一種高指標分布式光纖振動傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種高指標分布式光纖振動傳感器，其解決了現有分布式光纖振動傳感器傳輸距離短、靈敏度低、準確度低的技術問題，其包括第一分光器、調制放大器、第二分光器、可調衰減器、第一光路、第二光路、泵浦器、兩個傳感光纜、外差探測器和采集控制器，第一分光器的一路輸出端與調制放大器連接，另一路10％輸出端與外差探測器連接，調制放大器的輸出端與第二分光器連接；第二分光器分別與可調衰減器和第二光路連接；可調衰減器的輸出端與第一光路連接，泵浦器的輸出端分別與兩個光路接；兩個傳感光纜分別與兩個光路連接，采集控制器的輸入端與外差探測器連接。其廣泛用于國防邊界、管道、光電纜等長距離、高精度的安防監測。
【專利說明】一種高指標分布式光纖振動傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖振動傳感器，具體說是一種高指標分布式光纖振動傳感器。
【背景技術】
[0002]目前，振動信息的探測分析已經在很多領域得到應用，隨著技術的發展提高，也逐步應用于周界安防領域。現有的周界安防系統有脈沖圍欄、紅外對射、振動電纜、光纖振動傳感器等多種監測系統，各系統的應用領域和性能也各不相同。脈沖圍欄的特點是能夠在監測的同時還能夠實現震懾的作用，但其監測距離短，其適用于廠區、園區等小區域性監測；紅外對射因其易于受到其他外界環境干擾而失效，其適應于室內貴重物品、資料、設備等安全監測；振動電纜可實現較長距離傳輸，但電磁干擾對其影響很大，應用具有很大的局限性；光纖振動傳感器應用相對靈活，可進行區域性應用，同時因其長距離傳輸、本征無源的特性，應用適應性強。
[0003]分布式光纖振動傳感器是目前研究的熱點，其主要應用于國防邊界、油氣管道、光電纜等長距離的安全監測。然而隨著技術的進步，人們對分布式光纖振動傳感器的準確度、靈敏度、傳輸距離等性能指標提出來越來越高的要求，現有的分布式光纖振動傳感器已經不能滿足市場的需求。
【發明內容】
[0004]本發明就是為了解決現有分布式光纖振動傳感器傳輸距離短、靈敏度低、準確度低的技術問題，提供一種傳輸距離長、靈敏度高、準確度高的高指標分布式光纖振動傳感器。
[0005]本發明的技術方案是，提供一種高指標分布式光纖振動傳感器，包括第一分光器、調制放大器、第二分光器、可調衰減器、延長光纜、第一光路、第二光路、泵浦器、第一傳感光纜、第二傳感光纜、外差探測器和米集控制器，第一分光器設有一路90%輸出端和一路10 %輸出端，一路90 %輸出端與調制放大器連接，一路10 %輸出端與外差探測器連接，調制放大器的輸出端與第二分光器連接；第二分光器設有兩路50%輸出端，其中一路與可調衰減器連接，另一路通過延長光纜與第二光路連接；可調衰減器的輸出端與第一光路連接，泵浦器的輸出端分別與第一光路和第二光路連接；第一傳感光纜與第一光路連接，第二傳感光纜與第二光路連接，采集控制器的輸入端與外差探測器連接，采集控制器的脈沖輸出端與調制放大器連接；第一光路和第二光路分別設有后向散射信號輸出端，第一光路的后向散射信號輸出端與外差探測器連接，第二光路的后向散射信號輸出端與外差探測器連接。
[0006]優選地，調制放大器包括調制器和光放大器，采集控制器的脈沖輸出端與調制器連接，光放大器與調制器連接，第二分光器與光放大器連接，第一分光器的一路90%輸出端與調制器連接。
[0007]優選地，外差探測器包括第三分光器、第四分光器、第五分光器和雙路外差探測器，第一分光器的一路10%輸出端與第三分光器的輸入端連接；第三分光器設有兩路50%輸出端，其中一路50%輸出端與第四分光器的輸入端連接,另一路50%輸出端與第五分光器的輸入端連接；第一光路的后向散射信號輸出端與第四分光器的輸入端連接，第二光路的后向散射信號輸出端與第五分光器的輸入端連接，第四分光器的輸出端和第五分光器的輸出端分別與雙路外差探測器的輸入端連接，雙路外差探測器的輸出端與采集控制器的輸入端連接。
