《光纤分布式声波监测系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤分布式声波监测系统.pdf（14页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103411660 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103411660 A *CN103411660A* (21)申请号 201310384147.0 (22)申请日 2013.08.29 G01H 9/00(2006.01) (71)申请人 山东省科学院激光研究所 地址 272073 山东省济宁市海川路 9 号高新 区产学研基地 A3 (72)发明人 尚盈 郭士生 刘小会 王昌 赵文安 王晨 (74)专利代理机构 济南舜源专利事务所有限公 司 37205 代理人 曲志波 (54) 发明名称 光纤分布式声波监测系统 (57) 摘要 一种光纤分布式声。
2、波监测系统， 它是以调频 DFB 光纤激光器输出的窄线宽频率被调制的激光 作为光纤分布式声波监测系统的光源， 调频 DFB 光纤激光器输出的激光进入到声光调制器， 经过 声光调制器调制成脉冲激光， 依次经过第一光放 大器和第一光滤波器后进入第二环形器和传感光 纤， 会使单位脉冲激光在经过的单位长度传感光 纤范围内激发出瑞利散射光， 第二环形器输出信 号经过第二光放大器进入到第二光滤波器并输出 背向瑞利散射信号 ； 将在一条传感光纤上的不同 单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方 法进行干涉， 干涉后的信号经第二光电探测器输 出电信号经相位载波解调模块进入到光纤分布式 声波监测解调系统中， 。
3、完成相应位置上的传感信 号的相位的变化解析。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103411660 A CN 103411660 A *CN103411660A* 1/2 页 2 1. 一种光纤分布式声波监测系统， 它是以调频 DFB 光纤激光器输出的窄线宽、 频率被 调制的激光作为光纤分布式声波监测系统的激光光源， 其特征是调频 DFB 光纤激光器输出 的激光进入到声光调制器， 经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为 ， 周期为。
4、 T 的 脉冲激光， 脉冲激光依次经过第一光放大器和第一光滤波器后进入第二环形器的 C21端， 单 位脉冲激光经过第二环形器的 C22端注入到传感光纤， 会使单位脉冲激光在经过的单位长 度传感光纤范围内激发出瑞利散射光， 第二环形器的 C23端输出信号经过第二光放大器进 入到第二光滤波器并输出滤波放大后的背向瑞利散射信号 ； 将在一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方法进行 干涉， 即将背向瑞利散射信号分为两路信号， 一路进入延时光纤， 将背向瑞利散射信号延时 一个脉冲脉宽， 即将第一时间段的第一单位长度的背向瑞利散射信号延时到第二时间段 ； 另一路信号进入没有延时的光。
5、路 ； 然后将两路信号进行干涉， 完成与不同单位长度间的背 向瑞利散射信号的干涉 ； 干涉后的信号经第二光电探测器输出电信号经相位载波解调模块 进入到光纤分布式声波监测解调系统中 ； 未经不同单位长度间干涉的背向瑞利散射信号直接进入到第一光电探测器， 然后输 出电信号进入到光纤分布式声波监测解调系统中， 第一光电探测器完成传感信号位置的判 断， 第二光电探测器和相位载波解调模块可完成相应位置上的传感信号的相位的变化解 析。 2. 根据权利要求 1 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是调频 DFB 光纤激光器是 指 980nm 的泵浦光源发出的光经过第一隔离器后进入到第一环形器 C11端， 。
6、第一环形器 C12 端接入非对称式相移光纤光栅， 产生于非对称式相移光纤光栅且波长相同的激光从第一环 形器 C13端输出经第二隔离器进入到第一耦合器中， 激光被分束分别进入到迈克尔逊干涉 仪的两臂 P2、 P3端， 通过 P2端的激光经过相位调制器的相位载波调制后经第一法拉第旋转 镜反射后返回与通过 P3端并经第二法拉第旋转镜反射后返回的激光在第一耦合器的 P4端 汇合输出窄线宽且频率被调制的激光， 用作光纤分布式声波监测系统的激光光源。 3. 根据权利要求 2 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述非对称式相移光纤 光栅是利用紫外光在掺杂铒、 铥、 镱、 镨的光敏光纤上刻写的一种特殊的。
