基于數(shù)字增強(qiáng)干涉的高靈敏度準(zhǔn)分布式光纖光柵振動(dòng)傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字增強(qiáng)干涉光纖傳感技術(shù)，特別是一種基于數(shù)字增強(qiáng)干涉的高靈敏 度準(zhǔn)分布式光纖光柵振動(dòng)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，高靈敏度，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，傳 感距離長(zhǎng)，便于與光纖系統(tǒng)連接等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，被廣泛應(yīng)用于天然氣、石油管道安全監(jiān)測(cè)， 橋梁裂紋監(jiān)測(cè)，氣體濃度探測(cè)、邊界安防等領(lǐng)域。但是，在一些要求高靈敏度探測(cè)能力的場(chǎng) 合，例如聲音探測(cè)、微弱振動(dòng)的探測(cè)等，光纖傳感器的靈敏度和信噪比一直是其制約因素。 因此，提高光纖傳感系統(tǒng)的靈敏度和信噪比是當(dāng)務(wù)之急。
[0003] 自從1993年H. F. Taylor提出相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Phase sensitive optical time domain reflectometry,以下簡(jiǎn)稱Phase-OTDR)以來(lái)，大大提高了光纖傳感的靈敏度， 具體參見(jiàn)【H. F. Taylor and E. E. Lee. Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing. U. S. Patent 5, 1993:194847]〇
[0004] Robert M. Payton等提出在Phase-OTDR中應(yīng)用偽隨機(jī)序列對(duì)連續(xù)光進(jìn)行相位調(diào) 制，并在接收端進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，解調(diào)出相位信息，提高了系統(tǒng)的靈敏度和信噪比【Robert M. Payton. Natural fiber span reflectometer providing a spread virtual sensing array capability. U. S. Patent, US7268863]〇
[0005] D. A. Shaddock等提出的數(shù)字增強(qiáng)干涉技術(shù)的概念，利用偽隨機(jī)碼的相關(guān)特性，能 夠有效的抑制雜散噪聲，具體參見(jiàn)【Daniel A. Shaddock, Digitally enhanced heterodyne interferometry. Optics letters 2〇〇7, 32 (22)，3355-3357·】
[0006] -般來(lái)說(shuō)，光纖中返回的信號(hào)強(qiáng)度越大，系統(tǒng)的信噪比越高。Phase-OTDR中利用的 是瑞利散射光進(jìn)行傳感，瑞利散射光的強(qiáng)度比較低，對(duì)于提高系統(tǒng)的靈敏度和信噪比有很 大限制。而通過(guò)在光纖中引入反射點(diǎn)，反射回的光信號(hào)強(qiáng)度可大大改善?；诖?，可以設(shè)法 提取光纖中的反射信號(hào)作為傳感信號(hào)，并與數(shù)字增強(qiáng)干涉技術(shù)結(jié)合，來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度。 但是，如何在光纖中添加準(zhǔn)分布式的反射點(diǎn)是很關(guān)鍵的。有人采用利用光纖連接頭的級(jí)聯(lián) 作為反射點(diǎn)進(jìn)行過(guò)幾個(gè)反射點(diǎn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，并且用前面的連接頭作為相鄰后面連接頭的參考 點(diǎn)，來(lái)求出連接頭之間的相位信息。光纖連接頭的反射率如APC是~1 %，UPC發(fā)射率~4 %， 連接頭處約有〇. 4dB的損耗。如果將多個(gè)連接頭級(jí)聯(lián)在一起，會(huì)導(dǎo)致僅幾個(gè)反射點(diǎn)之后的 反射回的信號(hào)強(qiáng)度都非常低，甚至探測(cè)不到，根本無(wú)法滿足準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)中對(duì)很多傳 感點(diǎn)數(shù)的要求。數(shù)字增強(qiáng)干涉技術(shù)中，由于偽隨機(jī)碼的互相關(guān)特性，要求各個(gè)弱反射點(diǎn)反射 回的信號(hào)強(qiáng)度基本一致，以提高信噪比。各個(gè)連接頭處反射回的信號(hào)強(qiáng)度前后差異太大，會(huì) 大大降低信噪比。并且，連接頭在工程應(yīng)用中具有穩(wěn)定性差、體積大等缺點(diǎn)。因此，需要一 種弱反射率、低損耗、易于集成的傳感反射點(diǎn)，且最好能夠?qū)崿F(xiàn)反射點(diǎn)的反射率可調(diào)整，以 盡量使前后反射點(diǎn)反射回的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于，克服上述現(xiàn)有光纖傳感系統(tǒng)靈敏度低、信噪比差的不足，提出 一種基于數(shù)字增強(qiáng)干涉的高靈敏度準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器。