種子注入botdr分布式光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，涉及種子注入布里淵光時域反射技術，屬于非掃描式實時測量分布式光纖傳感【技術領域】。它為了解決現(xiàn)有BOTDR系統(tǒng)信噪比低、傳感距離短，BOTDA系統(tǒng)結構復雜、無法實時測量、故障檢測困難的問題。本實用新型用覆蓋脈沖泵浦光在傳感光纖中形成的布里淵增益譜或損耗譜范圍的寬帶種子光取代了傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中掃頻型探測光，從而規(guī)避了掃頻過程，能夠實現(xiàn)實時傳感，且可以在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下完成故障檢測；結構簡潔，與單端法BOTDR系統(tǒng)相比，傳感信號輸出更加穩(wěn)定，傳感精度高，在50-80km內(nèi)信噪比提高10dB以上。本實用新型適用于布里淵光纖傳感的工程化應用。
【專利說明】種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及種子注入布里淵光時域反射技術，屬于非掃描式實時測量分布式光纖傳感【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近幾十年來，國民工業(yè)及能源供應的安全穩(wěn)定性越發(fā)受到重視，基礎設施的健康監(jiān)控成為關鍵一環(huán)。針對這一需求，具備一維空間連續(xù)性的分布式光纖傳感系統(tǒng)逐步發(fā)展起來?；诓祭餃Y散射技術的分布式光纖傳感系統(tǒng)，由于具備同時監(jiān)控光纖沿線溫度與應變的能力受到廣泛關注。目前工程化較為成熟的技術是布里淵光時域技術:布里淵光時域反射技術(B0TDR)、布里淵光時域分析技術(B0TDA)。
[0003]BOTDR系統(tǒng)基于自發(fā)布里淵散射原理，利用背向散射光與脈沖光的時間間隔提取事件的位置信息(與用于光纖檢測的光時域反射計OTDR相似)，利用布里淵散射信號的頻移與強度提取溫度和應變信息。BOTDR系統(tǒng)機構簡單、成本較低，能夠實時測量光纖沿線的溫度、應力信息，同時具備故障檢測功能。由于BOTDR系統(tǒng)中作為傳感信道的自發(fā)布里淵散射強度極其微弱，信噪比低下導致傳感精度較低，同時傳感距離受限(通常幾十公里)。
[0004]BOTDA系統(tǒng)基于受激布里淵散射(SBS)原理。在光纖兩端分別注入脈沖泵浦光和連續(xù)探測光，當兩者的頻差與光纖中某處布里淵頻移相等時，產(chǎn)生受激布里淵效應，二者之間發(fā)生能量轉移。連續(xù)調(diào)制兩激光器之間的頻差，同時檢測從光纖一段耦合出的探測光強度并輔以OTDR技術，就可得到光纖各小段區(qū)域在能量轉移最大時所對應頻差，進而提取出溫度和應力信息。BOTDA系統(tǒng)信噪比高，易于實現(xiàn)高精度、遠距離傳感。
[0005]BOTDA系統(tǒng)采用雙端測量且需要泵浦-探測間的偏振匹配或進行擾偏處理，結構復雜、成本較高；為測定布里淵增益譜所必要的掃頻時間導致BOTDA系統(tǒng)無法進行實時測量；不借助附加系統(tǒng)無法完成故障檢測。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有基于布里淵的分布式光纖傳感系統(tǒng)的典型缺點=BOTDR系統(tǒng)信噪比低、傳感距離短；B0TDA系統(tǒng)結構復雜、無法實時測量、故障檢測困難。提供一種種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)。
[0007]本實用新型所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)包括窄帶光纖激光器1、第一光纖稱合器2、泵浦光單兀3、光纖環(huán)形器4、傳感光纖5、光纖隔離器6、種子光模塊7、偏振控制器8、第二光纖耦合器9、光電探測器10和微波下變頻電路11，所述窄帶光纖激光器I的輸出端連接第一光纖I禹合器2的輸入端,第一光纖I禹合器2的第一輸出端口 2-1連接泵浦光單元3的輸入端，所述泵浦光單元3的輸出端連接光纖環(huán)形器4的第一端口 4-1，光纖環(huán)形器4的第二端口 4-2連接傳感光纖5的一端,種子光模塊7輸出的激光經(jīng)光纖隔離器6后進入傳感光纖5的另一端,光纖環(huán)形器4的第三端口 4-3連接第二光纖稱合器9的第一輸入端口 9-1,第一光纖稱合器2的第二輸出端口 2-2連接偏振控制器8的光纖輸入端，所述偏振控制器8的光纖輸出端連接第二光纖稱合器9的第二輸入端口 9-2,第二光纖率禹合器9的輸出端輸出的激光入射到光電探測器10的輸入端,光電探測器10的輸出端連接微波下變頻電路11的輸入端，微波下變頻電路11的信號輸出端為所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測信號輸出端。