7、光纤光栅， 在光栅 光栅的中存在 的相移并在结构上呈现非对称式。 4. 根据权利要求 1 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述将在一条传感光纤 上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方法进行干涉是指第三耦合器的 B32， B33和第四耦合器的 B41， B42构成的有臂长差 S 的马赫 - 曾德干涉仪将不长度间的背向 瑞利散射信号进行干涉。 5. 根据权利要求 4 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述第三耦合器的 B32， B33和第四耦合器的 B41， B42构成的有臂长差 S 的马赫 - 曾德干涉仪将不长度间的背向瑞利 散射信号进行干涉是指第二光滤波器输出滤波放大。
8、后的背向瑞利散射信号进入第二耦合 器的B21端， 一路光进入从第二耦合器的B22到达第一光电探测器， 另一路光从第二耦合器的 B23端流出进入到第三耦合器的 B31端， 经过第三耦合器分束到 B32端和 B33端， B33端的光经 过长度为 L1 的光纤进入到第四耦合器的 B41端， B32端的光经过长度为 L2 的光纤进入到第 四耦合器的 B42端， 其中 S=L1-L2， 两束光在第四耦合器处发生干涉， 干涉信号经过第四耦合 器的 B43端进入到第二光电探测器， 第二光电探测器输出电信号经相位载波解调模块送至 权 利 要 求 书 CN 103411660 A 2 2/2 页 3 光纤分布式。
9、声波监测解调系统中 ； 第一光电探测器的输出信号进入到光纤分布式声波监测 解调系统中， 第一光电探测器完成传感信号位置的判断， 第二光电探测器和相位载波解调 模块可完成相应位置上的传感信号的相位的变化解析。 6. 根据权利要求 1 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述将在一条传感光纤 上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方法进行干涉是指采用第五耦合 器的 B53， B54两端构成的有臂长差的迈克尔逊干涉仪将不同单位长度间的背向瑞利散射信 号进行干涉。 7. 根据权利要求 6 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述采用第五耦合器的 B53， B54两端构成的有臂长差的迈。
10、克尔逊干涉仪将不同单位长度间的背向瑞利散射信号进 行干涉是指第二光滤波器输出的背向瑞利散射信号经过第二光放大器和第二光滤波器后 进入第三环形器的 C31端， 从第三环形器的 C32端流出进入到第五耦合器的 B51端， 经过第五 耦合器分束到 B53和 B54端， B53和 B54两端构成有臂长差的迈克尔逊干涉仪， B53端的光经过 长度为 L1 的光纤经第三法拉第旋转镜反射返回到第五耦合器 B53端， B54端的光经过长度为 L2 的光纤经第四法拉第旋转镜反射返回到第五耦合器 B54端， 使得 S=L1-L2， 两束光在耦合 器处完成干涉， 干涉光自第五耦合器的 B52端输出至第二光电探测器，。
11、 第二光电探测器输出 电信号经相位载波解调模块送入光纤分布式声波监测解调系统 ； 从第三环形器的 C33端流 出直接进入第一光电探测器， 由第一光电探测器输出电信号至光纤分布式声波监测解调系 统。 8. 根据权利要求 1 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述将在一条传感光纤 上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方法进行干涉是指采用第七耦合 器和延时光纤为主要器件构成延时环萨格奈克干涉仪将不同单位长度间的背向瑞利散射 信号进行干涉。 9. 根据权利要求 8 所述的光纤分布式声波监测系统， 其特征是所述采用第七耦合器和 延时光纤为主要器件构成延时环萨格奈克干涉仪将不同单位长度间。
12、的背向瑞利散射信号 进行干涉是指第二光滤波器输出的背向瑞利散射信号进入第六耦合器的 B61端， 经过第六 耦合器的分束， 一路光进入到第四环形器的 C41端， 由第四环形器的 C42端射出， 进入到第七 耦合器的B71端， 经过第七耦合器的分束， 一路光由第七耦合器的B73端射出经过第五法拉第 旋转镜的反射又回到第七耦合器处 ； 另一路光由第七耦合器的 B74端射出经过延时光纤进 入到第七耦合器的B72端， 再次进入到第七耦合器的B73端， 经过第五法拉第旋转镜的反射又 回到第七耦合器处， 两路光在第七耦合器处完成干涉 ； 干涉光经第七耦合器的 B71端射入第 四环形器 C42端经 C43端射。
