專利名稱：一種基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術領域，特別涉及一種基于光纖延時線的分布式光纖振動 傳感系統。
背景技術：
光纖傳感器的概念不是新的，早在60年代中期就出現了第一個專利，它包括采用 傳光束的Fotonic機械位移傳感器和采用相位調制的超聲波傳感器。但是，在更為廣闊的 領域，即光纖傳感技術，取得系列研究卻是在10年以后，從那時起光纖技術就突破了那種 徘徊不前的狀態，進入了一日千里的時代。光纖傳感器的基本原理是由光源發出的光經過光纖進入調制區，在被測對象的 作用下，光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等光學性質發生了變化，使它成為被調制了的 信號，再經過光纖送入光探測器和電信號處理裝置，最終獲得待測對象的信息。目前，分布式光纖傳感技術是光傳感技術領域中最有應用前景的，其中帶光纖延 時線的分布式光纖振動傳感器通過一次測量，既可獲得光纖所經區域入侵擾動的完整信 息。然而帶光纖延時線的分布式光纖振動傳感器的探測區域很大，測量光纜越長越好，一般 大于50Km，防區空間分辨率10m，所以系統的光接收動態范圍很寬(大于50dB)，實時處理數 據很龐大，對光電信號處理系統要求極高，所以目前國內能做出性能穩定的分布式光纖振 動傳感器的廠商很少。由于以上原因，本公司作為國內最早、專業的光纖傳感領域集研發、 應用為一體的高科技公司，在了解到國家安全和國防建設對高新技術的迫切需求后，研究 及消化吸收國內外最新技術，開發出一套帶光纖延時線的分布式光纖振動傳感器，填補了 國內空白。
發明內容
本發明的所要解決的技術方案是提供一種基于光纖延時線的分布式光纖振動傳 感系統，以解決現有技術的不足。為解決上述技術方案，本發明提供一種基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系 統，包括光發射單元、用于發射窄脈沖光；光纖環形器、連接所述光發射單元及傳感光纖， 用于將所述窄脈沖光輸入所述傳感光纖并接收在所述傳感光纖內散射回來的背向散射光； 分束器、連接所述光纖環形器，用于將所述背向散射光分成第一背向散射光及第二背向散 射光，并分別輸出；光纖延時線、連接所述分束器的一個輸出端，用于將所述第二背向散射 光延時；光合波器、連接所述光纖延時線及所述分束器的另一個輸出端，用于所述第一背向 散射光及所述延時后的第二背向散射光合波，形成干涉散射光信號；APD光接收模塊、連接 所述光合波器，用于將所述干涉散射光信號轉換為電信號并放大；AD采集器、連接所述光 接收模塊，用于采集所述電信號，并進行模數轉換及數據預處理；處理分析及顯示系統、用 于分析AD采集器采集后的電信號，得到所述傳感光纖的振動位置。作為本發明的優選方案之一，所述光發射單元包括用于輸出窄線寬連續光的窄線寬光纖激光器、連接所述窄線寬光纖激光器并將所述窄線寬連續光調制成窄脈沖光的電光 調制器、連接所述電光調制器并為所述電光調制器提供PD反饋偏壓控制信號及RF驅動脈 沖信號的RF窄脈沖偏置驅動模塊、及連接所述光電調制器并放大所述窄脈沖光的光放大 器EDFA。作為本發明的優選方案之一，所述RF窄脈沖偏置驅動模塊具有同步信號輸出端， 并通過所述同步信號輸出端連接所述AD采集器，以向所述AD采集器輸出同步信號，控制其 對所述電信號的采集。作為本發明的優選方案之一，所述光放大器EDFA增益為30dB或以上。作為本發明的優選方案之一，所述光纖延時線的延時時間T= (I-L)/C，其中，1為 連接所述分束器及所述光纖延時線的光纖、所述光纖延時線、及連接所述光纖延時線及所 述光合波器的光纖的長度總和，L為連接所述分束器及所述光合波器的光纖的長度，C為光 在光纖中的傳播速度。作為本發明的優選方案之一，所述APD光接收模塊包括光電探測器、及連接所述 光電探測器的前級放大電路；所述光電探測器連接所述光纖合波器的輸出端，用于將所述 干涉散射光信號轉換為電信號，所述前級放大器用于將所述電信號放大。作為本發明的優選方案之一，所述基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統還 包括APD高壓溫控模塊，用于向所述APD光接收模塊提供恒增益控制電壓。作為本發明的優選方案之一，所述APD光接收模塊及所述AD采集器之間還連接有 放大匹配電路。作為本發明的優選方案之一，所述處理分析及顯示系統包括連接所述AD采集 器，并對所述AD采集器輸出的數據進行進一步預處理的數據協處理系統；連接所述數據協 處理系統，并通過分析其輸出數據，獲得所述傳感光纖的振動位置信息的監測分析處理系 統；連接所述監測分析處理系統，實現信息共享的主控器系統；連接所述監測分析處理系 統，實時顯示所述振動位置信息的顯示系統；連接所述監測分析處理系統，以便對所述傳感 光纜的振動實施報警的報警系統；連接所述監測分析處理系統，用以存儲所述振動位置信 息的存儲系統。