[0008]優選地，泵浦器包括第一泵浦源和第二泵浦源，第一光路包括第一叁端口光環形器和第一波分復用器，第二光路包括第二叁端口光環形器和第二波分復用器；第一叁端口光環形器設有I端口、2端口和3端口，第二叁端口光環形器設有I端口、2端口和3端口，第一波分復用器設有反射端口、透射端口和公共端口，第二波分復用器設有反射端口、透射端口和公共端口 ；第一泵浦源與第一波分復用器的透射端口連接，第二泵浦源與第二波分復用器的透射端口連接；可調衰減器的輸出端與第一叁端口光環形器的I端口連接，第一叁端口光環形器的2端口與第一波分復用器的反射端口連接，第一叁端口光環形器的I端口與第四分光器的輸入端連接；第二叁端口光環形器的3端口與第五分光器的輸入端連接，延長光纜與第二叁端口光環形器的I端口連接，第二叁端口光環形器的2端口與第二波分復用器的反射端口連接；第一傳感光纜與第一波分復用器的公共端口連接，第二傳感光纜與第二波分復用器的公共端口連接。
[0009]優選地，還設有光源，光源與第一分光器連接。
[0010]本發明的有益效果是，采用后向散射信號的原理來實現入侵定位，同時通過外差探測器分析確定每一點的光纜特性變化，從而確定振動信息的變化，有效地增加了系統的增益，提高了系統的精度、靈敏度和距離；在叁端口光環形器、波分復用器和泵浦源的作用下實現了拉曼放大，有效提高輸入到光纖中的能量，實現光信號更遠距離的傳輸，同時增加靈敏度和精度；在雙路外差探測器和采集控制器的作用下采用弱信號低噪放大技術和雙通道獨立采集技術，有效提高系統信噪比，同時兩通道采集單獨實現，互補影響，應用更加靈活。
[0011]本發明可實現傳感距離大于80公里的傳感距離，同時可保證定位精度為15米的周界防范系統。
[0012]本發明進一步的特征和方面，將在以下參考附圖的【具體實施方式】的描述中，得以清楚地記載。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的原理框圖；
[0014]圖2是本發明進一步優選的結構示意圖。
[0015]圖中符號說明:
[0016]1.光源；2.第一分光器；3.調制放大器；4.第二分光器；5.可調衰減器；6.第一光路；7.延長光纜；8.第二光路；9.泵浦器；10.外差探測器；11.采集控制器；12.上位機；13.第一傳感光纜；14.第二傳感光纜；15.調制器；16.光放大器；17.第一春端口光環形器；18.第一波分復用器；19.第一泵浦源；20.第二叁端口光環形器；21.第二波分復用器；22.第二泵浦源；23.第三分光器；24.第四分光器；25.第五分光器；26.雙路外差探測器。
【具體實施方式】
[0017]以下參照附圖，以具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0018]如圖1所示，光源I輸出連續光信號，該連續光信號經過第一分光器2分為90% —路輸出和10%—路輸出。調制放大器3在采集控制器11的脈沖控制下將90%—路輸出光信號調制成脈沖光信號并進行光信號放大，提升光功率。
[0019]由調制放大器3輸出的高功率脈沖信號經過第二分光器4分為兩路，兩路信號采用均分的方式分出，其中一路進入可調衰減器5后輸出，另一路進入延長光纜7中。可調衰減器5輸出光功率的大小由采集控制器11的光功率控制輸出端進行調節。延長光纜7起通信的作用，作為主機與傳感光纜之間的橋梁。
[0020]可調衰減器5輸出的信號進入第一光路6與泵浦器9輸出的泵浦光信號匯聚共同進入到第一傳感光纜13中，保證輸出到第一傳感光纜13的光功率最大的應用和更長距離的傳感。
[0021]延長光纜7中的光信號進入第二光路8與泵浦器9輸出的泵浦光信號匯聚共同進入第二傳感光纜14中，保證輸出到第二傳感光纜14的光功率最大的應用和更長距離的傳感。