13、出送入第一光电探测器， 第一光电探测器输出电信号至光纤分布 式声波监测解调系统。 权 利 要 求 书 CN 103411660 A 3 1/8 页 4 光纤分布式声波监测系统 技术领域 0001 本发明涉及一种光纤分布式声波监测系统。 背景技术 0002 分布式光纤传感技术是应用光纤纵向特性进行测量的技术， 它把被测参量作为光 纤长度的函数， 可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的 测量， 为工业和研究领域提供了同时获得被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息 的手段， 在智能飞行器、 智能桥梁、 高速公路、 重要建筑、 煤气管道监测以及光缆监测等领域 获得了广泛的。
14、应用。 0003 目前， 国内光纤分布式监测主要是用于在周界安防领域， 确定扰动位置， 例如 -OTDR（相位 - 光时域反射计） , 只是利用单位脉冲内的背向瑞利散射光干涉不能解调出 相应的相位信息， 只能解调出相位变化引起的强度变化信息， 不能实现扰动位置的扰动信 号的相位信息的解调。 发明内容 0004 基于以上的不足， 提出了基于背向瑞利散射光干涉的光纤分布式声波监测， 通过 光路优化设计， 实现某单位长度的背向瑞利散射和下一个单位长度的背向瑞利散射的干 涉， 通过相应的解调算法， 解调出作用在某一时间段脉冲内的声波脉冲信息。 0005 本方案所采取的技术措施是 ： 一种光纤分布式声波。
15、监测系统， 它是以调频 DFB 光 纤激光器输出的窄线宽、 频率被调制的激光作为光纤分布式声波监测系统的激光光源， 其 特征是调频 DFB 光纤激光器输出的激光进入到声光调制器， 经过声光调制器将连续激光调 制成脉冲脉宽为 ， 周期为 T 的脉冲激光， 脉冲激光依次经过第一光放大器和第一光滤波 器后进入第二环形器的C21端， 单位脉冲激光经过第二环形器的C22端注入到传感光纤， 会使 单位脉冲激光在经过的单位长度传感光纤范围内激发出瑞利散射光， 第二环形器的 C23端 输出信号经过第二光放大器进入到第二光滤波器并输出滤波放大后的背向瑞利散射信号 ； 将在一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利。
16、散射信号采用干涉仪的方法进行干涉， 即将背向瑞利散射信号分为两路信号， 一路进入延时光纤， 将背向瑞利散射信号延时一个 脉冲脉宽， 即将第一时间段的第一单位长度的背向瑞利散射信号延时到第二时间段 ； 另一 路信号进入没有延时的光路 ； 然后将两路信号进行干涉， 完成与不同单位长度间的背向瑞 利散射信号的干涉 ； 干涉后的信号经第二光电探测器输出电信号经相位载波解调模块进入 到光纤分布式声波监测解调系统中 ； 未经不同单位长度间干涉的背向瑞利散射信号直接进 入到第一光电探测器， 然后输出电信号进入到光纤分布式声波监测解调系统中， 第一光电 探测器完成传感信号位置的判断， 第二光电探测器和相位载波。
17、解调模块可完成相应位置上 的传感信号的相位的变化解析。 0006 本方案的具体特点还有， 调频 DFB 光纤激光器是指 980nm 的泵浦光源发出的光经 过第一隔离器后进入到第一环形器C11端， 第一环形器C12端接入非对称式相移光纤光栅， 说 明 书 CN 103411660 A 4 2/8 页 5 产生于非对称式相移光纤光栅且波长相同的激光从第一环形器 C13 端输出经第二隔离器 进入到第一耦合器中， 激光被分束分别进入到迈克尔逊干涉仪的两臂 P2、 P3 端， 通过 P2 端 的激光经过相位调制器的相位载波调制后经第一法拉第旋转镜反射后返回与通过 P3 端并 经第二法拉第旋转镜反射后返回。
18、的激光在第一耦合器的 P4 端汇合输出窄线宽且频率被调 制的激光， 用作光纤分布式声波监测系统的激光光源。 0007 所述非对称式相移光纤光栅是利用紫外光在掺杂铒、 铥、 镱、 镨的光敏光纤上刻写 的一种特殊的光纤光栅， 在光栅光栅的中存在 的相移并在结构上呈现非对称式。在扫描 曝光制作光纤光栅的过程中， 当光栅长度和反射率均达到设定值时， 控制相位掩膜板与光 纤发生沿光纤轴向的相对运动， 移动掩膜板之后继续曝光一定的长度， 这样由于相位掩膜 板位置的变化， 使前后制作的两段光栅在连接位置产生相位的跃变， 形成相移光纤光栅， 此 方法称为相位掩膜板移动法， 此方法通过精确控制相位掩膜板和光纤的。
