[发明专利]一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法

说明书

本发明公开了一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法，装置包括激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光学滤波器、光纤环形器、雪崩光电二极管、信号采集卡、脉冲发生器、传感光纤，同时还公开了一种基于具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置的方法。本发明能够在不降低系统频率响应范围的前提下，实现空间分辨率与振动作用范围的匹配，达到系统性能最优化。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，许多大型基础设施已经入大规模建设阶段。加上已经建成的基础设施，对这些长距离、大规模的基础设施的结构健康状态的可靠监测有迫切的需求。寻找有效的监测系统已成为研究的热点。分布式光纤传感系统由于具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感、体积小、易于安装埋设等优点，已经应用到很多结构健康检测领域。

对于需要检测振动的应用，例如结构健康监测和入侵检测，由于具有高灵敏度、快速响应和高灵敏度的特性，对于这些应用敏感的相位敏感型光时域反射计(phase-sensitive optical time domain reflectometer，Φ-OTDR)越来越受到人们的关注。在Φ-OTDR传感系统中，空间分辨率(spatial resolution，SR)被定义为可以区分的两个相邻振动事件之间的最短距离。在幅度检测型Φ-OTDR感测系统中，由于背向瑞利散射光的随机性质，Φ-OTDR信号容易衰落，并且其信噪比(signal to noise ratio，SNR)也容易受空间与时间影响。与幅度检测型Φ-OTDR相比，相位检测型Φ-OTDR显著提高了对弱振动事件的敏感性，并具有重建振动事件波形的能力。因此，相位检测型Φ-OTDR近年来一直是研究的热点。较高的信噪比意味着更可靠的信号，而信噪比实际上与空间分辨率和振动区域的长度有关。由于无法预知振动区域长度，不可能匹配合适的空间分辨率来实现最佳测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术在同一个传感系统中难以同时实现高信噪比的不同长度振动区域测量方面的问题，而提供一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置，可以同时实现对不同长度的振动区域的高信噪比的测量，对单一未知长度振动也能匹配到相对较佳的信噪比，测量结果更可靠。

首先，研究了空间分辨率与Φ-OTDR性能之间的关系，并通过实验验证了空间分辨率(SR)和信噪比(SNR)的关系模型。然后，设计了基于三脉冲频分复用的具有多空间分辨率性能的传感装置，可以在单次测量中获得多空间分辨率(multi-spatial resolution，MSR)的测量结果。通过使用这种提出的MSR传感系统，SR和振动区域的长度可以尽可能地匹配。因此，可以在不降低检测频率范围的情况下获得Φ-OTDR传感系统的性能优化。