[0022]第一分光器2輸出的10%光信號經過外差探測器10進行外差探測處理后實現濾波和信號放大，采集控制器11對外差探測器10輸出的模擬信號轉換成數字信號給上位機12，上位機12對該數字信號進行數據處理和計算。
[0023]如圖2所示，調制放大器3包括調制器15和光放大器16，調制器15由采集控制器11的脈沖輸出端進行脈沖的控制，將90%—路輸出光信號調制成脈沖光信號,光放大器16將調制器15輸出的脈沖光信號進行放大以提升光功率。
[0024]第一光路6包括第一叁端口光環形器17和第一波分復用器18，泵浦器9包括第一泵浦源19和第二泵浦源22。第一叁端口光環形器17設有I端口、2端口和3端口，信號從I端口傳送到2端口再到3端口。可調衰減器5的信號輸出端與第一叁端口光環形器17的I端口相接，第一叁端口光環形器17的2端口連接第一波分復用器18的反射端口，同時第一泵浦源19的泵浦光信號輸出端與第一波分復用器18的透射端口連接。在第一叁端口光環形器17、第一波分復用器18和第一泵浦源19的作用下，實現了拉曼放大，有效地增加了系統靈敏度和傳感距離。第一波分復用器18為3端口 WDM，設有反射端口(R)、透射端口(T)和公共端口(COM)。
[0025]第二光路8包括第二叁端口光環形器20和第二波分復用器21，延長光纜7的輸出端與第二叁端口光環形器20的I端口相接。第二叁端口光環形器20設有I端口、2端口和3端口，信號從I端口傳送到2端口再到3端口。第二叁端口光環形器20的2端口連接第二波分復用器21的反射端口，同時第二泵浦源22的泵浦光信號輸出端與第二波分復用器21的透射端口連接。在第二叁端口光環形器20、第二波分復用器21和第二泵浦源22的作用下，實現了拉曼放大，有效地增加了系統靈敏度和傳感距離。第二波分復用器21為3端口 WDM，設有反射端口(R)、透射端口⑴和公共端口(COM)。
[0026]外差探測器10包括第三分光器23、第四分光器24、第五分光器25和雙路外差探測器26，第一分光器2出的10%光信號經過第三分光器23分為兩路A、B，兩路信號采用均分的方式分出，其中A路進入第四分光器24,B路進入第五分光器25。第一傳感光纜13產生的后向散射信號(從第一春端口光環形器17的3端口輸出)與A路信號在第四分光器24中匯聚后形成一路探測信號，第二傳感光纜14產生的后向散射信號(從第二叁端口光環形器20的3端口輸出)與B路信號在第五分光器25中匯聚后形成一路探測信號，這兩路探測信號送入雙路外差探測器26實現外差探測后進行濾波和信號放大。
[0027]經過雙路外差探測器26處理后的兩路攜帶有第一傳感光纜13、第二傳感光纜14的振動信息的原始模擬信號，進入采集控制器11，被采集控制器11的雙路ADC探測，完成兩路信號的采集，同時將采集到的數字信號上傳上位機12進行數據處理和計算，同時上位機12與采集控制器11之間通過USB或PCI進行接口通信，完成上位機12對底層硬件的控制。
[0028]實現雙通道采集的采集控制器11分為數據采集模塊、FPGA及外圍電路組成，采集模塊采用了 2片高速ADC及差分電路組成，最高采樣速率可達100MSPS。FPGA用于控制外圍電路的工作狀態及整個系統的工作時序，其主要功能有:(I)實現了對2路采集ADC的啟動及停止采集單獨進行控制功能；(2)采用內部的RAM塊構建存儲單元實現了對采集數據的累加功能，累加次數最高高達25.6萬次；(3)產生時鐘信號，控制調制器的工作頻率，實現對直流信號的調制作用；(4)通過上位機通信，實現對衰減器的衰減倍數的大小可控。其采用雙時鐘控制方式，對兩個通道的觸發時間單獨控制；采用大數據量存儲和實時上傳的方式，可將兩個通道上的數據先存放，進行去噪處理后統一上傳，保證采集控制器11與上位機12能夠實現實時的數據傳輸，不會出現漏點現象。