19、相对运动距离， 使 相移量精确控制在 ； 在 C 点 的相移， 形成控制相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置 使得一端光纤光栅的长度 AC 小于另一端光纤光栅的长度 CB 形成非对称式的相移光纤光 栅， 增加了 DFB 光纤激光器的出光功率， 其结构特点是在光栅光栅的中存在 的相移并在 结构上呈现非对称式。 它相当于激光器的工作物质和谐振腔， 接上泵浦光源， 就可以产生与 相移光栅波长相同的激光 （如图 2） 。 0008 所述将在一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的 方法进行干涉是指第三耦合器的 B32， B33和第四耦合器的 B41， B42构成的有臂长差 S 的马 。
20、赫 - 曾德干涉仪将不长度间的背向瑞利散射信号进行干涉。 0009 所述第三耦合器的 B32， B33和第四耦合器的 B41， B42构成的有臂长差 S 的马赫 - 曾 德干涉仪将不长度间的背向瑞利散射信号进行干涉是指第二光滤波器输出滤波放大后的 背向瑞利散射信号进入第二耦合器的 B21端， 一路光进入从第二耦合器的 B22到达第一光电 探测器， 另一路光从第二耦合器的B23端流出进入到第三耦合器的B31端， 经过第三耦合器分 束到 B32端和 B33端， B33端的光经过长度为 L1 的光纤进入到第四耦合器的 B41端， B32端的 光经过长度为 L2 的光纤进入到第四耦合器的 B42端， 。
21、其中 S=L1-L2， 两束光在第四耦合器处 发生干涉， 干涉信号经过第四耦合器的 B43端进入到第二光电探测器， 第二光电探测器输出 电信号经相位载波解调模块送至光纤分布式声波监测解调系统中 ； 第一光电探测器的输出 信号进入到光纤分布式声波监测解调系统中， 第一光电探测器完成传感信号位置的判断， 第二光电探测器和相位载波解调模块可完成相应位置上的传感信号的相位的变化解析。 0010 所述将在一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的 方法进行干涉是指采用第五耦合器的 B53， B54两端构成的有臂长差的迈克尔逊干涉仪将不 同单位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉。 0011。
22、 所述采用第五耦合器的 B53， B54两端构成的有臂长差的迈克尔逊干涉仪将不同单 位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉是指第二光滤波器输出的背向瑞利散射信号经过 第二光放大器和第二光滤波器后进入第三环形器的 C31端， 从第三环形器的 C32端流出进入 到第五耦合器的 B51端， 经过第五耦合器分束到 B53和 B54端， B53和 B54两端构成有臂长差的 迈克尔逊干涉仪， B53端的光经过长度为 L1 的光纤经第三法拉第旋转镜反射返回到第五耦 合器B53端， B54端的光经过长度为L2的光纤经第四法拉第旋转镜反射返回到第五耦合器B54 端， 使得 S=L1-L2， 两束光在耦合器处完成干涉。
23、， 干涉光自第五耦合器的 B52端输出至第二光 说 明 书 CN 103411660 A 5 3/8 页 6 电探测器， 第二光电探测器输出电信号经相位载波解调模块送入光纤分布式声波监测解调 系统 ； 从第三环形器的 C33端流出直接进入第一光电探测器， 由第一光电探测器输出电信号 至光纤分布式声波监测解调系统。 0012 所述将在一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的 方法进行干涉是指采用第七耦合器和延时光纤为主要器件构成延时环萨格奈克干涉仪将 不同单位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉。 0013 所述采用第七耦合器和延时光纤为主要器件构成延时环萨格奈克干涉仪将不同 单。
24、位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉是指第二光滤波器输出的背向瑞利散射信号进 入第六耦合器的 B61端， 经过第六耦合器的分束， 一路光进入到第四环形器的 C41端， 由第四 环形器的 C42端射出， 进入到第七耦合器的 B71端， 经过第七耦合器的分束， 一路光由第七耦 合器的 B73端射出经过第五法拉第旋转镜的反射又回到第七耦合器处 ； 另一路光由第七耦 合器的 B74端射出经过延时光纤进入到第七耦合器的 B72端， 再次进入到第七耦合器的 B73 端， 经过第五法拉第旋转镜的反射又回到第七耦合器处， 两路光在第七耦合器处完成干涉 ； 干涉光经第七耦合器的B71端射入第四环形器C42端经C4。
