一种基于少模光纤大动态应变分布式相敏光时域反射仪

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种基于少模光纤大动态应变分布式相敏光时域反射仪。

背景技术

光纤分布式相敏光时域反射仪Φ-OTDR是采用基于瑞利散射效应的分布式传感技术，利用光纤中的瑞利散射光的相位变化量与外界应变的线性依赖关系，可以实现应变的连续性测量从而进行外界振动信号的探测。Φ-OTDR系统具有单端接入、对应变反应灵敏等优点，在大型基础设施的结构健康监测方面有着巨大的应用前景，例如桥梁、隧道的健康监测系统。

由于Φ-OTDR的相位对外界应变及其敏感且实现的应变范围可以实现到nε范围，但如果超过了这个范围到达几十με范围的探测情况下时，系统将相位从信号内提取的过程中会产生相位缠绕使得解调出来的相位重叠在一起从而不能很好的进行外界应变的探测，导致该系统的实际应用范围受限。现实生活中的应变事件存在较多能使光纤产生nε级别的振动所以对Φ-OTDR系统的大应变动态研究逐渐被人们关注。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于少模光纤大动态应变分布式相敏光时域反射仪。这种光时域反射仪成本低、结构简单、能实现大范围的动态应变测量。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于少模光纤大动态应变分布式相敏光时域反射仪，包括互联的窄带激光器和第一光纤耦合器，其中：

第一光纤耦合器一个输出端口的光强度为窄带激光器输入激光强度的90％，这个端口顺序连接与第一任意函数信号发生器连接的声光调制器、第一掺铒光纤放大器、与第一光纤布拉格光栅连接的第一光纤环形器、第二光纤耦合器，第一光纤环形器的a端口连接第一掺铒光纤放大器的输出端口，第一光线环形器的b端口连接第一光纤布拉格光栅的输入端口，第一光纤环形器的c端口连接第二光纤耦合器的输出端口，第二光纤耦合器的1端口连接第二光纤环形器的a端口、第二光纤环形器的b端口连接光子灯笼的1端口、光子灯笼的4端口连接待测光纤、待测光纤的部分光纤缠绕在压电陶瓷上、压电陶瓷连接驱动压电陶瓷振动的第二任意函数信号发生器；第二光纤耦合器的2端口连接第三光纤环形器的a端口、第三光纤环形器的b端口连接光子灯笼的2端口；第二光纤耦合器的3端口连接第四光纤环形器的a端口、第四光纤环形器的b端口连接光子灯笼的3端口；第二光纤环形器的c端口连接第四光纤耦合器的输入端、第四光纤耦合器的输出端口连接第一平衡探测器的输入端口、第一平衡探测器与数据采集处理单元连接；第三光纤环形器的c端口连接第五光纤耦合器的输入端、第五光纤耦合器的输出端连接第二平衡探测器的输入端口、第二平衡探测器与数据采集处理单元连接；第四光纤环形器的c端口连接第六光纤耦合器的输入端、第六光纤耦合器的输出端连接第三平衡探测器的输入端口、第三平衡探测器与数据采集处理单元连接；

第一光纤耦合器的另一个输出端口的光强度为窄带激光器输入激光强度的10％，这个端口连接第三光纤耦合器，第三光纤耦合器的1端口连接第四光纤耦合器的另一输入端、第四光纤耦合器的另一输出端连接第一平衡探测器的另一输入端口；第三光纤耦合器的2端口连接第五光纤耦合器的另一输入端、第五光纤耦合器的另一输入出端连接第二平衡探测器的另一输入端口；第三光纤耦合器的3端口连接第六光纤耦合器的另一输入端、第六光纤耦合器的另一输出端连接第三平衡探测器的另一输入端口后接入数据采集处理单元。

调制脉冲的声光调制器以及驱动声光调制器的第一任意函数信号发生器和第一掺铒光纤放大器构成脉冲调制单元；第一光线环形器和第一光纤布拉格光栅构成滤波单元；第二光纤耦合器和第一光纤环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器以及光子灯笼构成模式分离单元；测试光纤和压电陶瓷以及与其相连的第二任意函数发生器构成大应变施加单元；

