基于相干光时域反射的振动检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于相干光时域反射的振动检测装置，属于振动检测领域。所述装置包括：测量光纤；用于提供N路波长各不相同的脉冲激光的脉冲激光产生模块；用于对N路脉冲激光进行复用的波分复用器；用于将复用后的脉冲激光输入测量光纤，并输出后向瑞利散射光的耦合模块；用于对耦合模块输出的后向瑞利散射光进行分离的第一解波分复用器；用于对分离出的瑞利散射光进行光电转换，得到N个电信号的N个光电探测器；用于采用电信号对振动进行定位的处理模块；波分复用器分别与脉冲激光产生模块和耦合模块电连接，耦合模块分别与测量光纤和第一解波分复用器电连接，第一解波分复用器通过N个光电探测器与处理模块电连接。从而提高了采样频率。
【专利说明】基于相干光时域反射的振动检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及振动检测领域，特别涉及一种基于相干光时域反射的振动检测装置。
【背景技术】
[0002]COTDR (Coherent Optical Time-Domain Reflectometry,相干光时域反射)又被称为基于相干瑞利散射的光时域反射技术，该技术可以利用超窄线宽激光脉冲在测量光纤中发生的后向瑞利散射，检测测量光纤沿线出现的振动。
[0003]目前，实现该技术的装置主要包括:脉冲产生单元、环行器、测量光纤和处理单元。其中，脉冲产生单元用于产生一个脉冲激光，并将产生的脉冲激光通过环行器的一个端口输入测量光纤，激光脉冲在测量光纤中传输，产生后向瑞利散射光，该后向瑞利散射光通过环行器的另一端口输出，处理单元根据环行器输出的后向瑞利散射光确定测量光纤沿线是否存在振动。
[0004]在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]为了避免测量光纤中激光脉冲之间的相互干扰，需要保证测量光纤中始终只有一个激光脉冲存在，这导致采样频率低(即在一定时间内产生后向瑞利散射光的个数少)，因此根据采样定理，可能无法完整的采集到振动信号，导致振动检测的结果不够准。
实用新型内容
[0006]为了解决现有技术只允许测量光纤中只存在一个激光脉冲，导致信号采样频率低，能够检测到振动信号的频率低`的问题，本实用新型实施例提供了一种基于COTDR的振动检测装置。所述技术方案如下:
[0007]本实用新型实施例提供了一种基于相干光时域反射的振动检测装置，所述装置包括:
[0008]测量光纤；
[0009]用于提供N路波长各不相同的脉冲激光，每一路所述脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔均大于等于T，且不属于同一路所述脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔小于T的脉冲激光产生模块，其中，T=2Ln/C, L为所述测量光纤的长度，C为真空光速，η为所述测量光纤纤芯折射率，Ν^2；
[0010]用于对N路所述脉冲激光进行复用的波分复用器；
[0011]用于将复用后的所述脉冲激光输入所述测量光纤，并输出复用后的所述脉冲激光在所述测量光纤中传输时产生的后向瑞利散射光的耦合模块；
[0012]用于对所述耦合模块输出的所述后向瑞利散射光进行分离，产生N个波长各不相同的瑞利散射光的第一解波分复用器；
[0013]用于对分离出的所述N个波长各不相同的瑞利散射光进行光电转换，得到N个电信号的N个光电探测器；[0014]用于采用所述电信号对振动进行定位的处理模块；
[0015]所述波分复用器分别与所述脉冲激光产生模块和所述耦合模块电连接，所述耦合模块分别与所述测量光纤和所述第一解波分复用器电连接，所述第一解波分复用器通过N个所述光电探测器与所述处理模块电连接。
[0016]在本实用新型实施例的一种实现方式中，每一路所述脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔均等于T，且不属于同一路所述脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔为
T/N。
[0017]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述脉冲激光产生模块包括N个脉冲激光器。
[0018]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述脉冲激光产生模块包括:
[0019]用于产生N路波长各不相同的连续激光的多波长激光器，N≥2 ;
[0020]用于对所述多波长激光器产生的N路波长各不相同的连续激光进行分离的第二解波分复用器；
[0021]用于在时序信号作用下，将N路所述连续激光转换为N路所述脉冲激光的N个声光调制器；
[0022]所述多波长激光器通过所述第二解波分复用器与N个所述声光调制器电连接。