25、3端射出送入第一光电探测器， 第一 光电探测器输出电信号至光纤分布式声波监测解调系统。 0014 本发明的有益效果是 ： 所述发明使用相位掩膜板移动法精确控制相位掩膜板和光 纤的相对运动距离， 制作成非对称的相移光纤光栅， 非对称的相移光纤光栅提高了出 光功率， 提高监测系统的信噪比， 采用不同单位长度间的背向瑞利散射干涉实现了光纤分 布式声波监测。 实现了一条传感光纤分布式声波检测， 将传感光纤周围的声场信息如幅值， 频率、 相位等实时监测。实现了一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号的 干涉， 采用了如图 3 和图 8、 图 9 所示的方案， 采用干涉仪的方法， 将背向瑞利散射信。
26、号分为 两路信号， 一路进入延时光纤， 将背向瑞利散射信号的延时一个脉冲脉宽， 第一时间段的第 一单位长度的背向瑞利散射信号进行延时， 延时到第二时间段， 另一路信号进入没有延时 的光路， 两路信号进行干涉， 完成与不同单位长度间的背向瑞利散射信号的干涉， 采用有光 纤延时的方法， 假设在传感光纤长度为 L=2km， S=2.5m, 传感光纤点数 N=L/(2S)=400, 整条光纤的声场分布可以看成 400 点的声场分布， 如果 S=1.25m， 传感光纤点数 N=L/ (2S)=800, 整条光纤的声场分布可以看成 800 点的声场分布， 声场的分布测试点要比 S=2.5m 时更加精确， 。
27、据此可以根据臂长差 S 的大小， 调节不同单位长度间干涉的长度值， 提高系统监测精度。 附图说明 0015 图1是相移光纤光栅结构示意图 ； 图2是经相位调制的光纤DFB激光器示意图 ； 图 3 是光纤分布式声波监测系统实施例 1 的结构示意图 ； 图 4 是没有时延的背向瑞利散射光 波形示意图 ； 图 5 是经过特定时延的背向瑞利散射光波形示意图 ； 图 6 是背向瑞利散射光 干涉后的波形示意图 ； 图 7 是相位载波解调算法示意图 ； 图 8 是光纤分布式声波监测系统 实施例 2 的结构示意图 ； 图 9 是光纤分布式声波监测系统实施例 3 的结构示意图。 具体实施方式 0016 实施例 。
28、1 说 明 书 CN 103411660 A 6 4/8 页 7 一种光纤分布式声波监测系统， 它是以调频 DFB 光纤激光器输出的窄线宽、 频率被调 制的激光作为光纤分布式声波监测系统的激光光源， 其特征是调频 DFB 光纤激光器输出的 激光进入到声光调制器， 经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为 ， 周期为 T 的脉 冲激光， 脉冲激光依次经过第一光放大器和第一光滤波器后进入第二环形器的 C21端， 单位 脉冲激光经过第二环形器的C22端注入长为L的传感光纤， 会在单位脉冲激光经过的单位长 度传感光纤范围内激发出瑞利散射光， 因为窄线宽的脉冲激光具有很好的相干性能， 所以 背向的瑞利散。
29、射光在第二环形器 C23处干涉， 第二环形器的 C23端输出信号经过第二光放大 器进入到第二光滤波器并输出滤波放大后的背向瑞利散射信号 ； 将在一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方法进行 干涉， 即将背向瑞利散射信号分为两路信号， 一路进入延时光纤， 将背向瑞利散射信号延时 一个脉冲脉宽， 即将第一时间段的第一单位长度的背向瑞利散射信号进行延时， 延时到第 二时间段 ； 另一路信号进入没有延时的光路 ； 然后将两路信号进行干涉， 完成与不同单位 长度间的背向瑞利散射信号的干涉 ； 干涉后的信号经第二光电探测器输出电信号经相位载 波解调模块进入到光纤分布式声波监测解调系。
30、统中 ； 未经不同单位长度间干涉的背向瑞利散射信号直接进入到第一光电探测器， 然后输 出电信号进入到光纤分布式声波监测解调系统中， 第一光电探测器完成传感信号位置的判 断， 第二光电探测器和相位载波解调模块可完成相应位置上的传感信号的相位的变化解 析。 0017 如图 2 所示， 所述调频 DFB 光纤激光器是指 980nm 的泵浦光源发出的光经过第一 隔离器后进入到第一环形器C11端， 第一环形器C12端接入相移光纤光栅， 产生于相移光纤光 栅波长相同的激光从第一环形器 C13端输出经第二隔离器进入到第一耦合器中， 激光被分 束分别进入到迈克尔逊干涉仪的两臂 P2、 P3端， 通过 P2端的。
