专利名称：一种全分布式光纤应变及振动的传感方法与传感器的制作方法
技术领域：
本发明是一种对应变及振动进行全分布式监测的光纤传感设备，尤其是一种结合 布里渊光时域反射(BOTDR)技术和偏振光时域反射(POTDR)技术能够同时对应变及振动进 行全分布式监测的光纤传感设备。
背景技术：
由于当光纤受到外界环境(如温度，压力，振动等)影响时，光纤中传输光的强度， 相位，频率，偏振态等参量将会相应的发生变化，通过测量传输光的这些参量便可以获得相 应物理量，这种技术称为光纤传感技术。分布式光纤传感技术以光纤为传感元件，可以获取传感光纤区域内随时间和空间 变化的事件的分布信息，因此可以利用分布式光纤传感技术对传感光纤区域内的应变及振 动进行全分布式的测量。相对于传统的电量型传感器，光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小，价 格便宜，可进行远距离分布式测量的优点，因此自2 O世纪7 O年代末以来，光纤传感技术 得到了广泛的发展，出现了基于瑞利散射，布里渊散射，拉曼散射等的全分布式光纤传感技 术，其中布里渊光时域反射(BOTDR)技术及偏振光时域反射(POTDR)技术是两种较为常见 的全分布式光纤传感技术。1)光纤受应变影响时，光波在其中产生的布里渊散射光的频率会发生偏移，称为 布里渊频移。频移量的大小与光纤所受应变的大小成正比。布里渊光时域反射(BOTDR)技 术是通过向光纤中注入脉冲光，并测量脉冲光在光纤传播过程中连续产生的布里渊散射光 的布里渊频移，进而确定出光纤沿线各个位置的应变信息。BOTDR技术是目前为止最主要的 一种可准确测量光纤中应变大小的全分布式光纤传感技术。但是BOTDR技术对振动的测量 能力较弱。因为尽管理论上光纤在受到外界的影响产生振动时会同时产生应变，但是，一方 面由于微小振动引起的微弱应变对布里渊频移产生的影响较小，另一方面BOTDR技术对应 变的测量速度较慢，通常需要十几秒以上的时间，因此BOTDR技术难以用于测量振动。2)偏振光时域反射(POTDR)技术同样是向光纤中注入脉冲光。但它通过测量脉冲 光在光纤沿线返回的散射光的偏振态的变化来确定光纤沿线各个位置的外部事件，从而进 行全分布式测量。由于光纤中光波偏振态的变化对外部事件的响应非常灵敏，因此可以用 来测量微弱的外部事件。同时由于POTDR技术通过光强信号来判断散射光偏振态的变化， 响应时间短，故可以用来测量较大频率范围的振动。通常可测量IOKHz以内的振动。但由 于光纤受到的应变与偏振态的变化并非一一对应的关系，而且POTDR技术多采用与前次测 量比较的方法判断光纤的状态，因此POTDR技术难以对准静态的应变及较大的应变进行检 测。将BOTDR系统和POTDR系统结合在一起，可在同一根传感光纤上实现同时对应变 和振动的监测，整体成本比两个系统的单独叠加小很多。另外，相比于单一的BOTDR系统和 POTDR系统，在判断外部事件时，两个系统同时工作，系统错报、漏报的机会会更小。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以同时测量应变和振动变化的全分布式光纤传感器。本发明技术方案是为了达到上述目的，本发明提供一种全分布式光纤应变及振 动传感方法与传感器。所述传感器包括激光器(1)，第一耦合器(2)，脉冲调制模块(3)，光 放大器(4)，环形器(5)，传感光纤(6)，光纤光栅(7)，扰偏器(8)，第二耦合器(9)，平衡光 电探测器(10)，检偏器(11)，光电探测器(12)，信号处理单元(13)。激光器(1)输出的连续光经第一耦合器(2)后分为两路其中一路作为参考光，经 扰偏器(8)后接入到第二耦合器(9)的第一输入端；第二路经脉冲调制模块(3)和光放大器 (4)后作为探测脉冲光注入环形器(5)第一端口。探测脉冲光由环形器(5)第二端口入射 到传感光纤(6)中。探测脉冲光在传感光纤(6)中产生的瑞利散射光和布里渊散射光返回 到环形器(5 )的第二端口，并由环形器(5 )第三端口出射连接光纤光栅(7 )使布里渊散射光 透射，同时将瑞利散射光反射；透射的布里渊散射光进入到第二耦合器(9)的第二输入端 与参考光在第二耦合器(9)中形成的混合信号经第二耦合器(9)的两个输出端输入到平衡 光电探测器(10)中被转换为电信号，然后进入信号处理单元(13)进行处理。光纤光栅(7)反射的瑞利散射光经环形器(5)的输出端口连接检偏器(11)、光电 探测器(12)后进入到信号处理单元(13)。本发明可通过对反射的瑞利散射光透射的布里渊散射光同时进行处理，利用布 里渊散射光和瑞利散射光，分别采用布里渊光时域反射(BOTDR)技术和偏振光时域反射 (POTDR)技术对的应变和振动进行全分布式传感。