[0023]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述多波长激光器为超窄线宽多波长激光器。
[0024]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述脉冲激光产生模块包括N个激光器以及与N个所述激光器分别电连接的N个声光调制器。
[0025]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述耦合模块为耦合器或环行器。
[0026]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括:
[0027]掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设于所述波分复用器和所述耦合模块之间。
[0028]本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0029]通过产生N路波长各不相同的脉冲激光，每一路脉冲激光中连续两个脉冲的时间间隔大于等于T，且任意两个连续的属于不同路脉冲激光的脉冲之间的时间间隔小于T，由于N≥2，T=2Ln/C, L为测量光纤的长度，C为真空光速，η为测量光纤纤芯折射率，因此可以保证测量光纤中同时存在至少2个不同波长的脉冲传输，由于不同波长的脉冲同时在测量光纤中传输，不会产生干扰等现象，因此避免了现有技术只允许测量光纤中同时存在一个脉冲激光，导致信号采样频率低的问题，提高了振动信号采样频率，使得采样得到的振动信号更加完整。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1是本实用新型实施例一提供的基于COTDR的振动检测装置结构示意图；[0032]图2是本实用新型实施例二提供的基于COTDR的振动检测装置结构示意图；
[0033]图3是本实用新型实施例二提供的测量光纤中脉冲激光时序图。
【具体实施方式】
[0034]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
[0035]实施例一
[0036]本实用新型实施例提供了一种基于COTDR的振动检测装置，参见图1，该装置包括:
[0037]测量光纤101 ；
[0038]脉冲激光产生模块102，用于提供N路波长各不相同的脉冲激光，每一路脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔大于等于T，且不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔小于T，其中，T=2Ln/C, L为测量光纤的长度，C为真空光速，η为测量光纤纤芯折射率，N≥2 ;
[0039]波分复用器103，用于对N路脉冲激光进行复用；
[0040]耦合模块104，用于将复用后的脉冲激光输入测量光纤101，并输出复用后的脉冲激光在测量光纤101中传输时产生的后向瑞利散射光；
[0041]第一解波分复用器105,用于对f禹合模块输出的后向瑞利散射光进行分离,产生N个波长各不相同的瑞利散射光；
[0042]N个光电探测器106，用 于对分离出的N个波长各不相同的瑞利散射光进行光电转换，得到N个电信号；
[0043]处理模块107，用于采用电信号对振动进行定位。
[0044]其中，波分复用器103分别与脉冲激光产生模块102和耦合模块104电连接，耦合模块104分别与测量光纤101和第一解波分复用器105电连接，第一解波分复用器105通过N个光电探测器106与处理模块107电连接。
[0045]本实用新型实施例通过产生N路波长各不相同的脉冲激光，每一路脉冲激光中连续两个脉冲的时间间隔大于等于Τ，且任意两个连续的属于不同路脉冲激光的脉冲之间的时间间隔小于Τ，由于N≥2，T=2Ln/C，L为测量光纤的长度，C为真空光速，η为测量光纤纤芯折射率，因此可以保证测量光纤中同时存在至少2个不同波长的脉冲传输，由于不同波长的脉冲同时在测量光纤中传输，不会产生干扰等现象，因此避免了现有技术只允许测量光纤中同时存在一个脉冲激光，导致信号采样频率低的问题，提高了振动信号采样频率，使得采样得到的振动信号更加完整。
[0046]实施例二
[0047]本实用新型实施例提供了一种基于COTDR的振动检测装置，参见图2，该装置包括:
[0048]多波长激光器201、第二解波分复用器202、第一声光调制器203、第二声光调制器204、第三声光调制器205、波分复用器206、稱合模块207、第一解波分复用器208、第一光电探测器209、第二光电探测器210、第三光电探测器211和数据采集处理板卡212。
[0049]其中，多波长激光器201，用于提供3路波长各不相同的激光；[0050]第二解波分复用器202，用于对多波长激光器产生的3路波长各不相同的激光进行分离；