采用弱反射率光纖光柵級(jí) 聯(lián)而成的陣列，采集的信號(hào)是光柵中反射回來(lái)的信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度大，信噪比高。系統(tǒng)中采用 數(shù)字增強(qiáng)干涉技術(shù)，利用偽隨機(jī)碼的互相關(guān)特性，去除雜散噪聲的影響，提高了系統(tǒng)的信噪 比。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：一種基于數(shù)字增強(qiáng)干涉的高靈敏度準(zhǔn)分布式光纖光 柵振動(dòng)傳感器，其特征在于包括窄線寬激光器（1)、第一光纖耦合器（2)、電光調(diào)制器（3)、 聲光調(diào)制器（4)、環(huán)形器（5)、弱反射率光纖光柵陣列（6)、弱反射率光纖光柵陣列由弱反 射率光柵1、光柵2···、光柵m級(jí)聯(lián)而成、第二光纖耦合器（7)、雙平衡探測(cè)器（8)、任意波形 發(fā)生器（9)、電學(xué)放大器（10)、η個(gè)電學(xué)延時(shí)器：電學(xué)延時(shí)器I (11)、電學(xué)延遲器2 (12)…、 電學(xué)延時(shí)器η (13)、η個(gè)乘法器：乘法器1 (14)、乘法器2 (15)…、乘法器η (16)、相位解調(diào) 器（17)，所述的窄線寬激光器⑴的輸出端口與所述的第一光纖親合器⑵的輸入端口相 連，第一光纖親合器（2)的第一輸出端口與所述的電光調(diào)制器（3)的光信號(hào)輸入端相連，所 述的電光調(diào)制器（3)輸出端口與所述的聲光調(diào)制器（4)的光信號(hào)輸入端口相連，所述的聲 光調(diào)制器（4)的光信號(hào)輸出端口與所述的環(huán)形器（5)第一端口相連，所述環(huán)形器（5)的第 二端口與弱反射率光纖光柵陣列（6)的輸入端口相連，所述環(huán)形器（5)的第三端口與所述 的第二光纖耦合器（7)的第一輸入端相連，第一光纖耦合器（2)的第二輸出端口與第二光 纖耦合器（7)的第二輸入端口相連，第二光纖耦合器（7)的兩個(gè)輸出端口與雙平衡探測(cè)器
[8] 的兩個(gè)輸入端口相連，所述雙平衡探測(cè)器（8)的輸出端口同時(shí)與乘法器1(14)、乘法器 2(15)···、乘法器η(16)的第一輸入端口相連，所述的任意波形發(fā)生器（9)的第一輸出端口 與所述的電學(xué)放大器（10)的輸入端口相連，所述的電學(xué)放大器（10)的輸出端口與電光調(diào) 制器（3)的射頻信號(hào)輸入端口相連，任意波形發(fā)生器（9)的第二輸出端口同時(shí)與所述的η 個(gè)電學(xué)延時(shí)器輸入端口并聯(lián)相連，所述的η個(gè)電學(xué)延時(shí)器的輸出端口分別與對(duì)應(yīng)的η個(gè)乘 法器的第二輸入端口相連，η個(gè)乘法器的輸出端口分別與相位解調(diào)器（17)的多個(gè)輸入端口 相連。
[0009] 本發(fā)明的利用上述傳感器的傳感方法是：利用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列， 偽隨機(jī)序列經(jīng)過(guò)放大器之后，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，電光調(diào)制器對(duì)窄線寬激光器的激光進(jìn) 行相位調(diào)制，偽隨機(jī)碼調(diào)制后光信號(hào)經(jīng)過(guò)弱反射率光纖光柵陣列，不同弱反射率光纖光柵 反射點(diǎn)處反射回來(lái)的光信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同，利用偽隨機(jī)碼自相關(guān)系數(shù)為1，互相關(guān) 系數(shù)約為0的特點(diǎn)，將接收到的信號(hào)與經(jīng)過(guò)特定延遲（與信號(hào)光到達(dá)欲測(cè)量點(diǎn)的往返時(shí)間 一致）的本地偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可以得到感興趣的某點(diǎn)的反射信號(hào)，而其它點(diǎn)的 信號(hào)（包括噪聲）被抑制，相關(guān)運(yùn)算之后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)相位解調(diào)，得到各個(gè)反射點(diǎn)的相位信 息，相鄰的兩個(gè)反射點(diǎn)處的相位信息進(jìn)行差分，就能得到兩個(gè)反射點(diǎn)之間的傳感光纖上的 振動(dòng)、聲音等傳感信號(hào)。由于傳感中采用的是反射點(diǎn)的信號(hào)，以及采用了偽隨機(jī)序列相位調(diào) 制解調(diào)的方式，可以大大提高系統(tǒng)的信噪比。
[0010] 米用由弱反射率光柵1、光柵2···、光柵m級(jí)聯(lián)而成弱反射率光纖光柵陣列，由所述 光柵陣列反射回來(lái)的信號(hào)作為傳感信號(hào)。
[0011] 弱反射率光纖光柵陣列中的各個(gè)弱反射率光柵的折射率經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)：各個(gè)弱反射率 光柵的折射率隨距離逐漸增大，保證反射回來(lái)的光信號(hào)幅度基本一致，提高信噪比。