通过利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术测量经光纤光栅(7)透射的布里渊光的 频移，对应变进行全分布式的监测；同时利用偏振光时域反射(POTDR)技术测量经光纤光 栅(7)反射的瑞利散射光偏振态的变化，对振动进行全分布式的监测。经第一耦合器(2)后的第一路中接有扰偏器，第二路中没有扰偏器。环形器(5)可以是四端口环形器，或者是两个三端口的环形器相连而成(第一个三 端口环形器的第三端口与第二个三端口的环形器的第一端口相连)。选用的激光器(1)的线宽不超过IOMHz，其优选工作波段为SOOnm到1700nm范围 内的光纤通信波段。。选用的光纤光栅(7)的中心波长为激光器(1)的中心波长，3dB带宽小于由 2fivjic决定的宽度，能够反射瑞利散射光并透射布里渊散射光。其中为传感光纤(6)
的折射率，Va为传感光纤(6)中的声速^力激光器(1)的中心波长，c为真空中的光速。全分布式光纤应变及振动传感方法，经光纤光栅(7)反射出的瑞利信号，通过检偏 器(11)和光电探测器(12)后，进入到信号处理单元(13)，经处理后，获取瑞利散射光的偏 振态变化信息，利用偏振光时域反射(POTDR)方法对振动进行全分布式的监测，经光纤光栅 (7)透射出的布里渊信号光与参考光经第二耦合器(9)进入到平衡光电探测器(10)中，进 行相干探测，再经信号处理单元(13)获得布里渊散射光的频移量信息，利用布里渊光时域 反射(BOTDR)方法对应变进行全分布式的监测。全分布式光纤应变及振动传感器的检测方法，经光纤光栅(7)透射出的布里渊信号光与参考光经第二耦合器(9)进入到平衡光电探测器(10)中，进行相干探测，再经信号 处理单元(13)获得布里渊散射光的频移量信息，以此确定外部应变事件，此路利用的是布 里渊光时域反射(BOTDR)技术；
本发明有益效果是本发明结合了 BOTDR技术和POTDR技术，本发明同时利用布里渊 光时域反射(BOTDR)和偏振光时域反射(P0TDR)，在单根光纤上分别对应变及振动进行全 分布式测量，仅利用一根传感光纤可以同时测量应变事件和振动事件，克服了单一的BOTDR 系统和POTDR系统所存在的功能单一的缺点，并且大幅度降低了系统的误报、漏报率。大大 提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，整体成本比两个系统的单独叠加小很多。
图1为本发明提供的一种全分布式光纤应变及振动传感器结构图； 图2 (a)为普通四端口环形器结构图2 (b)为由两个三端口环形器构成的四端口环形器的结构图；①-④为端口。
具体实施例方式一种全分布式应变及振动传感器的结构如图1，其对应变及振动进行测量的具体 实施步骤如下
1)激光器(1)输出的连续光经第一耦合器(2)后分为两路；
2)其中一路作为参考光，经扰偏器(8)后接入到第二耦合器(9)的第一输入端；
3)第二路经脉冲调制模块(3)调制成脉冲光，并通过光放大器(4)后作为探测脉冲 光经环形器(5 )注入到传感光纤(6 )中。4)传感光纤(6)中的瑞利散射光和布里渊散射光返回后从环形器(5)的第三端 口射出。5)光纤光栅(7)使布里渊散射光透过，并将瑞利散射光反射。6) 透射的布里渊散射光进入到第二耦合器(9)的第二输入端，与参考光在第二 耦合器(9)中形成的混合信号经第二耦合器(9)的两个输出端输入到平衡光电探测器(10) 中被转换为电信号，然后进入信号处理单元(13)进行处理，经信号处理单元(13)处理后， 得到布里渊频移量，从而实现对传感光纤区域范围内的应变的全分布式传感。7) 反射的瑞利散射光从环形器(5)的第四端口输出，经检偏器(11)，光电探测 器(12)后进入到信号处理单元(13)。经信号处理单元(13)处理后，得到瑞利散射光的偏 振态变化情况，从而实现对传感光纤区域范围内的振动的全分布式传感。作为一个具体实施的例子，设激光器的工作波长Λ为1550nm，线宽为1MHz。它 发出的激光通过耦合器(2)分成了两路，其中一路经电光调制器调制和掺铒光纤放大器放 大后，作为探测脉冲光进入到了传感光纤。传感光纤使用的是普通的通信光纤，其折射率 = 1.46，光纤中的声速4 = 5945m/s。脉冲光在传感光纤光纤中会产生瑞利散射光和布里 渊散射光，其中瑞利散射光的频率与激光器的频率一致，布里渊散射光的频率会产生偏移， 其布里渊频移为h ==。传感光纤受到应变影响时，会使布里渊散射光的布里渊频移发生改变，受到振动影响时，会使瑞利散射光和布里渊散射光的偏振态发生变 化。光纤光栅的中心波长与激光器的波长一致，为1550nm，3dB带宽为= OOPnm