作為本發明的優選方案之一，所述處理分析及顯示系統還包括用于提供電源的電 源系統。本發明的有益效果在于本發明針對以往多數光纖振動傳感器設計的測量距離和 防區空間分辨率不高等缺陷，提出了基于光時域反射技術和干涉測量技術的帶光纖延時線 的分布式光纖振動傳感器的設計方法，該傳感器結構通過利用光波在光纖中傳輸時產生的 瑞利散射效應，采用光時域反射和干涉式測量方法，對目標區域內的振動事件進行測量，系 統具有ODTR技術定位精度高和干涉式測量技術靈敏度好的特點。
圖1為基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統的結構示意圖。圖2為光纖延時線的連接示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。請參閱圖1，本發明提供的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統主要包括 四個部分發出窄脈沖光的光發射單元；獲得含傳感光纖振動信號并對其分束延時后合波 形成干涉光的部分；將合波后的含傳感光纖振動信號的干涉光放大的部分；及將光信號轉 換為電信號，并分析處理所述電信號以獲得傳感光纖振動位置信息的處理分析及顯示系 統。所述光反射單元包括順次連接的窄線寬光纖激光器11、電光調制器12、光放大器 EDFA13、及連接所述電光調制器12的RF窄脈沖偏置驅動模塊14。所述的窄線寬光纖激光器11是一種激光光源，用于輸出窄線寬連續光。所述的電光調制器12是一種高速電光轉換器，電光調制器12包括光輸入端、光輸 出端、PD背光監測接口端、偏置電壓控制輸入端與RF驅動輸入端。光輸入端連接窄線寬光 纖激光器11，光輸出端連接光放大器EDFA 13。電光調制器12經RF窄脈沖偏置驅動模塊 14驅動將輸入的連續光調制成所需的窄脈沖光輸出。所述的RF窄脈沖偏置驅動模塊包括PD背光監測輸入端、偏置電壓控制輸出端與 RF驅動輸出端，RF窄脈沖偏置驅動模塊14的偏置電壓控制輸出端與電光調制器12的偏置 電壓控制輸入端相連，RF窄脈沖偏置驅動模塊14的RF驅動輸出端與電光調制器12的RF 驅動輸入端相連，RF窄脈沖偏置驅動模塊14為電光調制器12提供PD反饋偏壓控制信號 及RF驅動脈沖信號。所述的光放大器EDFA 13是一種光放大器件器，增益30dB。光纖環形器22、分束器23、光纖延時線24及光合波器25構成獲得含傳感光纖振 動信號并對其分束延時后合波形成干涉光的部分。光放大器EDFA 13的光輸出端輸入光纖環形器22的光入射端，光纖環形器22的 的反饋端與傳感光纖21相連，并將傳感光纖21中的后向瑞利散射光經光纖環形器22的光 輸出端與分束器23輸入端相連；瑞利散射光再經分束器23分離后得攜帶振動信號的第一 背向散射光(也可稱為第一瑞利散射光)和第二背向散射光(也可稱為第二瑞利散射光)， 第二瑞利散射光輸入光纖延時線24進行延時，光纖延時線24的輸出與第一瑞利散射光輸 入光合波器25合成，并在光合波器25中形成干涉散射光。請參閱圖2，光纖延時線的延時時間T= (I-L)/C，其中，1為連接所述分束器及 所述光纖延時線的光纖、所述光纖延時線、及連接所述光纖延時線及所述光合波器的光纖 的長度總和，L為連接所述分束器及所述光合波器的光纖的長度，C為光在光纖中的傳播速 度。其中，光纖延時線X為一段長度較長的光纖。請繼續參閱圖1，APD高壓溫控模塊33、APD光接收模塊34及放大匹配電路構成將 合波后的含傳感光纖振動信號的干涉光放大的部分。從光合波器25合成出來的干涉散射光信號進入APD光接收模塊34，將干涉散射光 信號轉換為電信號并進行前級放大，從而完成信號的光電探測工作；APD高壓溫控模塊35， 與所述APD光接收模塊34相連，用以向APD光接收模塊33提供的恒增益控制電壓；放大匹 配電路35連接APD光接收模塊34的輸出端，以便放大其輸出的電信號，并使之與后續電路 匹配。