[0029]上位機12可采用整機工控機或工控主板，將采集到的數據上傳后進行數據處理，同時發出報警信息和進行設備聯動。
[0030]由第一傳感光纜13或第二傳感光纜14產生的瑞利散射信號為:ES=kscos (ω jt+ Φ ^，第三分光器23分出的兩路本振光信號為E1 = ^cos (ω 2t+Φ 2)。
[0031]分別在第四分光器24和第五分光器25處匯合進入到雙路外差探測器26，其信號強度為:
[0032],⑴=~ + ~ + cos(2i^/ + 2(j\) + Iq1 cos(2r^/ + 2辦)]
+Uii cos[(呦 + (Οτ)/ + (^ + ^)] + kJu cos[(r/J1- OJ1)/ + - φ2)]
[0033]因為光頻很高，雙路外差探測器26的響應無法滿足，從而實現外差探測，并且采用非平衡交流耦合方法，可以將直流的信號量給濾除掉，保證得到的信號為需要進行分析的有用信號，信號為:
[0034]I (t) = 1^1^。08[(00「(02)七+(4)「小2)]。
[0035]將該?目號通過頻率差和相位差表不為:I(t) = IisIi1Cos (2 π Δ ft+ Δ φ)。
[0036]如果采用直接探測的方法，直接探測到的光功率為山⑴=2ks2cos (2 n A ft+ Δ φ)。
[0037]采用外差探測和直接瑞利探測的方法比較，其信號比值為:
I(t) kj
[0038]a
[0039]在外差探測系統中，本振信號遠大于瑞利信號，所以Ic1 >> ks，采用外差探測實現的系統比直接瑞利探測信號更強，配合拉曼放大技術，通過光纖本身的拉曼效應，提升光功率。采用外差探測技術和拉曼放大技術，均有效的提升了信號的強度，增加系統靈敏度和傳感距離。
[0040]光源I可采用超窄線寬激光器或DFB激光管，線寬小于5kHz，頻率穩定性小于50MHz，輸出功率大于20MW，保偏特性，偏振消光比大于23dB。
[0041]調制器15可采用聲光調制器、電光調制器和半導體光放大器實現脈沖信號的調制作用，其輸入承受光功率大于5W,消光比大于50dB,回波損耗大于40dB,上升時間小于20ns ο
[0042]光放大器16的峰值功率輸出大于2W，可采用摻鉺光纖放大器來實現。
[0043]可調衰減器5的衰減可調節范圍為30dB，同時插損小于ldB，可采用旋鈕可調衰減器、微機械可調衰減器或其可實現衰減功能的器件。
[0044]第一叁端口光環形器17和第二叁端口光環形器20這兩個三端口光環形器，都是I端口進2出，2端口進3端口出，端口之間隔離度大于40dB，各通道插損小于0.7dB。
[0045]第一波分復用器18和第二波分復用器21的通帶寬度為±6nm，插損小于0.7dB，其可采用濾波片或FBG等復用器。
[0046]第一泵浦源19和第二泵浦源22可采用大功率泵浦激光器，其功率需保證大于200MW,通過泵浦的介入能夠有效提升信號增益，增加傳輸距離。
[0047]延長光纜7的內部光纖類型可以為單模G652D光纖。
[0048]第一傳感光纜13和第二傳感光纜14可采用振動光纜，在保證適應室外環境的同時，增強器敏感特點，以適應振動入侵的探測。
[0049]雙路外差探測器26設有光電探測器、放大電路和濾波電路，光電探測器采用高帶寬、高響應和高增益的InGaAs光電二極管進行光電轉換，帶寬滿足14?18GHz，響應上升時間小于15ps，其增益可達0.7?0.9A/W ;放大電路采用高帶寬運放，在信號放大的同時保證信號的真實特性；濾波電路采用交流濾波方式，濾除真實信號的直流分量，同時可對信號進行調理，實現硬件去噪，有效地提高了信噪比。