，其中e = 3xl08m/s为真空中的光速。布里渊散射光和瑞利散射光沿光纤返回经光纤光栅 后，布里渊散射光会透过光纤光栅，与耦合器(2)中的另一路光信号一起进入耦合器(9)。 它们的混合信号经响应频率为11. 2GHz左右的平衡光电探测器(10)检测后转换为电信号， 再通过信号处理单元得到布里渊频移的大小，便可实现对应变的全分布式测量。瑞利散射 光被光纤光栅反射后，经过检偏器，输出检偏器的光信号强度会随瑞利散射光偏振态的变 化而变化。这路信号由响应频率为(Γ50ΜΗζ光电探测器(12)转换为电信号后，通过信号处 理单元处理后便可得到光纤中偏振态的变化情况，实现对振动的全分布式测量。
权利要求
1.一种全分布式光纤应变及振动传感器，其特征是包括激光器(1)，第一耦合器(2)， 脉冲调制模块(3)，光放大器(4)，环形器(5)，传感光纤(6)，光纤光栅(7)，扰偏器(8)，第 二耦合器(9)，平衡光电探测器(10)，检偏器(11)，光电探测器(12)，信号处理单元(13)；激 光器(1)输出的连续光经第一耦合器(2)后分为两路其中第一路作为参考光，经扰偏器 (8)后接入到第二耦合器(9)的第一输入端；第二路经脉冲调制模块(3)和光放大器(4)后 作为探测脉冲光注入环形器(5)第一端口 ；探测脉冲光由环形器(5)第二端口入射到传感 光纤(6)中；探测脉冲光在传感光纤(6)中产生的瑞利散射光和布里渊散射光返回到环形 器(5 )的第二端口，并由环形器(5 )第三端口出射连接光纤光栅(7 )使布里渊散射光透射， 同时将瑞利散射光反射；透射的布里渊散射光进入到第二耦合器(9)的第二输入端与参考 光在第二耦合器(9)中形成的混合信号经第二耦合器(9)的两个输出端输入到平衡光电探 测器(10)中被转换为电信号，然后进入信号处理单元(13)进行处理；光纤光栅(7)反射的 瑞利散射光经环形器(5)的输出端口连接检偏器(11)、光电探测器(12)后进入到信号处理 单元(13);通过对反射的瑞利散射光透射的布里渊散射光信号对应变和振动进行全分布式 传感。
2.根据权利要求1所述的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于经第一耦合器 (2)后的第一路中接有扰偏器，第二路中没有扰偏器。
3.根据权利要求1所述的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于环形器(5)是 四端口环形器，或者是两个三端口的环形器相连而成，其中第一个三端口环形器的第三端 口与第二个三端口的环形器的第一端口相连。
4.根据权利要求1所述的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于选用的激光器 (1)的线宽不超过10MHz，其工作波段为800nm到1700nm范围内的光纤通信波段。
5.根据权利要求1所述的全分布式光纤应变及振动传感器，其特征在于 选用的光纤光栅(7)的中心波长为激光器(1)的中心波长，3dB带宽小于由2nvaλ/c决定的宽度，能够反射瑞利散射光并透射布里渊散射光；其中，n为传感光纤(6)的折射率，Va为传感光纤(6)中的声速，λ激光器(1)的中心波长，c为真空中的光 速。
6.根据权利要求1所述的全分布式光纤应变及振动传感方法，其特征在于经光纤光栅 (7 )反射出的瑞利信号，通过检偏器(11)和光电探测器(12 )后，进入到信号处理单元(13)， 经处理后，获取瑞利散射光的偏振态变化信息，利用偏振光时域反射(POTDR)方法对振动进 行全分布式的监测，经光纤光栅(7)透射出的布里渊信号光与参考光经第二耦合器(9)进 入到平衡光电探测器(10)中，进行相干探测，再经信号处理单元(13)获得布里渊散射光的 频移量信息，利用布里渊光时域反射(BOTDR)方法对应变进行全分布式的监测。
全文摘要
全分布式光纤应变与振动传感器，包括激光器(1)，第一耦合器(2)，脉冲调制模块(3)，光放大器(4)，环形器(5)，传感光纤(6)，光纤光栅(7)，扰偏器(8)，第二耦合器，平衡光电探测器，检偏器，光电探测器(12)，信号处理单元。激光器(1)输出的连续光经第一耦合器(2)后分为两路其中第一路作为参考光，经扰偏器(8)后接入到第二耦合器(9)的第一输入端；第二路经脉冲调制模块(3)和光放大器(4)后作为探测脉冲光注入环形器(5)第一端口，本发明同时利用布里渊光时域反射(BOTDR)和偏振光时域反射POTDR，在单根光纤上分别对应变及振动进行全分布式测量，克服了单一的BOTDR或POTDR系统所存在的缺点，并降低了系统的误报、漏报率。
文档编号G01B11/16GK102147236SQ20111000569
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者张旭苹, 王峰, 王祥传 申请人:南京大学