[0012] 所述的窄線寬激光器是RIO窄線寬激光器，中心波長(zhǎng)是1550nm，線寬約為2. 5kHz， 也可以采用其它種類(lèi)的窄線寬的激光器。
[0013] 所述的第一光纖親合器是保偏的光纖親合器，1550nm波段，端口 2X2,分光比是 9:1，也可以采用分光比略有差別的光纖耦合器。
[0014] 所述的第二光纖耦合器是普通單模光纖，1550波段，端口 2X2,分光比是1:1，也可 以采用分光比略有差別的光纖耦合器。
[0015] 所述的電光調(diào)制器，是JDSU APE相位調(diào)制器，1550波段，帶寬為10GHz，半波電壓 約為4. 8v，通過(guò)偽隨機(jī)碼對(duì)光信號(hào)進(jìn)行0或π相位調(diào)制，也可以采用其他類(lèi)型的相位調(diào)制 器。
[0016] 所述的聲光調(diào)制器，波段1550nm，聲光偏移量160MHz，是使本振光與探測(cè)光產(chǎn)生 160MHz的頻率差，輸出光仍為連續(xù)光，也可以采用其它聲光調(diào)制器。
[0017] 所述的光纖環(huán)形器，是一個(gè)三端口單模光纖環(huán)形器，也可以采用接入光纖耦合器 和隔離器的辦法，起到等同于光纖環(huán)形器效果的方案。
[0018] 所述的雙平衡探測(cè)器，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的高速探測(cè)器，波段1550nm，3dB 帶寬40kHz-800MHz，也可以采用其它滿足系統(tǒng)性能的雙平衡探測(cè)器。
[0019] 所述的低通濾波器，主要濾除電信號(hào)的高頻成分。
[0020] 所述的乘法器，是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與偽隨機(jī)序列的乘法（相關(guān)）運(yùn)算。
[0021] 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要是將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0022] 所述的任意波形發(fā)生器由可編程邏輯器件制備，實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生，以及對(duì) 數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的相位解調(diào)。
[0023] 所述的放大器，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)偽隨機(jī)序列的放大，使偽隨機(jī)序列能夠驅(qū)動(dòng)電光調(diào) 制器實(shí)現(xiàn)〇或π相位調(diào)制。
[0024] 所述的電學(xué)延時(shí)器，是為了使本地偽隨機(jī)序列進(jìn)行延遲，與反射點(diǎn)反射回來(lái)的信 號(hào)的偽隨機(jī)序列相位一致。
[0025] 所述的相位解調(diào)器，可以是能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的相位解調(diào)的硬件模塊，也可以是經(jīng)過(guò) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器+計(jì)算機(jī)上位機(jī)后的軟件解調(diào)。
[0026] 本發(fā)明的有益效果：
[0027] 1、采用數(shù)字增強(qiáng)干涉技術(shù)，傳感光是經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)碼調(diào)制的連續(xù)光，接收端將接收 到的信號(hào)與本地經(jīng)過(guò)相應(yīng)延遲的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，再進(jìn)行相位解調(diào)。由于偽隨機(jī) 碼的相關(guān)特性，可以抑制雜散噪聲和碼間串?dāng)_，提高信噪比。
[0028] 2、米用弱反射率光纖光柵陣列（由弱反射率光柵1、光柵2···、光柵η級(jí)聯(lián)而成）， 用反射信號(hào)作為傳感信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度高，比光纖中散射信號(hào)強(qiáng)度大，信噪比高，可以實(shí)現(xiàn)聲 音、振動(dòng)等信息的測(cè)量。
[0029] 3、弱反射率光纖光柵陣列中各個(gè)光柵的反射率可以差異化設(shè)計(jì)，使各個(gè)光柵反射 回的信號(hào)的強(qiáng)度基本一致，進(jìn)一步提高信噪比。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明基于數(shù)字增強(qiáng)干涉的高靈敏度準(zhǔn)分布式光纖光柵振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu) 框圖；
[0031] 圖2為弱反射率光纖光柵陣列中各個(gè)光柵的是反射率差異化設(shè)計(jì)前后的性能對(duì) 比。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0033] 首先請(qǐng)參照?qǐng)D1，圖1為基于數(shù)字增強(qiáng)干涉的高靈敏度準(zhǔn)分布式光纖光柵振動(dòng)傳