[0008]所述的泵浦光單元3包括偏振控制器3-1、強度調(diào)制器3-2、直流穩(wěn)壓電源3_3、任意波形信號發(fā)生器3-4和摻鉺光纖放大器3-5,所述偏振控制器3-1的光纖輸入端連接第一光纖I禹合器2的第一輸出端口 2-1,偏振控制器3-1的輸出端連接強度調(diào)制器3-2的光輸入端，所述強度調(diào)制器3-2的光輸出端連接摻鉺光纖放大器3-5的種子光輸入端，所述摻鉺光纖放大器3-5的輸出端為泵浦光單兀3的輸出端,直流穩(wěn)壓電源3-3的電信號輸出端連接強度調(diào)制器3-2的電源輸入端，任意波形信號發(fā)生器3-4的波形信號輸出端連接強度調(diào)制器3-2的波形信號輸入端。
[0009]所述的種子光模塊7包括光纖濾波器7-1和寬帶光源7-2，所述寬帶光源7_2輸出的激光經(jīng)光纖濾波器7-1后進入光纖隔離器6。
[0010]所述的寬帶光源7-2為C波段寬帶光源。
[0011]所述的傳感光纖5為標準單模光纖。
[0012]所述的窄帶光纖激光器I為C波段DFB激光器(分布式反饋激光器)。
[0013]上述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12，所述數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12的探測信號輸入端連接所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測信號輸出端。
[0014]本實用新型所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)基于SBS原理，用覆蓋脈沖泵浦光在傳感光纖5中形成的布里淵增益譜或損耗譜范圍的寬帶種子光取代了傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中掃頻型探測光，從而規(guī)避了掃頻過程,能夠實現(xiàn)實時傳感；本實施方式結構簡潔，與單端法BOTDR系統(tǒng)相比，可以在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下完成故障檢測，且傳感信號輸出更加穩(wěn)定，能夠在50-80km內(nèi)提供高信噪比的傳感信號，信噪比提高IOdB以上。本實施方式結合了 BOTDA與BOTDR的優(yōu)點，在布里淵光纖傳感的工程化應用中具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的結構示意圖。【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)包括窄帶光纖激光器1、第一光纖稱合器2、泵浦光單兀3、光纖環(huán)形器4、傳感光纖5、光纖隔離器6、種子光模塊7、偏振控制器8、第二光纖稱合器9、光電探測器10和微波下變頻電路11，所述窄帶光纖激光器I的輸出端連接第一光纖稱合器2的輸入端,第一光纖稱合器2的第一輸出端口 2-1連接泵浦光單兀3的輸入端,所述泵浦光單兀3的輸出端連接光纖環(huán)形器4的第一端口 4-1,光纖環(huán)形器4的第二端口 4-2連接傳感光纖5的一端，種子光模塊7輸出的激光經(jīng)光纖隔離器6后進入傳感光纖5的另一端，光纖環(huán)形器4的第三端口 4-3連接第二光纖稱合器9的第一輸入端口 9-1,第一光纖稱合器2的第二輸出端口 2-2連接偏振控制器8的光纖輸入端，所述偏振控制器8的光纖輸出端連接第二光纖耦合器9的第二輸入端口 9-2,第二光纖f禹合器9的輸出端輸出的激光入射到光電探測器10的輸入端，光電探測器10的輸出端連接微波下變頻電路11的輸入端，微波下變頻電路11的信號輸出端為所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測信號輸出端。
[0017]本實施方式所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)中，窄帶光纖激光器I輸出的激光經(jīng)第一光纖耦合器2分成兩路，一路經(jīng)過泵浦光單元3后形成脈沖泵浦光；所述脈沖泵浦光經(jīng)光纖環(huán)形器4進入傳感光纖5的一端，其功率控制在受激布里淵散射閾值以下；另一路激光經(jīng)偏振控制器8后，作為本振光進入第二光纖耦合器9的第二輸入端口。種子光模塊7產(chǎn)生寬帶激光，所述寬帶激光作為種子光，經(jīng)光纖隔離器6進入傳感光纖的另一端，其光譜帶寬覆蓋脈沖泵浦光在傳感光纖中形成的布里淵增益譜或損耗譜范圍。