[发明专利]一种光频域反射光纤传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感系统，特别涉及到一种基于光频域反射的光纤传感系统，是一种利用光纤作为传感介质系统。

技术背景

近年来，光纤传感技术有了大大发展。光纤有着自身特殊的优点，例如价格低廉，普通的单模裸光纤成本只有每公里不到100元，普通的多模裸光纤价格在每公里300元以下；易于安装，隐蔽性好，并且由于光纤不含任何金属成分，无法用探测器探测到光纤的存在；不受电磁干扰，光纤不含金属成分且内部传输的为光信号而非电信号，因此对于电磁的干扰完全免疫，在恶劣的天气条件下如雷电天气也可以完全正常运行，在电力节点的附近也可以正常工作；光纤在正常工作时内部不传输电信号，因此在某些敏感场所不会造成电引发的安全隐患；并且光纤的寿命较高，可以正常工作达30年以上。

在光纤传感技术中，分布式光纤传感技术具有较高的性能。在分布式的光纤传感技术中，光纤不仅作为传感介质从而保证连续不断的探测，还同时作为信号传输的通道，因此相比起普通的点式传感技术有较大的优点。在现有的分布式光纤传感技术中，主要基于两种原理：光时域反射技术(Optical Time-Domain Reflectometry，OTDR)和光频域反射技术(Optical Frequency-Domain Reflectometry，OFDR)。前者本质为时分复用技术，被广泛应用于通信光纤探伤、分布式温度及应力监测系统中。但是OTDR技术有着其固有的缺点，由于光纤的背向散射信号及其微弱，需要对其进行大量的平均才能得到所需的信噪比，只能进行静态或变化缓慢的参数监测，一次它们不能捕捉瞬时事件；并且由于OTDR采用脉冲调制技术，对于较长距离的应用脉冲占空比极低，造成信号较小，限制了其最大应用距离；在精度要求十分高比如厘米及以下的量级上，要求激光脉冲的宽度十分小，是比较难以达到的。

因此人们又发明了OFDR技术来实现长距离的或者精度要求极高的传感要求。OFDR借鉴了雷达技术中的连续波调制(Frequency-modulatedcontinuous wave，FMCW)技术，其本质是频分复用技术。通过对光源输出的激光频率进行连续的调制并入射到探测光纤中，进而在同一时刻，探测光纤上的每一点对应的光频率不相同，产生的瑞利背向散射光频率也就各不相同，因此可以利用探测返回光信号的频率信息来确定外界扰动的位置。

在Brain Culshaw和Join Dakin的经典著作《Optical FiberSensors》里面就提到了光频域反射系统，传统的OFDR系统如图1所示，窄线宽激光器1经频率调制后射入到3dB光纤耦合器2，并进入探测臂的单模光纤3，在单模光纤3中的各处都会产生瑞利散射，其中瑞利背向散射部分经由单模光纤3返回3dB光纤耦合器2。3dB光纤耦合器2出射的另一端作为参考臂，有部分光被反射。探测臂的瑞利背向散射光信号和参考臂反射的光信号进行相干探测，会在光电探测器4处产生两个光信号的拍频信号。利用频谱分析仪5分析此拍频信号，可以得到实时的分布式干扰信息。

标准单模光纤中瑞利背向散射的强度十分低，为入射光强度的-81dB左右。激光经过3dB耦合器后，只有不到1/2的光进入探测光纤，再产生瑞利背向散射光并返回，在3dB耦合器处又损耗掉1/2多，在本来瑞利背向散射光强度就很弱的情况下，这样的损耗是很关键的。

因此我们需要一种能够充分利用光源的强度并且能够接收大部分瑞利背向散射光的办法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有问题的不足，提出了一种光频域反射传感系统，在此技术中，我们利用了光环形器来充分利用激光光源的强度并且接收大部分瑞利背向散射光，因此大大的提高了探测信号光的强度并且提高了整个系统的信噪比。

本发明提供的技术方案如下：

一种光频域反射的光纤传感系统，其特征在于，该系统主要结构包括激光器、第一光纤耦合器、光环形器、第二光纤耦合器、光电探测单元和频谱分析单元；所述激光器发出的激光被第一光纤耦合器分为探测光和参考光，探测光入射至光环形器的第一端口，并从第二端口出射进入探测光纤，探测光纤中产生的瑞利背向散射光入射至光环形器第二端口并从第三端口出射，出射的瑞利背向散射光与参考光入射至第二光纤耦合器中并被光电探测单元所探测，测得的信号输入至频谱分析单元。

所述的第一光纤耦合器及第二光纤耦合器分光比为10∶90至0.001∶99.999。

所述的光电探测单元为PIN光电二极管模块、或为雪崩光电二极管模块。