纖放大器。
[0008]前述結(jié)構(gòu)的工作原理是:
1)聲波位置信息測量:采用窄線寬、低噪聲的DFB光纖激光器作為光源，然后經(jīng)聲光調(diào)制器成正向入射脈沖，再經(jīng)第一光放大器和第一光濾波器后入射到環(huán)行器Cl端。環(huán)行器C2端連接探測光纖，探測光纖的后向瑞利散射信號通過環(huán)行器C3端，經(jīng)第二光放大器和第三光濾波器后直接進(jìn)入第一光電探測器，后由光纖信號解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行級差疊加等相關(guān)處理后，即可得到振動位置信號。當(dāng)脈沖脈寬為τ，周期為T的脈沖激光進(jìn)入探測光纖，根據(jù)光纖分布式測量原理可以得出激光脈寬τ與系統(tǒng)空間分辨率Λ L之間的:Λ L=CT/2n，c為光在真空中的速度3X 108m/s，n為光纖折射率約為1.5。前述“聲波位置信息測量”處理過程中所涉及到的裝置，即形成本發(fā)明的第一光纖分布式傳感裝置；
2)聲波相位信息測量:從探測光纖出射的正向入射脈沖光，經(jīng)過光隔離器、第二光濾波器之后，進(jìn)入由2X2耦合器、相位調(diào)制器、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡組成的臂長差為s的邁克耳遜干涉儀(s為AL的整數(shù)倍)，實現(xiàn)不同時間處正向入射脈沖信號的干涉，進(jìn)入P3端口的光未加相位調(diào)制與時延被第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射(如圖2所示)，進(jìn)入P4端口的光附加相位調(diào)制與時延被第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射(如圖3所示)，兩束光在2 X 2耦合器處發(fā)生干涉如圖4所示，從P2端出射的干涉信號記錄了單位長度上的聲波相位信號，輸出至第二光電探測器，通過下面的解調(diào)算法就可以解調(diào)還原出被記錄在干涉信號上的聲波相位信號。
·[0009]相位載波解調(diào)原理:
根據(jù)光的相干原理，第二光電探測器上的光強I可表示為:
I=A+BcosC> (t)(I)
式(I)中:A是干涉儀輸出的平均光功率，Β=κ A，K ( I為干涉條紋可見度。O(t)是干涉儀的相位差。設(shè)Φ (t) zCcoso^t+ct (t)，則式(I)可寫為:
I=A+Bcos [Ccos ω 0t+ Φ (t) ](2)
式⑵中Ccos ω 0t是相位載波；Φ (t) =Dcos ω st +Ψ (t), Dcos ω st是傳感光纖聲場信號引起的相位變化，W(t)是環(huán)境擾動等引起的初始相位的緩慢變化。將式(2)用Bessel函數(shù)展開得:
【權(quán)利要求】
1.一種隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器，它包括DFB光纖激光器，接收DFB光纖激光器輸出正向入射光信號的聲光調(diào)制器，接收聲光調(diào)制器輸出正向入射脈沖光信號的第一光放大器，第一光放大器輸出正向入射脈沖光信號經(jīng)第一光濾波器送至環(huán)形器Cl端，再從環(huán)形器C2端送至探測光纖；由探測光纖返回的光信號經(jīng)環(huán)形器的C3端輸出并經(jīng)第二光放大器送至第三光濾波器，第三光濾波器輸出光信號至第一光電探測器；穿過探測光纖繼續(xù)傳送的正向入射脈沖光信號經(jīng)光隔離器進(jìn)入第二光濾波器，第二光濾波器輸出光信號到2X2率禹合器的Pl端，2X2稱合器的P2端通過光纖連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡,2X2稱合器的P4端通過相位調(diào)制器連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，2X2耦合器的P2端輸出光信號至第二光電探測器，第一光電探測器和第二光電探測器輸出的電信號至光纖信號解調(diào)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器，其特征是從2X2耦合器P3端到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長度與從2X2耦合器P4端到第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光纖長度的差s為系統(tǒng)空間分辨率的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)位置點光纖分布式聲波傳感器，其特征是第一光放大器是指第一脈沖摻鉺光纖放大器。
【文檔編號】G01H9/00GK103575379SQ201310536683
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】王晨, 劉小會, 尚盈, 王昌, 彭綱定, 郭士生 申請人:山東省科學(xué)院激光研究所