[0050]以上所述僅對本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡是在本發明的權利要求限定范圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種高指標分布式光纖振動傳感器，其特征是，包括第一分光器、調制放大器、第二分光器、可調衰減器、延長光纜、第一光路、第二光路、泵浦器、第一傳感光纜、第二傳感光纜、外差探測器和采集控制器，所述第一分光器設有一路90%輸出端和一路10%輸出端，所述一路90%輸出端與所述調制放大器連接，所述一路10%輸出端與所述外差探測器連接，所述調制放大器的輸出端與所述第二分光器連接；所述第二分光器設有兩路50%輸出端，其中一路與所述可調衰減器連接，另一路通過所述延長光纜與所述第二光路連接；所述可調衰減器的輸出端與所述第一光路連接，所述泵浦器的輸出端分別與所述第一光路和第二光路連接；所述第一傳感光纜與所述第一光路連接，所述第二傳感光纜與所述第二光路連接，所述采集控制器的輸入端與所述外差探測器連接，所述采集控制器的脈沖輸出端與所述調制放大器連接；所述第一光路和所述第二光路分別設有后向散射信號輸出端，所述第一光路的后向散射信號輸出端與所述外差探測器連接，所述第二光路的后向散射信號輸出端與所述外差探測器連接。
2.根據權利要求1所述的高指標分布式光纖振動傳感器，其特征在于，所述調制放大器包括調制器和光放大器，所述采集控制器的脈沖輸出端與所述調制器連接，所述光放大器與所述調制器連接，所述第二分光器與所述光放大器連接，所述第一分光器的一路90 %輸出端與所述調制器連接。
3.根據權利要求2所述的高指標分布式光纖振動傳感器，其特征在于，所述外差探測器包括第三分光器、第四分光器、第五分光器和雙路外差探測器，所述第一分光器的一路10%輸出端與所述第三分光器的輸入端連接；所述第三分光器設有兩路50%輸出端，其中一路50%輸出端與所述第四分光器的輸入端連接，另一路50%輸出端與所述第五分光器的輸入端連接；所述第一光路的后向散射信號輸出端與所述第四分光器的輸入端連接，所述第二光路的后向散射信號輸出端與所述第五分光器的輸入端連接，所述第四分光器的輸出端和所述第五分光器的輸出端分別與所述雙路外差探測器的輸入端連接，所述雙路外差探測器的輸出端與所述采集控制器的輸入端連接。
4.根據權利要求3所述的高指標分布式光纖振動傳感器，其特征在于，所述泵浦器包括第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一光路包括第一叁端口光環形器和第一波分復用器，所述第二光路包括第二叁端口光環形器和第二波分復用器；所述第一叁端口光環形器設有I端口、2端口和3端口，所述第二叁端口光環形器設有I端口、2端口和3端口，所述第一波分復用器設有反射端口、透射端口和公共端口，所述第二波分復用器設有反射端口、透射端口和公共端口 ；所述第一泵浦源與所述第一波分復用器的透射端口連接，所述第二泵浦源與所述第二波分復用器的透射端口連接；所述可調衰減器的輸出端與所述第一叁端口光環形器的I端口連接，所述第一叁端口光環形器的2端口與所述第一波分復用器的反射端口連接，所述第一叁端口光環形器的I端口與所述第四分光器的輸入端連接；所述第二叁端口光環形器的3端口與所述第五分光器的輸入端連接，所述延長光纜與所述第二叁端口光環形器的I端口連接，所述第二叁端口光環形器的2端口與所述第二波分復用器的反射端口連接；所述第一傳感光纜與所述第一波分復用器的公共端口連接，所述第二傳感光纜與所述第二波分復用器的公共端口連接。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的高指標分布式光纖振動傳感器，其特征在于，所述分布式光纖振動傳感器還設有光源，所述光源與所述第一分光器連接。
【文檔編號】G01H9/00GK104266742SQ201410564524
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】史振國, 王建強, 喬秋曉, 張凱, 劉偉, 姜昌海 申請人:威海北洋光電信息技術股份公司