31、激光经过相位调制器的相位载 波调制后经第一法拉第旋转镜反射后返回与通过 P3端并经第二法拉第旋转镜反射后返回 的激光在第一耦合器的 P4端汇合输出窄线宽、 频率被调制的激光， 用作背向瑞利散射光干 涉的光纤分布式声波监测系统的激光光源。 0018 所述非对称式的相移光纤光栅， 它是利用紫外光在掺杂铒、 铥、 镱、 镨的光敏光纤 上刻写的一种特殊的光纤光栅， 在扫描曝光制作光纤光栅的过程中， 当光栅长度和反射率 均达到设定值时， 控制相位掩膜板与光纤发生沿光纤轴向的相对运动， 一般是移动掩膜板， 之后继续曝光一定的长度， 这样由于相位掩膜板位置的变化， 使前后制作的两段光栅在连 接位置产生相位的。
32、跃变， 形成相移光纤光栅， 此方法称为相位掩膜板移动法， 此方法通过精 确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距离， 使相移量精确控制在 ， 如图 1 所示， 在 C 点 的相移， 形成控制相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置使得一端光纤光栅的长度 AC 小 于另一端光纤光栅的长度CB形成非对称式的相移光纤光栅， 增加了DFB光纤激光器的出光 功率， 其结构特点是在光栅光栅的中存在 的相移并在结构上呈现非对称式。它相当于 激光器的工作物质和谐振腔， 接上泵浦光源， 就可以产生与相移光栅波长相同的激光 （如图 2） 。 0019 图 2 是图 3 框图中调频 DFB 光纤激光器的原理图， 图 2 中的第。
33、一耦合器的 P4端发 出的激光进入到声光调制器， 经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为 ， 周期为 T 的脉冲激光， 如图 3 所示， 脉冲激光依次经过第一光放大器和第一光滤波器后进入第二环 说 明 书 CN 103411660 A 7 5/8 页 8 形器的 C21端， 单位脉冲激光经过第二环形器的 C22端注入传感光纤， 根据光纤分布式测量 原理可以得出激光脉宽 与单位长度 L 之间的 ： L=C/2n， C 为光在真空中的速度 3108m/s， n 为光纤折射率约为 1.5， 在此假设传感光纤的长度为 2km， 为 50ns， L 为 5m。图 4 中的第一时间段 （时间点 1 与时。
34、间点 2 之间） 的波形是长度为 05m 传感光纤上的 干涉信号， 第二时间段 （时间点 2 与时间点 3 之间） 的波形是长度为 510m 传感光纤上的干 涉信号， 依次类推可出得出整个长度的传感光纤上的信号， 这是 -OTDR 的工作原理， 由波 形示意图可以看出 -OTDR 只能实现单位长度 L 范围内的相关点的干涉， 其实质还是检 测相位变化引起的强度变化， 不能解调出相位信息。 0020 通过下面光路优化设计改进， 实现了不同单位长度之间的相关点的干涉， 真正实 现了相位信息的监测， 其原理如下 ： 图 2 是图 3 框图中调频 DFB 光纤激光器的原理图， 图 2 中的第一耦合器的。
35、 P4端进入到 声光调制器， 经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为 ， 周期为 T 的脉冲激光， 如图 3 所示， 脉冲激光经过第一光放大器后进入第一光滤波器进入第二环形器的 C21端， 单位脉 冲激光经过第二环形器的C22端注入长为L的传感光纤， 传感光纤受到背向瑞利散射光的反 射光返回到如图 3 所示第二环形器的 C23端， 第二环形器的 C23端输出经过第二光放大器进 入到第二光滤波器， 信号进入第二耦合器的B21端， 一路光进入从第二耦合器的B22到达第一 光电探测器， 另一路光从第二耦合器的B23端流出进入到第三耦合器的B31端， 经过第三耦合 器分束到 B32端和 B33端， 。
36、B33端的光经过长度为 L1 的光纤进入到第四耦合器的 B41端， B32 端的光经过长度为 L2 的光纤进入到第四耦合器的 B42端， 其中 S=L1-L2， B42端的信号如图 4 所示， B41端的信号如图 5 所示， 两束光在第四耦合器处发生干涉， 干涉信号经过第四耦合器 的 B43进入到第二光电探测器， 进入到相位载波解调模块， 与第一光电探测器的输出信号一 起进入到光纤分布式声波监测解调系统中， 第一光电探测器完成传感信号位置的判断， 第 二光电探测器和相位载波解调模块可完成相应位置上的传感信号的相位的变化解析。 0021 如图 6 所示， 按照前面的假设在传感光纤的长度为 2km。