所述處理分析及顯示系統包括AD采集卡44、數據協處理系統45、監測分析處理系 統46、電源系統47、主控器系統48、顯示系統、聲信號報警系統、及存儲系統。AD采集卡44，連接APD光接收模塊33，AD采集卡44的主要組成部分包括AD前置 放大器、AD轉換器以及FPGA，用以將所述APD光接收模塊33的輸出信號進行模數轉換，并 完成以FPGA為核心的高速數據采集、信號預處理等功能。其主要技術指標每通道采樣速率100MHz位數16位功能數字累加功能、濾波功能、抽點功能、運算處理功能。且，AD采集卡44還連接RF窄脈沖驅動電路14的同步輸出端7，在其輸出的同步 信號的控制下開始采集。所述同步信號是與RF窄脈沖偏置驅動模塊14輸出的光脈沖同步 輸出的電脈沖信號，觸發模式可分為外同步模式。由于傳感光纖21的長度很長，因此分為 多個防區，并且，為了減小噪聲的影響，需要分別對各個防區采集多組數據進行累加后得到 平均波形，數據量巨大。因此，AD采集卡內合并了 FPGA處理器，FPGA處理速度快，能夠將大 量的數據進行初步的分批處理，以便后續系統進一步處理。數據協處理系統45，與AD采集卡44連接，進行進一步的數據預處理，以便后續系 統進一步處理。具體地說，數據協處理系統45主要對FPGA預處理過的數據進行FFT轉換， 將原本的時域信息轉換為頻域信息，便于后續分析處理。監測分析處理系統46，與所述高速AD采集卡44相連，用以數據協處理系統45的 預處理結果進行信號處理、分析計算，獲得對應點的振動位置信息。主控器系統48，與監測分析處理系統46連接，實現信息共享；顯示系統，連接所述監測分析處理系統，實時顯示所述振動位置信息；報警系統，連接所述監測分析處理系統，以便對所述傳感光纜的振動實施報警；存儲系統，連接所述監測分析處理系統，用以存儲所述振動位置信息。電源系統47，用于對所述處理分析及顯示系統的其他模塊供電。綜上所述，本發明根據后向散射光原理，由窄線寬光纖激光器11的輸出接入電光 調制器12輸入，電光調制器12被RF窄脈沖驅動模塊14驅動輸出窄脈沖光，電光調制器12 輸出接入光放大器EDFA13輸入，光放大器EDFA13輸出所需大功率窄脈沖光，大功率窄脈沖 光經光纖環形器注入到傳感光纖21中，在傳感光纖21中將產生后向散射光，包括瑞利散射 光。瑞利散射光再經分束器23分離后得攜帶振動信號的第一瑞利散射光和第二瑞利散射 光，第二瑞利散射光輸入光纖延時線24進行延時，光纖延時線24的輸出與第一瑞利散射光 輸入光合波器25合成，從光合波器25合成出來的瑞利散射光再進入APD光接收模塊34的 APD進行光電轉換，再經前級放大，從而完成信號的光電探測工作；此時信號已由光信號轉 換成電信號，再分別進入放大匹配電路35對電信號進行后級放大，而后分別由高速同步信 號采集器44進行模數轉換，從而得到數字信號，再由數據協處理系統45對數字信號進行信 號預處理、分析計算，數據預處理結果通信輸出到對應監測分析處理系統46，便最終監測分 析處理系統46的分析得到整個防區的入侵振動信息，監測分析處理系統46的分析數據結 果輸入主控器系統48進行聯動報警。因此，發出大功率窄線寬光脈沖后，對經過延時線后 合成的后向瑞利散射光信號進行高速的多點采樣，就可獲得沿光纖軸向的振動場分布，實現分布式振動測量。本發明的光學系統與調制頻率光源中心波長1550nm，線寬小于500KHz，傳感 光纖21長度50km，光脈沖重復頻率lk，光脈沖寬度100ns，雙通道高速AD采集卡采樣率 100MHz，AD采樣精度16位。系統的最大測量距離達50Km，光纖直線布放空間分辨率為10m。 溫度信號在頂層處理，可在現場通過桌面進行報警閾值的測試和設定。本實施例所述系統采用后向散射探測方法，由電光調制器12產生很窄的光脈沖， 即光探測脈沖。光探測脈沖的寬度確定了帶光纖延時線的分布式光纖振動傳感器的空間分 辨率，光探測器在某個時刻探測到的光能量是與光脈沖寬度對應的一段光纖的后向散射光 能量的貢獻總和，因此由光脈沖寬度就決定了一個空間分辨率。由于本發明的光脈沖寬度 窄，因此分辨率高。本發明針對以往多數光纖振動傳感器設計的測量距離和防區空間分辨率不高等 缺陷，提出了基于光時域反射技術和干涉測量技術的帶光纖延時線的分布式光纖振動傳感 器的設計方法，該傳感器結構通過利用光波在光纖中傳輸時產生的瑞利散射效應，采用光 時域反射和干涉式測量方法，通過分析干涉光的時間相位的變化，對目標區域內的振動事 件進行測量，系統具有ODTR技術定位精度高和干涉式測量技術靈敏度好的特點。以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案。不脫離本發明精神和范圍的 任何修改或局部替換，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于，包括光發射單元、用于發射窄脈沖光；光纖環形器、連接所述光發射單元及傳感光纖，用于將所述窄脈沖光輸入所述傳感光纖并接收在所述傳感光纖內散射回來的背向散射光；分束器、連接所述光纖環形器，用于將所述背向散射光分成第一背向散射光及第二背向散射光，并分別輸出；光纖延時線、連接所述分束器的一個輸出端，用于將所述第二背向散射光延時；光合波器、連接所述光纖延時線及所述分束器的另一個輸出端，用于所述第一背向散射光及所述延時后的第二背向散射光合波，形成干涉散射光信號；APD光接收模塊、連接所述光合波器，用于將所述干涉散射光信號轉換為電信號并放大；AD采集器、連接所述光接收模塊，用于采集所述電信號，并進行模數轉換及數據預處理；處理分析及顯示系統、用于分析AD采集器采集后的電信號，得到所述傳感光纖的振動位置。