[0051]第一声光调制器203、第二声光调制器204和第三声光调制器205，用于在时序信号的控制下，分别将3路波长各不相同的激光转换成3路波长各不相同的脉冲激光，且每一路脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔大于等于T，且不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔小于T，其中，T=2Ln/C, L为测量光纤的长度，C为真空光速，η为测量光纤纤芯折射率；
[0052]波分复用器206，用于对3路脉冲激光进行复用；
[0053]耦合模块207，用于将复用后的脉冲激光输入测量光纤213，并输出复用后的脉冲激光在测量光纤213中传输时产生的后向瑞利散射光；
[0054]第一解波分复用器208,用于对f禹合模块输出的后向瑞利散射光进行分离,产生3个波长各不相同的瑞利散射光；
[0055]第一光电探测器209、第二光电探测器210和第三光电探测器211，用于对分离出的3个波长各不相同的瑞利散射光进行光电转换，得到3个电信号；
[0056]数据采集处理板卡212，用于采用电信号对振动进行定位。
[0057]由于不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔小于Τ，因此在保证测量光纤中不会存在两个相同波长的脉冲的前提下，其采样频率3 2/Τ，从而与现有技术相比，提高了采样频率。
[0058]进一步地，上述不同路脉冲可能存在脉冲重叠的情况，上述不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲不包括该脉冲重叠的情况。
[0059]其中，多波长激光器201通过第二解波分复用器202与第一声光调制器203、第二声光调制器204和第三声光调制器205的输入端电连接，第一声光调制器203、第二声光调制器204和第三声光调制器205的输出端同时与波分复用器206电连接，耦合模块207同时与波分复用器206、测量光纤201和第一解波分复用器208电连接，第一解波分复用器208通过第一光电探测器209、第二光电探测器210和第三光电探测器211与数据采集处理板卡212电连接。
[0060]进一步地，数据采集处理板卡212，还用于产生时序信号，并将时序信号作用于上述3个声光调制器，以产生3路脉冲激光。
[0061]优选地，每一路脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔均等于Τ，且不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔为Τ/Ν，即Τ/3，此时，该装置的信号采样频率为 3/Τ。
[0062]在本实用新型实施例中，每一路脉冲激光中的两个连续的脉冲的时间间隔均大于等于Τ，且任意不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔小于Τ，这样既保证了测量光纤中每种波长的脉冲只会同时存在一个，又保证了测量光纤中同时存在至少两个波长各不相同的脉冲，使得其采样频率> 2/Τ，从而与现有技术相比，提高了采样频率。
[0063]进一步地，上述不同路脉冲可能存在脉冲重叠的情况，上述不属于同一路脉冲激光的两个连续的脉冲不包括该脉冲重叠的情况。
[0064]在本实用新型实施例的上述实现方式中，采用多波长激光器201、第二解波分复用器202以及N (Ν=3)个声光调制器作为脉冲激光产生模块，来产生N路波长各不相同的脉冲激光。在本实用新型实施例的另一种实现方式中，脉冲激光产生模块还可以包括N个激光器和N个声光调制器，N个激光器与N个声光调制器一一对应设置，从而产生上述N路波长各不相同的脉冲激光。在本实用新型实施例的另一种实现方式中，脉冲激光产生模块还可以包括N个脉冲激光器，从而产生上述N路波长各不相同的脉冲激光。
[0065]在本实用新型的上述实现方式中，采用数据采集处理板卡212作为处理模块来进行时序控制和信号处理。容易知道，在其他实现方式中，还可以采用微型计算机、单片机等作为处理模块。
[0066]其中，耦合模块207可以为耦合器或环行器。
[0067]其中，多波长激光器201可以为超窄线宽多波长激光器。
[0068]进一步地,该装置还包括:
[0069]掺铒光纤放大器214，用于对脉冲激光进行能量放大，掺铒光纤放大器设于波分复用器和耦合模块之间。
[0070]数据采集处理板卡212可以以T/3为时序间隔，产生时序信号，进而控制第一声光调制器203、第二声光调制器204和第三声光调制器205，使得3路脉冲激光中依次产生脉冲λ” λ2、λ3。从而使得复用后的脉冲激光中的脉冲之间的空间间隔和时间间隔更平均。参见图3，在tl时刻测量光纤中的脉冲激光中脉冲依次为λ P λ 2、λ 3，在t2时刻测量光纤中的脉冲激光中脉冲依次为λ2、λ3、λ i，在t3时刻测量光纤中的脉冲激光中脉冲依次为λ 3、λ η λ 2，在t4时刻测量光纤中的脉冲激光中脉冲依次为λ η λ2、λ 3。