37、， 为 50ns， L 为 5m， 为 了确保图 3 中的时间点 2 和时间点 3 之间的信号代表着长度为 05m 传感光纤上的干涉信 号， 使第二耦合器和第三耦合器构成的的马赫 - 曾德干涉仪的臂长差 S=L1-L2=L/2=2.5m， 图 4 中的第一时间段 （时间点 1 与时间点 2 之间） 的信号与图 5 中的第一时间段 ( 时间点 2 和时间点 3 之间 ) 的信号一致， 实现了信号的时延， 图 4 中的第二时间段 （时间点 2 和时间 点 3 之间） 的信号代表的长度为 510m 处的传感光纤上的干涉信号， 图 5 中的第一时间段 （时间点 2 和时间点 3 之间） 的信号代表的长。
38、度为 05m 处的传感光纤上的干涉信号， 将图 4 和图 5 两信号按照时间进行干涉， 实现了长度为 510m 处和长度为 05m 处传感光纤信号的 干涉， 即实现了一条传感光纤上的实现了不同单位长度间的背向瑞利散射信号的干涉。如 果 S= (L1-L2)/2=1.25m, 实现长度为 2.55m 处和长度为 02.5m 处传感光纤信号的干涉。 0022 按照前面的假设在传感光纤的长度为 L=2km， S=2.5m, 传感光纤点数 N=L/ (2*S)=400, 整条光纤的声场分布可以看成 400 点的声场分布， 如果 S=1.25m， 传感光纤 点数 N=L/(2*S)=800, 整条光纤的。
39、声场分布可以看成 800 点的声场分布， 声场的分布测试 点要比 S=2.5m 时更加精确， 据此可以根据臂长差 S 的大小， 调节不同单位长度间干涉的 长度值， 提高系统监测精度。 0023 干涉信号记录了单位长度上的声波信号， 通过下面的解调算法就可以解调还原出 说 明 书 CN 103411660 A 8 6/8 页 9 被记录在干涉信号上的声波信号， 实现了分布式声波监测。 0024 相位载波解调原理 ： 根据光的相干原理， 第二光电探测器上的光强I可表示为 ： I=A+Bcos(t) (1) 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=A， 1 为干。
40、涉 条纹可见度。(t)是干涉仪的相位差。 设(t) =Ccos0t+(t)， 则式 (1) 可写为 ： I=A+BcosCcos0t+(t) (2) 式 (2) 中 Ccos0t 是相位载波， C 是幅值， 0是载波频率 ;(t) =Dcosst +(t)， Dcosst是传感光纤声场信号引起的相位变化,D是幅值， s是声场信号频率,(t)是环 境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式 (2) 用 Bessel 函数展开得 ： （3） 式 (3) 中 Jn(m) 是 m 调制深度下的 n 阶 Bessel 函数值 ； 如图 7 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。
41、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)(t) (4) 将 (t) =Dcosst + ( t) 代入式 (4) 有 B2GHJ1(C)J2(C)Dcosst+(t) (5) 可见 , 积分后得到的信号包含了待测信号 Dcosst 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)。
42、J2(C)Dcosst (6) 由公式 (6) 可以求解出传感光纤声场信号引起的相位变化的 Dcosst 信号。 0025 由图 6 所示的探测器信号进入到如图 7 所示的相位载波解调中， 所述相位载波 （Phase Generated Carrier， PGC） 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。
43、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。 0026 基于背向瑞利散射光干涉的光纤分布式声波监测的关键器件是窄线宽的激光器， 分布反馈 （Distributed Feedback， DFB） 光纤激光器关键器件是非对称式的相移光纤光栅， 它是利用紫外光在掺杂铒、 铥、 镱、 镨的光敏光纤上刻写的一种特殊的光纤光栅， 在扫描曝 光制作光纤光栅的过程中， 当光栅长度和反射率均达到设定值时， 控制相位掩膜板与光纤 发生沿光纤轴向的相对运动， 一般是移动掩膜板， 之后继续曝光一定的长度， 这样由于。
