一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感方法及系统

摘要

一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感方法及系统，包括：一个1×2光分路器，在1×2光分路器的合束端口上连接有激光器，一个分束端口依次连接一个延迟光纤及第一3端口环形器的1号端口，此3端口环形器2号端口连接传感光缆中一根光纤，3号端口依次连接有偏振控制器及2×1光合路器的一个分束端口；另一分束端口直接连接至第二3端口环形器的1号端口，此3端口环形器2号端口连接传感光缆中另一根光纤，3号端口依次连接另一延迟光纤、相位调制器及2×1光合路器的另一分束端口。2×1光合路器的合束端口连接有光电探测器。激光器发出的脉冲光在传感光缆的两根光纤中形成的背向散射光信号，在2×1光合路器的合束端口相干。

说明书

技术领域

本发明是一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感方法及系统，涉及 分布式光纤传感技术领域以及光学相干检测领域。

背景技术

光纤传感技术是上世纪七八十年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起 来的技术，它以激光为通信载体，光纤为通信媒质，感知和传输外界被测量信号 的新型传感技术。光纤传感器具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、抗辐射、耐高压、 耐腐蚀、体积小、重量轻、适应恶劣环境等诸多优点，并且光纤元件本身既是探 测元件又是传输元件，可以在光纤干线上连接许多光纤传感单元组成大范围的遥 感系统，进行分布式监测与测量。

分布式光纤传感技术可以连续测量沿光纤分布的物理量，并且可获得这些量 的空间分布状态。大多数分布式传感技术主要用来测量一些静态量或缓变量，目 前已近取得了很高的指标。但在气液管道监测、火灾报警和周界安防等应用场合， 需要传感器可以探测和定位声音、振动等时变扰动。目前，分布式光纤振动传感 技术主要有长距离干涉技术、相干光时域反射技术。

基于长距离干涉技术的分布式振动传感系统主要通过干涉仪的频率响应与 扰动位置相关来实现振动的分布式测量，很难实现多点振动事件的检测和定位。 相干时域散射型分布式光纤振动传感系统通过相干测量光脉冲在传感光纤中产 生的背向散射光的相位变化来感知外界振动和定位，具有定位算法简单，可以实 现多点振动事件的同时检测和定位。相干测量技术主要有两种：普通相干及微分 相干。采用普通相干测量的方法，环境温度、压力等缓慢变化对振动的检测存在 较大的影响。采用微分相干测量的方法，对环境温度、压力等缓慢变化不敏感， 对突发事件敏感，更适合用于周界入侵事件检测和气液管道的监测。

目前微分相干时域散射型分布式光纤振动传感系统存在功率损耗大，存在多 个盲区，传感距离短的缺点。在工程施工中，需要在传感光缆中添加光纤盘避开 盲区，施工难度大，同时系统的稳定性也受到较大的影响。这些缺点都限制了具 有低环境噪声高振动事件、感知灵敏度等特点的微分相干时域散射型分布式光纤 振动传感系统的市场应用。

发明内容

本发明提供一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感方法及系统，本发 明通过双延迟光纤、3端口环形器、双光纤传感光缆的结合，形成了双脉冲光— —背向散射光直线式微分干涉结构，实现了传感光缆中被外界振动信号相位调制 的背向散射光波的微分相干检测，对突发振动事件具有高灵敏度，对缓变的环境 参量不敏感，信噪比高，与传统的微分相干时域散射型分布式光纤振动传感系统 相比，具有光路损耗小，灵敏度高、无传感盲区，连续大传感动态等优点。

本发明采用如下技术方案：

一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感方法，激光器输出的脉冲光并 由1×2光分路器分成两个脉冲光，

一个脉冲光经过一个延迟光纤，传输到第一3端口环形器的1号端口，经 过第一3端口环形器的2号端口，传输到传感光缆中的一根传感光纤中，并在所 述的一根传感光纤中发生散射，产生的背向散射光，所述背向散射光以与所述的 一根传感光纤中的一个脉冲光传输方向相反的方向传输到所述的第一3端口环 形器的2号端口，依次经过所述的第一3端口环形器的3号端口以及偏振控制器 传输到2×1光合路器；

另一个脉冲光经过直接传输到第二3端口环形器的1号端口，经过第二3 端口环形器的2号端口，传输到所述的传感光缆中的另一根传感光纤中，并在所 述的另一根传感光纤中发生散射，产生的背向散射光，所述背向散射光以与所述 的另一根传感光纤中的另一个脉冲光传输方向相反的方向传输到所述的第二3 端口环形器的2号端口，依次经过所述的第二3端口环形器的3号端口、另一个 延迟光纤及相位调制器，传输到2×1光合路器；

两束背向散射光在2×1光合路器的合束端口干涉后，传输到光电探测器。 所述的一个延迟光纤（31）与另一个延迟光纤（32）的纤芯折射率相同，长度差 ΔL与所述的激光器（1）的线宽Δf满足如下关系：

