随机位置点光纤分布式声波传感装置制造方法
【专利摘要】一种随机位置点光纤分布式声波传感装置，它包括DFB光纤激光器，声光调制器，第一光放大器，环形器，探测光纤；由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到耦合器并连接第一法拉第旋转镜，耦合器通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，耦合器输出光信号至第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调系统。采用基于背相瑞利散射的声波位置测量装置与基于迈克耳逊干涉的声波相位测量装置通过同一根探测光纤互相结合的方案，无需时分复用技术。
【专利说明】随机位置点光纤分布式声波传感装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种随机位置点光纤分布式声波传感装置。
【背景技术】
[0002]声波测量技术在海洋油气资源勘探开发，井下的微地震、声速、流量等方面均有着广泛的应用。而传统的声波测量方法都存在装置体积大、测量范围受放大器件限制等问题，并且传统的声波测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的声波测量系统势在必行。
[0003]现有技术中基于光纤技术的声波传感系统研究已经非常广泛,对于声波相位多米用光纤光栅探头或电探头的点声波传感器，此种传感系统只能测量探头附近位置的声波相位信息；对于声波位置多采用基于光时域反射技术的光纤分布式传感器，此种传感系统只能确定声源在传感光纤上的位置，对声源本身的信息却难以得知。综上现有的测量手段一般都存在声波相位测量和声波位置测量难以兼顾的问题。如果要同时对随机位置声源的声波相位和位置进行监测，则必须在测量空间内布置两套系统，一套用于声波相位测量，另一套用于声波位置测量，不仅需要铺设一条位置传感光纤，还需要在测量范围内搭配大量的声波相位传感器以覆盖整个测量范围，对于在背向反射光中解调声波相位，系统普遍还需采用复杂的时分复用技术，造成系统成本大量增加。现有技术中，在具体应用前述两种测量手段时，两种测量装置均需要分别搭设，即为配合测量声波位置，不仅需要铺设一条位置传感光纤，还需要在测量范围内搭配大量的声波相位传感器以覆盖整个测量范围，才能获得此声波的相位信息；对于在背向反射光中解调声波相位，系统普遍还需采用复杂的时分复用技术；另外，相应的光源提供装置、滤波装置、混频装置等设备也均需为两种测量装置分别单独设置。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种随机位置点光纤分布式声波传感装置。
[0005]一种随机位置点光纤分布式声波传感装置，它包括分布反馈式(DistributedFeedback, DFB)光纤激光器(以下简称DFB光纤激光器)，接收DFB光纤激光器输出正向入射光信号的声光调制器，接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光放大器，第一光放大器输出的正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器Cl端，从环形器C2端送至探测光纤；
[0006]由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；
[0007]穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到2X2稱合器的Pl端,2X2稱合器的P2端通过光纤连接第一法拉第旋转镜，2X2耦合器的P4端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，2X2耦合器的P2端输出光信号至第二光电探测器,第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调系统。
[0008]本方案的具体特点还有，从2X2耦合器P3端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从2X2耦合器P4端到第二法拉第旋转镜的光纤长度的差s为系统空间分辨率的整数倍。
[0009]第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器，第二光放大器是指第二脉冲掺铒光纤放大器。
[0010]前述结构的工作原理是:
[0011]I)声波位置信息测量:采用窄线宽、低噪声的DFB光纤激光器作为光源，然后经声光调制器成正向入射脉冲，再经第一光放大器和第一光滤波器后入射到环行器Cl端。环行器C2端连接探测光纤，探测光纤的后向瑞利散射信号通过环行器C3端，经第二光放大器和第三光滤波器后直接进入第一光电探测器，后由光纤信号解调系统进行级差叠加等相关处理后，即可得到振动位置信号。当脉冲脉宽为τ，周期为T的脉冲激光进入探测光纤，根据光纤分布式测量原理可以得出激光脉宽τ与系统空间分辨率Λ L之间的:Λ L=CT/2n，c为光在真空中的速度3X 108m/s，n为光纤折射率约为1.5。前述“声波位置信息测量”处理过程中所涉及到的装置，即形成本实用新型的第一光纤分布式传感装置；
[0012]2)声波相位信息测量:从探测光纤出射的正向入射脉冲光，经过光隔离器、第二光滤波器之后，进入由2X2耦合器、 相位调制器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜组成的臂长差为s的迈克耳逊干涉仪(s为Λ L的整数倍)，实现不同时间处正向入射脉冲信号的干涉，进入Ρ3端口的光未加相位调制与时延被第一法拉第旋转镜反射(如图2所示)，进入Ρ4端口的光附加相位调制与时延被第二法拉第旋转镜反射(如图3所示)，两束光在2 X 2耦合器处发生干涉如图4所示，从Ρ2端出射的干涉信号记录了单位长度上的声波相位信号，输出至第二光电探测器，通过下面的解调算法就可以解调还原出被记录在干涉信号上的声波相位信号。
[0013]相位载波解调原理:
[0014]根据光的相干原理，第二光电探测器上的光强I可表示为:
[0015]I=A+BcosC> (t)(I)
[0016]式(I)中:A是干涉仪输出的平均光功率，Β=κΑ, K≤I为干涉条纹可见度。Φ (t)是干涉仪的相位差。设Φ (t) zCcoso^t+ct (t)，则式(I)可写为:
[0017]I=A+Bcos [Ccos ω 0t+ Φ (t) ](2)
[0018]式(2)中Ccos ω。!:是相位载波;Φ (t) =Dcos ω3? +Ψ (t), Dcoscost 是传感光纤声场信号引起的相位变化，ψα)是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式(2)用Bessel函数展开得:
[0019]
【权利要求】
1.一种随机位置点光纤分布式声波传感装置，它包括DFB光纤激光器，接收DFB光纤激光器输出正向入射光信号的声光调制器，接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光放大器，第一光放大器输出正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器Cl端,再从环形器C2端送至探测光纤；由探测光纤返回的光信号经环形器的C3端输出并经第二光放大器送至第三光滤波器，第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器；穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器，第二光滤波器输出光信号到2X2耦合器的Pl端，2X2耦合器的P2端通过光纤连接第一法拉第旋转镜，2X2耦合器的P4端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜，2 X 2耦合器的P2端输出光信号至第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调系统。
2.根据权利要求1所述的随机位置点光纤分布式声波传感装置，其特征是从2X2耦合器P3端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从2X2耦合器P4端到第二法拉第旋转镜的光纤长度的差s为系统空间分辨率的整数倍。
3.根据权利要求1所述的随机位置点光纤分布式声波传感装置，其特征是第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器。
【文档编号】G01S17/06GK203561437SQ201320688158
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】王晨, 刘小会, 尚盈, 王昌, 彭纲定, 郭士生 申请人:山东省科学院激光研究所