[发明专利]一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法

说明书

本发明属于光纤传感装置领域，提供了线性调频的分布式光纤传感装置及方法。其中该分布式光纤传感装置包括：激光器，用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；导体光放大器，用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光；斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；环形器的第一端口接收脉冲光，第二端口出射的脉冲光进入传感光纤，携带环境物理量的传感光纤瑞利散射回波依次经第二端口和第三端口出射进入雪崩光电二极管后转换为电压信号；处理器，用于根据瑞利散射回波波形沿时间轴的偏移与光纤环境物理量的线性关系，得到传感光纤沿线的物理量测量值。

技术领域

本发明属于光纤传感装置领域，尤其涉及一种线性调频的分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光纤分布式温度测量系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域反射技术对测量点进行定位。由于系统具有本征安全性、抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、能快速多点测量并定位等优点，应用领域十分广泛。目前已用于石油工程、电站、矿井、隧道和大坝等领域的温度监测。

在光纤分布式温度测量系统中，激光器输出脉冲光，由光纤始端注入，脉冲光大部分能量传输到光纤末端而消失，小部分后向散射光波会沿着光纤反射回来。根据拉曼散射光谱的温度效应和光时域反射技术，返回到入射端的光功率同时为光纤位置和环境温度的函数。利用这一原理，可对整条光纤链路进行温度测量，同时对测量点进行准确的定位。

由于拉曼散射信号十分微弱，完全被淹没在噪声中，光纤分布式温度测量系统需要采用弱信号检测技术，从噪声中提取待测信号。由于光纤分布式温度测量系统中噪声的主要成分具有零均值的统计特性，可以利用噪声的统计特性来达到降噪的目的。因此，为提高信噪比，信号处理部分采用采样累积求均值的方法进行降噪，即将一次测量的N点数据依次存储到内存单元中，将下一次测量的N点数据与内存对应单元的数据相加，再放回原内存单元，依次循环M次，然后对各单元求平均。

基于拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤传感技术，通常需要利用多次累加平均抑制噪声，以及频率扫描(布里渊散射)得到频域信息，测量时间较长，仅适合温度等慢变物理量的测量。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，相比于拉曼散射和布里渊散射，需要的累加平均次数较少，更适合应力、振动等动态物理量的测量。特别是相位敏感光时域反射技术的瑞利散射布式光纤传感器，可以实现分辨率高达数米的几千公里的传感光纤沿线温度、应力、振动等物理量的高精度测量。然而，瑞利散射光强与环境温度、应力等物理量之间并不存在线性关系，理论上无法通过探测传感光纤瑞利散射强度获得温度、应力、振动等物理量的测量值。发明人发现，虽然在技术中，可以通过探测传感光纤瑞利散射相位分布得到物理量的测量值，不但需要额外的数字正交解调、相位解缠绕计算等步骤，增加了系统的复杂度，而且需要多个脉冲周期的相关计算，延长了测量时间，限制了振动信号的可测频率范围。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种线性调频的分布式光纤传感装置，其基于瑞利散射的相位敏感光时域反射方式，使用线性调频脉冲光，在单次采集中获得传感光纤沿线的物理量测量值，能够极大缩短测量时间。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线性调频的分布式光纤传感装置，包括：

激光器，其用于在斜波信号有效区间内发射线性调频的连续光，在斜波信号无效区间内发射中心频率的连续光；

半导体光放大器，其用于在脉冲波的驱动下将连续光转换为脉冲光，仅在脉冲波高电平时输出线性调频连续光，在脉冲波低电平时不输出光波；其中，斜波和脉冲波的周期和重复频率均一致；