$\mathrm{\Delta L}<\frac{\mathrm{nC}}{\mathrm{\Delta f}}$

n为所述的一个延迟光纤（31）和另一个延迟光纤（32）的纤芯折射率，C为真 空中光传播的速度，同时，长度差ΔL小于10m。

一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感系统，包括：1×2光分路器、 传感光缆及2×1光合路器，在1×2光分路器的合束端口上连接有激光器，

在1×2光分路器的一个分束端口上连接有一个延迟光纤，且所述的1×2 光分路器的一个分束端口与所述的一个延迟光纤一端连接，所述的一个延迟光纤 的另一端连接有第一3端口环形器，且所述的一个延迟光纤的另一端与第一3 端口环形器的1号端口连接，所述的第一3端口环形器的2号端口与传感光缆中 的一根传感光纤一端连接，所述的第一3端口环形器的3号端口连接有偏振控制 器且与偏振控制器的一端连接，所述的偏振控制器的另一端与2×1光合路器的 一个分束端口连接；

在1×2光分路器的另一个分束端口上连接有第二3端口环形器且与第二3 端口环形器的1号端口连接，所述的第二3端口环形器的2号端口与传感光缆中 的另一根传感光纤一端连接，所述的第二3端口环形器的3号端口连接有另一个 延迟光纤且与所述的另一个延迟光纤的一个端口连接，所述的另一个延迟光纤的 另一个端口连接有相位调制器且与相位调制器的一个端口连接，所述的相位调制 器的另一个端口与2×1光合路器的另一个分束端口连接；

所述的2×1光合路器的合束端口连接有光电探测器。所述的一个延迟光纤 与另一个延迟光纤的纤芯折射率相同，长度差ΔL与所述的激光器的线宽Δf满 足如下关系：

$\mathrm{\Delta L}<\frac{\mathrm{nC}}{\mathrm{\Delta f}}$

n为所述的一个延迟光纤和另一个延迟光纤的纤芯折射率，C为真空中光传播的 速度，同时，长度差ΔL小于10m。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明通过双延迟光纤、3端口环形器、双芯光纤的传感光缆联合使用，实 现了双脉冲光——背向散射光束直线式微分干涉。脉冲光被1×2光分路器分为 两束脉冲光，一束脉冲光先经过一个延迟光纤，然后由第一3端口环形器1号、 2号端口耦合到传感光缆中一根传感光纤中，在传感光纤中产生的背向散射光再 由此环形器从其3号端口经过偏振控制器耦合到2×1光合路器；另一束脉冲光 直接由第二3端口环形器1号、2号端口耦合到传感光缆中另一根传感光纤中， 在传感光纤中产生的背向散射光再由此环形器从其3号端口耦合到另一个延迟 光纤中，经过相位调制器传输到2×1光合路器。由于两个延迟光纤的长度近似 相等，其长度差小于激光器的相干长度，两束光发生干涉。两根传感光纤在同一 根光缆中，外界振动造成的光纤形变近似相同，两束背向散射光的被同一振动调 制发生的相位变化是一致的。由于一束背向散射光是先延迟再调制，另一束是背 向散射光是先调制再延迟，两束背向散射光存在相位调制时间差，式（1）给出 了本发明所述的光电探测器接收到的背向散射信号功率与散射在传感光纤中发 生的位置的关系表达式：

式（1）中S表示背向散射捕获系数，a表示光纤损耗系数（单位为Km-1），a_s表示光纤散射系数（单位为Km-1），w表示光脉冲宽度（单位为Km），L₁表示 延迟光纤的长度，P₀表示光源输出功率，v_g表示光在纤芯中的传播速度，表 示外界振动引起的在光纤中传播的光波的相位变化，表示由于两个延迟光纤 长度不一样及相位调制器引入的两束背向散射光的恒定光程差。

从式（1）可以看出，这中干涉是微分干涉，对于缓慢变化的环境参量，式 （1-1）中光合路器的合路端口输出的光功率不会随着这 些物理量的变化而发生改变，从而去除了这些物理量对系统性能和稳定性的限 制。

对比采用超窄线宽激光器、外调制及普通干涉的相干时域散射型分布式光纤 振动传感系统，系统的性能不会受到缓变的环境参量的限制，稳定性和可靠性都 得到提高，并且不需要使用超窄线宽激光器，成本低。

对比采用基于耦合器合波耦合的环路结构传统微分相干时域散射型分布式光 纤振动传感系统，由于本发明采用的双传感光纤、独立延迟的双脉冲光——背向 散射光直线式微分干涉，光束不需要通过耦合器耦合到同一传感光纤中，不会存 在传统微分相干时域散射型分布式光纤振动传感系统的传感盲区问题，光路损耗 为传统系统光路损耗的1/4。故而本发明提出的微分相干时域散射型分布式光纤 振动传感系统的传感范围和灵敏度都优于传统的传统微分相干时域散射型分布 式光纤振动传感系统。由于不存在传感盲区，不需要使用光纤盘避开传感范围上 的盲区，没有因这些光纤盘的使用而引入的稳定性问题，工程施工简单，本系统 稳定可靠。