窄线宽激光器发出的激光经第一光纤耦合器分为两路光，下路光(10％)与第三光纤耦合器相连，通过第三光纤耦合器将激光分成三份相同的光束分别从第三光纤耦合器输出端口的1、2、3端口输出，紧接着将第三光纤耦合器输出端口的1、2、3端口分别与第一平衡探测器、第二平衡探测器、第三平衡探测器的输入端进行连接成为相干探测的本征光；上路光(90％)与声光调制器的输入端相连，声光调制器通过与之相连接的第一任意函数信号发生器输入一个脉冲信号驱动声光调制器将从第一光纤耦合器的连续激光调制成为脉冲光，声光调制器的输出端相连到第一掺铒光纤放大器的输入端通过光放大将声光调制器调制脉冲以及本身器件损耗变小的光放大，第一掺铒光纤放大器输出端口连接到第一光纤环形器的a端口通过第一光纤环形器的b端口输出，第一光纤环形器的b端口连接到第一光纤布拉格光栅通过第一光纤布拉格光栅将第一掺铒光纤放大器放大的底噪滤除从而得出窄线宽激光器相同频率点大能量的脉冲光，第一光纤环形器的c端口连接到第二光纤耦合器的输入口将调制成型的脉冲光平均分成三份性质一样的光分别从第二光纤耦合器的1、2、3端口输出，第二光纤耦合器的1端口与第二光纤环形器的a端口相连接之后第二光纤环形器的b端口连接到光子灯笼的1端口，第二光纤耦合器的2端口与第三光纤环形器的a端口相连接之后第三光纤环形器的c端口连接到光子灯笼的3端口，第二光纤耦合器的3端口与第四光纤环形器的a端口相连接之后第四光纤环形器的b端口连接到光子灯笼的3端口，脉冲光通过光子灯笼的1、2、3端口进入光子灯笼光子灯笼合成模式之后从4端口输出，光子灯笼的4端口连接待测光纤，压电陶瓷外接第二任意函数信号发生器由第二任意函数信号发生器形成一个振动信号后进行放大幅值到100-200V驱动压电陶瓷振动使待测光纤随之振动，脉冲光通过待测光纤后的瑞利散射光通过待测光线连接的光子灯笼的4端口进入光子灯笼从光子灯笼的1、2、3端口分别输出模式为LP

调制脉冲的声光调制器以及驱动声光调制器的第一任意函数信号发生器和第一掺铒光纤放大器构成脉冲调制单元；第一光线环形器和第一光纤布拉格光栅构成滤波单元；第二光纤耦合器和第一光纤环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器以及光子灯笼构成模式分离单元；测试光纤和压电陶瓷以及与其相连的第二任意函数发生器构成大应变施加单元；