[0071]数据采集处理板卡212对N (Ν=3)个电信号的电压进行平均，得到平均电信号，检测平均电信号中是否存在信号突变，当平均电信号中存在信号突变时，确定测量光纤周围存在振动，并对振动进行定位。其中，信号突变是指平均电信号的电压值突变，即电压值的相位超过预定范围。具体地，对振动进行定位，可以采用如下方式:对电信号进行采样，从脉冲产生的时刻开始的时间段T内，采样a个点；确定突变信号点所处的位置，例如突变点为第b个，b < a ;根据突变信号点所处的位置，即可确定该振源处于距测量光纤入射端的距离为测量光纤长度b/a的位置。例如，采用100个点时，第20个点发生突变，则可确定该振源处于距测量光纤入射端的距离为测量光纤长度1/5的位置。
[0072]其中，数据采集处理板卡212采用与脉冲激光产生模块相同的时钟信号，从而可以更准确地进行振源的定位。
[0073]本实用新型实施例通过产生N路波长各不相同的脉冲激光，每一路脉冲激光中连续两个脉冲的时间间隔大于等于T，且任意两个连续的属于不同路脉冲激光的脉冲之间的时间间隔小于T，由于N≤2，T=2Ln/C，L为测量光纤的长度，C为真空光速，η为测量光纤纤芯折射率，因此可以保证测量光纤中同时存在至少2个不同波长的脉冲传输，由于不同波长的脉冲同时在测量光纤中传输，不会产生干扰等现象，因此避免了现有技术只允许测量光纤中同时存在一个脉冲激光，导致信号采样频率低的问题，提高了振动信号采样频率，使得采样得到的振动信号更加完整。
[0074]上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0075]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。[0076]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于相干光时域反射的振动检测装置，其特征在于，所述装置包括: 测量光纤； 用于提供N路波长各不相同的脉冲激光，每一路所述脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔均大于等于T，且不属于同一路所述脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔小于T的脉冲激光产生模块，其中，T=2Ln/C, L为所述测量光纤的长度，C为真空光速，η为所述测量光纤纤芯折射率，Ν^2； 用于对N路所述脉冲激光进行复用的波分复用器； 用于将复用后的所述脉冲激光输入所述测量光纤，并输出复用后的所述脉冲激光在所述测量光纤中传输时产生的后向瑞利散射光的耦合模块； 用于对所述I禹合模块输出的所述后向瑞利散射光进行分离，产生N个波长各不相同的瑞利散射光的第一解波分复用器； 用于对分离出的所述N个波长各不相同的瑞利散射光进行光电转换，得到N个电信号的N个光电探测器； 用于采用所述电信号对振动进行定位的处理模块； 所述波分复用器分别与所述脉冲激光产生模块和所述耦合模块电连接，所述耦合模块分别与所述测量光纤和所述第一解波分复用器电连接，所述第一解波分复用器通过N个所述光电探测器与所述处理模块电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一路所述脉冲激光中两个连续的脉冲的时间间隔均等于Τ，且不属 于同一路所述脉冲激光的两个连续的脉冲之间的时间间隔为Τ/Ν。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光产生模块包括N个脉冲激光器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光产生模块包括: 用于产生N路波长各不相同的连续激光的多波长激光器，Ν^2； 用于对所述多波长激光器产生的N路波长各不相同的连续激光进行分离的第二解波分复用器； 用于在时序信号作用下，将N路所述连续激光转换为N路所述脉冲激光的N个声光调制器； 所述多波长激光器通过所述第二解波分复用器与N个所述声光调制器电连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多波长激光器为超窄线宽多波长激光器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光产生模块包括N个激光器以及与N个所述激光器分别电连接的N个声光调制器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述耦合模块为耦合器或环行器。
8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设于所述波分复用器和所述耦合模块之间。
【文档编号】G01H9/00GK203519149SQ201320541776
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】张金权, 李香文, 王飞, 李 东, 刘素杰, 赵锋, 韩建强, 田珍辉, 厉宇, 郭戈, 费雪松, 杨嵩 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局, 中国石油天然气管道通信电力工程总公司