44、相位 掩膜板位置的变化， 使前后制作的两段光栅在连接位置产生相位的跃变， 形成相移光纤光 说 明 书 CN 103411660 A 9 7/8 页 10 栅， 此方法称为相位掩膜板移动法， 此方法通过精确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距 离， 使相移量精确控制在 ， 如图 1 所示， 在 C 点 的相移， 形成控制相位跃变位置偏离光 纤光栅的中间位置使得一端光纤光栅的长度 AC 小于另一端光纤光栅的长度 CB） 形成非对 称式的相移光纤光栅， 增加了 DFB 光纤激光器的出光功率， 其结构特点是在光栅光栅的中 存在 的相移并在结构上呈现非对称式。它相当于激光器的工作物质和谐振腔， 接上泵浦 光。
45、源， 就可以产生与相移光栅波长相同的激光 （如图 2） 。 0027 实施例 2 本实施例与实施例 1 相同之处不再赘述， 如图 8 所示， 与实施例 1 不同之处是背向瑞利 散射干涉形成方式不同， 本实施例中采用第五耦合器的 B53， B54两端构成的有臂长差 S 的迈 克尔逊干涉仪将不同单位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉。 第二光滤波器输出的背向 瑞利散射信号进入第三环形器的C31端， 从第三环形器的C32端流出进入到第五耦合器的B51 端， 经过第五耦合器分束到B53和B54端， B53和B54两端构成有臂长差的迈克尔逊干涉仪， B53 端的光经过长度为 L1的光纤经第三法拉第旋转镜反。
46、射返回到第五耦合器 B53端， B54端的光 经过长度为L2的光纤经第四法拉第旋转镜反射返回到第五耦合器B54端， 使得S=L1-L2， 两束 光在耦合器处完成干涉， 干涉光自第五耦合器的 B52端输出至第二光电探测器， 第二光电探 测器输出电信号经相位载波解调模块送入光纤分布式声波监测解调系统 ； 从第三环形器的 C33端流出直接进入第一光电探测器， 由第一光电探测器输出电信号至光纤分布式声波监测 解调系统。 0028 实施例 2 的优点采用了迈克尔逊干涉仪， 其中使用法拉第旋转镜作为反射器件， 相比较实施例 1， 减少了干涉信号的偏振影响， 提高系统检测精度。 0029 实施例 3 本实施。
47、例与实施例 1 相同之处不再赘述， 如图 9 所示， 与实施例 1 不同之处是所述将在 一条传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号采用干涉仪的方法进行干涉的干 涉形成方式不同， 本实施例中采用第七耦合器和延时光纤为主要器件构成延时环萨格奈克 干涉仪将不同单位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉。 0030 所述采用第七耦合器和延时光纤为主要器件构成延时环萨格奈克干涉仪将不同 单位长度间的背向瑞利散射信号进行干涉是指第二光滤波器输出的背向瑞利散射信号进 入第六耦合器的 B61端， 经过第六耦合器的分束， 一路光进入到第四环形器的 C41端， 由第四 环形器的 C42端射出， 进入到第七耦合器的。
48、 B71端， 经过第七耦合器的分束， 一路光由第七耦 合器的 B73端射出经过第五法拉第旋转镜的反射又回到第七耦合器处 ； 另一路光由第七耦 合器的 B74端射出经过延时光纤进入到第七耦合器的 B72端， 再次进入到第七耦合器的 B73 端， 经过第五法拉第旋转镜的反射又回到第七耦合器处， 两路光在第七耦合器处完成干涉 ； 干涉光经第七耦合器的B71端射入第四环形器C42端经C43端射出送入第一光电探测器， 第一 光电探测器输出电信号至光纤分布式声波监测解调系统。 0031 实施例 3 的优点其中使用法拉第旋转镜作为反射器件， 相比较实施例 1， 减少了干 涉信号的偏振影响， 提高系统检测精度。
49、。实施例 2 中， 两路信号分别经过迈克尔逊干涉仪的 两臂进行干涉， 无法排除环境对两臂的干扰， 相比较实施例 2 来说， 延时环萨格奈克干涉仪 的两束干涉信号所处的环境基本一致， 即除了延时光纤以外 （延时光纤的长度远远小于后 面的一根光纤的长度） ， 两束信号所走的流程都是在一根光纤内， 消除了环境对干涉臂上的 说 明 书 CN 103411660 A 10 8/8 页 11 信号干扰， 所以， 实施例 3 降低了环境对系统的影响， 进一步提高了系统检测精度。 说 明 书 CN 103411660 A 11 1/3 页 12 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103411660 A 12 2/3 页 13 图 5 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 10341166。