數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12中的上位機發(fā)出觸發(fā)信號，泵浦光單元3產(chǎn)生的脈沖泵浦光進入傳感光纖，數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12同時計時采集；當種子光模塊7產(chǎn)生的種子光中的光譜分量頻率低于脈沖泵浦光的中心頻率，頻差為傳感光纖的布里淵頻移，且偏振狀態(tài)相同時，該種子光中的這部分光譜分量將獲得能量發(fā)生受激布里淵放大，產(chǎn)生增強型傳感信號；當種子光中的光譜分量頻率高于脈沖泵浦光的中心頻率，頻差為傳感光纖的布里淵頻移，且偏振狀態(tài)相同時，種子光中的這部分光譜分量將損失能量，產(chǎn)生損耗型傳感信號；所述增強型或損耗型傳感信號經(jīng)光纖環(huán)形器的第三端口輸出，進入第二光纖耦合器的第一輸入端口 ；Stokes布里淵散射信號和本振光經(jīng)第二光纖I禹合器9合束，由第二光纖I禹合器9輸出端輸出，進入光電探測器10 ;光電探測器10輸出的高頻電信號經(jīng)微波下變頻模塊11變頻后輸出給數(shù)據(jù)采集與處理設備，以獲得傳感光纖某一位置處的溫度與應變信息。
[0018]本實施方式所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)基于SBS原理，用覆蓋脈沖泵浦光在傳感光纖5中形成的布里淵增益譜或損耗譜范圍的寬帶種子光取代了傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中掃頻型探測光，從而規(guī)避了掃頻過程，能夠實現(xiàn)實時傳感；本實施方式結構簡潔，與單端法BOTDR系統(tǒng)相比，可以在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下完成故障檢測，且傳感信號輸出更加穩(wěn)定，能夠在50-80km內(nèi)提供高信噪比的傳感信號，信噪比提高IOdB以上。本實施方式結合了 BOTDA與BOTDR的優(yōu)點，在布里淵光纖傳感的工程化應用中具有重要意義。
[0019]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的進一步限定:所述的泵浦光單元3包括偏振控制器3-1、強度調(diào)制器3-2、直流穩(wěn)壓電源3-3、任意波形信號發(fā)生器3-4和摻鉺光纖放大器3_5，所述偏振控制器3-1的光纖輸入端連接第一光纖稱合器2的第一輸出端口 2-1,偏振控制器3-1的輸出端連接強度調(diào)制器3-2的光輸入端，所述強度調(diào)制器3-2的光輸出端連接摻鉺光纖放大器3-5的種子光輸入端,所述摻鉺光纖放大器3-5的輸出端為泵浦光單兀3的輸出端，直流穩(wěn)壓電源3-3的電信號輸出端連接強度調(diào)制器3-2的電源輸入端，任意波形信號發(fā)生器3-4的波形信號輸出端連接強度調(diào)制器3-2的波形信號輸入端。
[0020]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的進一步限定:所述的種子光模塊7包括光纖濾波器7-1和寬帶光源7-2，所述寬帶光源7-2輸出的激光經(jīng)光纖濾波器7-1后進入光纖隔離器6。
[0021]【具體實施方式】四:本實施方式是對實施方式三所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的進一步限定:所述的寬帶光源7-2為C波段寬帶光源。
[0022]本實施方式中，寬帶光源7-2為低偏振度、C波段且?guī)挒镮nm?40nm的光源；光纖濾波器7-1的透射或反射光譜為平頂，其透射波段為C波段，帶寬為0.2GHz?3GHz。
[0023]寬帶光源7-2發(fā)出的種子光的偏振度為0%?5%，從而規(guī)避了擾偏問題。
[0024]【具體實施方式】五:本實施方式是對實施方式一至四所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的進一步限定:所述的傳感光纖5為標準單模光纖。
[0025]【具體實施方式】六:本實施方式是對實施方式一至四所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的進一步限定:所述的窄帶光纖激光器I為C波段DFB激光器。
[0026]所述的C波段DFB激光器發(fā)出的激光的帶寬范圍為IKHz?10MHz。
[0027]【具體實施方式】七:本實施方式是對實施方式一所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的進一步限定:所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12，所述數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12的探測信號輸入端連接所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測信號輸出端。