所述第二光纤耦合器和第三光纤耦合器的三个输出端口输出的光强相等即输出端口1、2和3的输出的光强相等。

所述待测光纤为少模光纤。

大应变施加单元中的第二任意函数发生器输出函数信号幅值为100V-200V驱动压电陶瓷进行大幅度振动带动缠绕在压电陶瓷上的待测光纤进行大幅度振动。

所述光子灯笼能够正反传输光且光子灯笼的1端口对应少模光纤内部LP

少模光纤内部存在低损耗可正常传输LP

待测光纤22中应变引起的瑞利散射信号相位变化如公式(1)所示：

其中，n

其中

其中

本技术方案通过少模光纤内部的三种模式光LP

本技术方案通过少模光纤内部不同模式相位差解调的方法结合相敏光时域反射仪测量少模光纤中的大范围应变，通过较小的成本实现少模光纤上的大范围应变传感，有效解决了工程监测等实际应用上面的难题，有效解决光纤传感在现实生活中大范围应变工程上的应用困难。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中，10.窄线宽激光器 11.第一光纤耦合器 12.声光调制器 13.第一任意函数发生器 14.第一掺铒光纤放大器 15.第一光纤环形器 16.第一光纤布拉格光栅 17.第二光纤耦合器 18.第二光纤环形器 19.第三光纤环形器 20.第四光纤环形器 21.光子灯笼22.待测光纤 23.压电陶瓷 24.第二任意函数信号发生器 25.第三光纤耦合器 26.第四光纤耦合器 27.第五光纤耦合器 28.第六光纤耦合器 29.第一平衡探测器 30.第二平衡探测器 31.第三平衡探测器 32.数据采集处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种基于少模光纤大动态应变分布式相敏光时域反射仪，包括互联的窄带激光器10和第一光纤耦合器11，其中：

第一光纤耦合器11的一个输出端口的光强度为窄带激光器10输入激光强度的90％，这个端口顺序连接与第一任意函数信号发生器13连接的声光调制器12、第一掺铒光纤放大器14、与第一光纤布拉格光栅16连接的第一光纤环形器15、第二光纤耦合器17，第一光纤环形器15的a端口连接第一掺铒光纤放大器14的输出端口，第一光线环形器15的b端口连接第一光纤布拉格光栅16的输入端口，第一光纤环形器15的c端口连接第二光纤耦合器17的输出端口，第二光纤耦合器17的1端口连接第二光纤环形器18的a端口、第二光纤环形器18的b端口连接光子灯笼21的1端口、光子灯笼21的4端口连接待测光纤22、待测光纤22的部分光纤缠绕在压电陶瓷23上、压电陶瓷23连接驱动压电陶瓷23振动的第二任意函数信号发生器24；第二光纤耦合器17的2端口连接第三光纤环形器19的a端口、第三光纤环形器19的b端口连接光子灯笼21的2端口；第二光纤耦合器17的3端口连接第四光纤环形器20的a端口、第四光纤环形器20的b端口连接光子灯笼21的3端口；第二光纤环形器18的c端口连接第四光纤耦合器26的输入端、第四光纤耦合器26的输出端口连接第一平衡探测器29的输入端口、第一平衡探测器29与数据采集处理单元32连接；第三光纤环形器19的c端口连接第五光纤耦合器27的输入端、第五光纤耦合器27的输出端连接第二平衡探测器30的输入端口、第二平衡探测器30与数据采集处理单元32连接；第四光纤环形器20的c端口连接第六光纤耦合器28的输入端、第六光纤耦合器28的输出端连接第三平衡探测器31的输入端口、第三平衡探测器31与数据采集处理单元32连接；

第一光纤耦合器11的另一个输出端口的光强度为窄带激光器10输入激光强度的10％，这个端口连接第三光纤耦合器25，第三光纤耦合器25的1端口连接第四光纤耦合器26的另一输入端、第四光纤耦合器26的另一输出端连接第一平衡探测器29的另一输入端口；第三光纤耦合器25的2端口连接第五光纤耦合器27的另一输入端、第五光纤耦合器27的另一输入出端连接第二平衡探测器30的另一输入端口；第三光纤耦合器25的3端口连接第六光纤耦合器28的另一输入端、第六光纤耦合器28的另一输出端连接第三平衡探测器31的另一输入端口后接入数据采集处理单元32。

其中调制脉冲的声光调制器12以及驱动声光调制器12的第一任意函数信号发生器13和第一掺铒光纤放大器14构成脉冲调制单元；第一光线环形器15和第一光纤布拉格光栅16构成滤波单元；第二光纤耦合器17和第一光纤环形器18、第二光纤环形器19、第三光纤环形器20以及光子灯笼21构成模式分离单元；测试光纤22和压电陶瓷23以及与其相连的第二任意函数发生器24构成大应变施加单元；