2.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述光發射單元包括用于輸出窄線寬連續光的窄線寬光纖激光器、連接所述窄線寬光纖激光 器并將所述窄線寬連續光調制成窄脈沖光的電光調制器、連接所述電光調制器并為所述電 光調制器提供PD反饋偏壓控制信號及RF驅動脈沖信號的RF窄脈沖偏置驅動模塊、及連接 所述光電調制器并放大所述窄脈沖光的光放大器EDFA。
3.如權利要求2所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述RF窄脈沖偏置驅動模塊具有同步信號輸出端，并通過所述同步信號輸出端連接所述AD 采集器，以向所述AD采集器輸出同步信號，控制其對所述電信號的采集。
4.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述光放大器EDFA增益為30dB或以上。
5.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述光纖延時線的延時時間T= (I-L)/C，其中，1為連接所述分束器及所述光纖延時線的光 纖、所述光纖延時線、及連接所述光纖延時線及所述光合波器的光纖的長度總和，L為連接 所述分束器及所述光合波器的光纖的長度，C為光在光纖中的傳播速度。
6.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述APD光接收模塊包括光電探測器、及連接所述光電探測器的前級放大電路；所述光電探 測器連接所述光纖合波器的輸出端，用于將所述干涉散射光信號轉換為電信號，所述前級 放大器用于將所述電信號放大。
7.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于還 包括APD高壓溫控模塊，用于向所述APD光接收模塊提供恒增益控制電壓。
8.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述APD光接收模塊及所述AD采集器之間還連接有放大匹配電路。
9.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述處理分析及顯示系統包括連接所述AD采集器，并對所述AD采集器輸出的數據進行進一步預處理的數據協處理系統；連接所述數據協處理系統，并通過分析其輸出數據，獲得所 述傳感光纖的振動位置信息的監測分析處理系統；連接所述監測分析處理系統，實現信息 共享的主控器系統；連接所述監測分析處理系統，實時顯示所述振動位置信息的顯示系統； 連接所述監測分析處理系統，以便對所述傳感光纜的振動實施報警的報警系統；連接所述 監測分析處理系統，用以存儲所述振動位置信息的存儲系統。
10.如權利要求1所述的基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，其特征在于所 述處理分析及顯示系統還包括用于提供電源的電源系統。
全文摘要
本發明揭示了一種基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統，包括光發射單元；光纖環形器、連接所述光發射單元及傳感光纖；分束器、連接所述光纖環形器，用于將所述背向散射光分成第一背向散射光及第二背向散射光，并分別輸出；光纖延時線、連接所述分束器的一個輸出端，用于將所述第二背向散射光延時；光合波器、連接所述光纖延時線及所述分束器的另一個輸出端，用于所述第一背向散射光及所述延時后的第二背向散射光合波；APD光接收模塊、連接所述光合波器；AD采集器、連接所述光接收模塊；處理分析及顯示系統、用于分析AD采集器采集后的電信號，得到所述傳感光纖的振動位置。本發明的有益效果在于定位精度高、干涉式測量技術靈敏度好。
文檔編號G01H9/00GK101893475SQ20101012246
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者仝芳軒, 周正仙, 席剛, 楊斌, 皋魏 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司