[0028]數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12發(fā)出觸發(fā)信號，泵浦光單元3產(chǎn)生的脈沖泵浦光進入傳感光纖，數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12同時計時采集；光電探測器10輸出的高頻電信號經(jīng)微波下變頻電路11變頻后輸出給數(shù)據(jù)采集與上位處理電路12，數(shù)據(jù)采集與上位處理電路
12對變頻后的信號進行處理，獲得傳感光纖某一位置處的溫度與應變信息。
【權利要求】
1.種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng),其特征在于:它包括窄帶光纖激光器(I)、第一光纖耦合器(2)、泵浦光單元(3)、光纖環(huán)形器(4)、傳感光纖(5)、光纖隔離器(6)、種子光模塊(7)、偏振控制器(8)、第二光纖耦合器(9)、光電探測器(10)和微波下變頻電路(11)，所述窄帶光纖激光器(I)的輸出端連接第一光纖耦合器(2 )的輸入端，第一光纖耦合器(2 )的第一輸出端口(2 — I)連接泵浦光單元(3)的輸入端，所述泵浦光單元(3)的輸出端連接光纖環(huán)形器(4)的第一端口(4 - 1)，光纖環(huán)形器(4)的第二端口(4 - 2)連接傳感光纖(5)的一端,種子光模塊(7)輸出的激光經(jīng)光纖隔離器(6)后進入傳感光纖(5)的另一端，光纖環(huán)形器(4)的第三端口(4 - 3)連接第二光纖耦合器(9)的第一輸入端口(9 一 1)，第一光纖稱合器(2)的第二輸出端口(2 — 2)連接偏振控制器(8)的光纖輸入端,所述偏振控制器(8)的光纖輸出端連接第二光纖稱合器(9)的第二輸入端口(9 — 2),第二光纖稱合器(9)的輸出端輸出的激光入射到光電探測器(10)的輸入端,光電探測器(10)的輸出端連接微波下變頻電路(11)的輸入端，微波下變頻電路(11)的信號輸出端為所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測信號輸出端。
2.根據(jù)權利要求1所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的泵浦光單元(3)包括偏振控制器(3 -1)、強度調(diào)制器(3 - 2)、直流穩(wěn)壓電源(3 - 3)、任意波形信號發(fā)生器(3 — 4)和摻鉺光纖放大器(3 — 5),所述偏振控制器(3 — I)的光纖輸入端連接第一光纖I禹合器(2)的第一輸出端口(2 — I),偏振控制器(3 — I)的輸出端連接強度調(diào)制器(3 - 2)的光輸入端，所述強度調(diào)制器(3 - 2)的光輸出端連接摻鉺光纖放大器(3 — 5)的種子光輸入端,所述摻鉺光纖放大器(3 — 5)的輸出端為泵浦光單兀(3)的輸出端，直流穩(wěn)壓電源(3 - 3)的電信號輸出端連接強度調(diào)制器(3 - 2)的電源輸入端，任意波形信號發(fā)生器(3 - 4)的波形信號輸出端連接強度調(diào)制器(3 - 2)的波形信號輸入端。
3.根據(jù)權利要求1所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的種子光模塊(7)包括光纖濾波器(7 -1)和寬帶光源(7 - 2)，所述寬帶光源(7 - 2)輸出的激光經(jīng)光纖濾波器(7 -1)后進入光纖隔離器(6)。
4.根據(jù)權利要求3所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的寬帶光源(7 — 2)為C波段寬帶光源。
5.根據(jù)權利要求1、2、3或4所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的傳感光纖(5)為標準單模光纖。
6.根據(jù)權利要求1或4所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的窄帶光纖激光器(I)為C波段DFB激光器。
7.根據(jù)權利要求1所述的種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:它還包括數(shù)據(jù)采集與上位處理電路(12)，所述數(shù)據(jù)采集與上位處理電路(12)的探測信號輸入端連接所述種子注入BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測信號輸出端。
【文檔編號】G01D5/353GK203550977SQ201320744610
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】高瑋, 朱智涵, 李宏偉, 劉勝男 申請人:哈爾濱理工大學