[发明专利]基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法，属于分布式光纤传感器技术领域，包括光源模块、调制模块、延迟模块、耦合模块、脉冲放大模块、前置放大模块、分光系统、干涉模块、信号检测模块、数据处理终端。本发明使用多个光源组合，在一个周期T内注入n个波长的光，通过光纤延迟线控制延迟时间，使光脉冲按照特定顺序依次注入传感光纤，这n个光脉冲产生的后向瑞利散射光通过不同中心反射波长的光栅分开，进入光电探测器后进行光电转换，通过AD采集后得到n条彼此相互独立的OTDR曲线，通过解调n条OTDR曲线，得到n个重复频率为f的相位信息，将n条解调后曲线经过数组交织形成最终结果。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法。

背景技术

分布式光纤传感是光纤传感领域的一个重要应用，相比于点式传感器，分布式传感器优势明显，其成本低，加工方便等优点得到很多应用的优势，在周界安防，管道检测，地质勘探，分布式测温等领域内已经占有明显的市场优势，它可以实时的检测光缆沿线的振动、温度、应变等物理量，市场前景良好。

目前，分布式测量的系统主要基于后向散射原理，这种系统的原理是利用后向散射光的性质变化来实现探测，包括后向散射光的相位、偏振态、频率变化等。常用的原理包括相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR),偏振敏感型光时域反射仪(P-OTDR)，布里渊光时域反射仪(B-OTDR)，拉曼光时域反射仪(R-OTDR)。其中相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR)尤其适合长距离，高空间分辨率，高信噪比的使用场合。可用于振动探测、声音传感、周界安防等领域。

Φ-OTDR的基本原理是通过解调光纤中注入的脉冲光产生的后向瑞利散射光的相位变化来实现相位解调。当振动等作用到光纤上时，这个力将会改变光纤轴向上的折射率，进一步引起该位置的光相位发生变化，通过分析光相位变化即可得到振动信号。目前常用的分布式传感系统中，常见的探测解调方案包括3×3耦合器解调、相位生成载波解调方案、数字相干解调方案，这些方案中每次注入传感光纤中的光脉冲最多只有一个。因为若注入超过多个光脉冲，前一个光脉冲产生的后向瑞利散射光会与后一个产生的瑞利散射光发生混叠，表现为两个脉冲的后向瑞利散射光强的一部分发生重复，无法解调出重复部分的相位。

因此随着光纤长度的增加，脉冲的最大重复频率会降低，最大重复率与光纤长度关系为f＝2nl/c，其中n为光纤有效折射率。Φ-ODTR系统中注入光纤中的一个个光脉冲，本质是对光纤上个点位置的离散采样，因此根据香农采样定律，该系统对振动信号的最大探测频率为nl/c。实际情况中，由于振动信号几乎不可能为单频信号，故实际探测最大频率通常为nl/2c。在一个100Km系统中，计算所得最大重复频率为1KHz，在不进行降采样实际探测最大频率仅仅为250Hz，这对于高频振动及声波的探测是无法实现的。若在保证探测最大频率的情况下则需要10套10Km系统，这将极大提高系统成本。使用单光源配合移频器结合平衡探测器解调等方案将单光源功率分光N次后，功率将下降至信噪比将随着N增加快速劣化。同时使用N个不同步信号控制N个不同频移器也提高了系统复杂度与成本，且不加入混频器滤波器等电路器件。而采用全光方案结合多光源，不使用光功率分配器件，不会造成单个脉冲功率下降。使用光栅与环形器的结合使不同波长的光在空间上分开，同时解调使用光纤干涉仪，相比于平衡探测器的方案，有效减少电路器件，更有利于提高系统抗电磁辐射能力。

发明内容