窄线宽激光器10发出的激光经第一光纤耦合器11分为两路光，下路光(10％)与第三光纤耦合器25相连，通过第三光纤耦合器25将激光分成三份相同的光束分别从第三光纤耦合器25输出端口的1、2、3端口输出，紧接着将第三光纤耦合器25输出端口的1、2、3端口分别与第一平衡探测器29、第二平衡探测器30、第三平衡探测器31的输入端进行连接成为相干探测的本征光；上路光(90％)与声光调制器12的输入端相连，声光调制器12通过与之相连接的第一任意函数信号发生器13输入一个脉冲信号驱动声光调制器12将从第一光纤耦合器11的连续激光调制成为脉冲光，声光调制器12的输出端相连到第一掺铒光纤放大器14的输入端通过光放大将声光调制器12调制脉冲以及本身器件损耗变小的光放大，第一掺铒光纤放大器14输出端口连接到第一光纤环形器15的a端口通过第一光纤环形器15的b端口输出，第一光纤环形器15的b端口连接到第一光纤布拉格光栅16通过第一光纤布拉格光栅16将第一掺铒光纤放大器14放大的底噪滤除从而得出窄线宽激光器10相同频率点大能量的脉冲光，第一光纤环形器15的c端口连接到第二光纤耦合器17的输入口将调制成型的脉冲光平均分成三份性质一样的光分别从第二光纤耦合器17的1、2、3端口输出，第二光纤耦合器17的1端口与第二光纤环形器18的a端口相连接之后第二光纤环形器18的b端口连接到光子灯笼21的1端口，第二光纤耦合器18的2端口与第三光纤环形器19的a端口相连接之后第三光纤环形器19的c端口连接到光子灯笼21的3端口，第二光纤耦合器的3端口与第四光纤环形器的a端口相连接之后第四光纤环形器的b端口连接到光子灯笼的3端口，脉冲光通过光子灯笼21的1、2、3端口进入光子灯笼21光子灯笼21合成模式之后从4端口输出，光子灯笼21的4端口连接待测光纤22，压电陶瓷23外接第二任意函数信号发生器24由第二任意函数信号发生器24形成一个振动信号后进行放大幅值到100-200V驱动压电陶瓷振动使待测光纤22随之振动，脉冲光通过待测光纤22后的瑞利散射光通过待测光线连接的光子灯笼21的4端口进入光子灯笼21从光子灯笼21的1、2、3端口分别输出模式为LP01、LP11a、LP11b三种模式的光，LP01模式光从第二光纤环形器18的b端口进入从第二光纤环形器18的c端口输出后与第一平衡探测器29的另一输入端相连，LP11a模式光从第三光纤环形器19的b端口进入从第三光纤环形器19的c端口输出后与第二平衡探测器30的另一输入端相连，LP11b模式光从第四光纤环形器20的b端口进入从第四光纤环形器20的c端口输出后与第三平衡探测器31的另一输入端相连后接入数据采集处理单元32。

所述第二光纤耦合器17和第三光纤耦合器25的三个输出端口输出的光强相等即输出端口1、2和3的输出的光强相等，本例中，第二光纤耦合器17和第三光纤耦合器25输出端口的1、2、3端口将第二光纤耦合器17和第三光纤耦合器25的输入端口光强度平均等分。

所述待测光纤22为少模光纤。

本例大应变施加单元中的第二任意函数发生器24输出函数信号幅值为100V-200V驱动压电陶瓷23进行大幅度振动带动缠绕在压电陶瓷23上的待测光纤22进行大幅度振动，本例中外部连接驱动压电陶瓷的任意函数信号发生器24外连接信号放大器，使得第二任意函数信号发生器24发出的信号通过放大信号幅值从而达到100-200V的信号驱动压电陶瓷23进行较大幅度的振动从而带动待测光纤22产生振动。

所述光子灯笼21能够正反传输光且光子灯笼21的1端口对应少模光纤内部LP

少模光纤内部存在低损耗可正常传输LP

待测光纤22中应变引起的瑞利散射信号相位变化如公式(1)所示：

其中，n

其中

其中