附图说明

图1为本发明提出的DC-OTDR型分布式光纤振动传感系统结构图；

图2为外界无振动信号，本发明提出的DC-OTDR型分布式光纤振动传感系 统中光电探测器接收到的背向散射光信号与其在传感光纤中产生的位置的关系；

图3为外界有振动信号，本发明提出的DC-OTDR型分布式光纤振动传感系 统对外界振动信号的频率响应特性曲线。

具体实施方式

实施例1

一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感方法，激光器1输出的脉冲光 并由1×2光分路器21分成两个脉冲光，

一个脉冲光经过一个延迟光纤31，传输到第一3端口环形器41的1号端口 4101，经过第一3端口环形器41的2号端口4102，传输到传感光缆8中的一 根传感光纤81中，并在所述的一根传感光纤81中发生散射，产生的背向散射光， 所述背向散射光以与所述的一根传感光纤81中的一个脉冲光传输方向相反的方 向传输到所述的第一3端口环形器41的2号端口4102，依次经过所述的第一3 端口环形器41的3号端口4103以及偏振控制器5传输到2×1光合路器22；

另一个脉冲光经过直接传输到第二3端口环形器42的1号端口，经过第二 3端口环形器42的2号端口4202，传输到所述的传感光缆8中的另一根传感光 纤82中，并在所述的另一根传感光纤82中发生散射，产生的背向散射光，所述 背向散射光以与所述的另一根传感光纤82中的另一个脉冲光传输方向相反的方 向传输到所述的第二3端口环形器42的2号端口4202，依次经过所述的第二3 端口环形器42的3号端口4203、另一个延迟光纤32及相位调制器6，传输到2 ×1光合路器22；

两束背向散射光在2×1光合路器22的合束端口干涉后，传输到光电探测器 7。所述的一个延迟光纤31与另一个延迟光纤32的纤芯折射率相同，长度差Δ L与所述的激光器1的线宽Δf满足如下关系：

$\mathrm{\Delta L}<\frac{\mathrm{nC}}{\mathrm{\Delta f}}$

n为所述的一个延迟光纤31和另一个延迟光纤32的纤芯折射率，C为真空中光 传播的速度，同时，长度差ΔL小于10m。

实施例2

一种微分相干时域散射型分布式光纤振动传感系统，包括：1×2光分路器 21、传感光缆8及2×1光合路器22，在1×2光分路器21的合束端口上连接有 激光器1，

在1×2光分路器21的一个分束端口上连接有一个延迟光纤31，且所述的1 ×2光分路器21的一个分束端口与所述的一个延迟光纤31一端连接，所述的一 个延迟光纤31的另一端连接有第一3端口环形器41，且所述的一个延迟光纤31 的另一端与第一3端口环形器41的1号端口4101连接，所述的第一3端口环形 器41的2号端口4102与传感光缆8中的一根传感光纤81一端连接，所述的第 一3端口环形器41的3号端口4103连接有偏振控制器5且与偏振控制器5的一 端连接，所述的偏振控制器5的另一端与2×1光合路器22的一个分束端口连接；

在1×2光分路器21的另一个分束端口上连接有第二3端口环形器42且与 第二3端口环形器42的1号端口4201连接，所述的第二3端口环形器42的2 号端口4202与传感光缆8中的另一根传感光纤82一端连接，所述的第二3端口 环形器42的3号端口4203连接有另一个延迟光纤32且与所述的另一个延迟光 纤32的一个端口连接，所述的另一个延迟光纤32的另一个端口连接有相位调制 器6且与相位调制器6的一个端口连接，所述的相位调制器6的另一个端口与2 ×1光合路器22的另一个分束端口连接；

所述的2×1光合路器22的合束端口连接有光电探测器7。所述的一个延迟 光纤31与另一个延迟光纤32的纤芯折射率相同，长度差ΔL与所述的激光器1 的线宽Δf满足如下关系：

$\mathrm{\Delta L}<\frac{\mathrm{nC}}{\mathrm{\Delta f}}$

n为所述的一个延迟光纤31和另一个延迟光纤32的纤芯折射率，C为真空中光 传播的速度，同时，长度差ΔL小于10m。

在本实施案例中，一个延迟光纤31的长度为20145m，另一个延迟光纤32 的长度为20146m，激光器1的线宽为2MHz，传感光缆长度为15Km，搭建了系 统。经测试，光路的损耗为3.3dB，基于耦合器合波耦合的环路结构传统微分相 干时域散射型分布式光纤振动传感系统为9.7dB。本发明提出的微分相干时域散 射型分布式光纤振动传感系统的光路损耗约为传统微分相干时域散射型分布式 光纤振动传感系统的光路损耗的1/4。图2给出了采用本发明提出的DC-OTDR 型分布式光纤振动传感系统在外界无振动时，光电探测器接收到的背向散射光信 号。从图中可以看出，外界无振动时，背向散射光信号是连续的，表征了传感光 缆可以连续无盲区测量外界振动信号。图3给出了在传感光缆5Km、10Km及 12.5Km处施加机械振动时，本发明提出的DC-OTDR型分布式光纤振动传感系 统中的光电探测器接收到的背向散射光信号。从图3中可以明显看出，在5Km、 10Km及12.5Km处，光电探测器接收到的背向散射光信号功率发生了突变，基 于此，可以实现振动事件的检测及定位。