一种基于双脉冲延时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，具体是一种基于双脉冲延时大动态应变分布式相敏光时域反射仪。

背景技术

光纤传输过程中产生的后向瑞利散射光相位和外界的应变量呈线性关系且灵敏度高，光纤分布式相敏光时域反射仪Φ-OTDR通过对光纤内部传输信号光产生的后向瑞利散射光进行相位分离从而实现系统对外界动态应变的测量。因此，Φ-OTDR系统当前被广泛应用在大型基础建设的健康监测上，如桥梁、铁路、隧道的健康监测和海洋传感方面也存在应用。

但由于Φ-OTDR系统的相位对外界微小应变量极其灵敏以及当前的相位接卷绕算法的限制导致了Φ-OTDR系统能识别的应变范量仅在nε范围，如果超出了该量级范围的应变量施加在光纤上面将在后期相位解调时发生相位缠绕现象导致相位不能被准确的解调出来从而不能与准确识别外界的振动信号。然而在现实的生产工作中存在着很多振动幅度量级达到με量级的情况，从而如何实现大动态应变的Φ-OTDR系统的研究正在逐渐被人们所关注。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于双脉冲延时大动态应变分布式相敏光时域反射仪。这种相敏光时域反射仪结构简单、有较强的灵活性、能实现大动态应变的测量。

一种基于双脉冲延时大动态应变分布式相敏光时域反射仪，包括互联的窄线宽激光器、第一光纤耦合器，其中：

第一光纤耦合器的一个输出端口的光强度为窄线宽激光器输入激光强度的90%，这个端口与第二光纤耦合器的一个输入端连接，第二光纤耦合器的一个输出端连接与第一任意函数信号发生器连接的第一声光调制器的输入端，第一声光调制器的输出端连接到第三光纤耦合器的一个输入端、第二光纤耦合器的另一输出端连接与第一信号发生器连接的第二声光调制器输入端，第二声光调制器调制脉冲后第二声光调制器的输出端连接到第三光纤耦合器的另一输入端，第三光纤耦合器顺序连接第一掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、待测光纤，其中，第三光纤耦合器输出口连接第一掺铒光纤放大器的输入端、第一掺铒光纤放大器的输出端连接第一光纤环形器的1端口、第一光纤环形器的2端口连接待测光纤，待测光纤的部分光纤缠绕在与第二任意函数信号发生器相连的压电陶瓷上，第一光纤环形器的3端口连接第二掺铒光纤放大器的输入端，第二掺铒光纤放大器的输出端与第一光纤滤波器的输入端相连，第一光纤滤波器的输出端连接第四光纤耦合器的输入端，第四光纤耦合器的两输出端口分别连接第六光纤耦合器、第七光纤耦合器的一个输入口，第六光纤耦合器、第七光纤耦合器的一个输出端分别接入第一平衡探测器、第二平衡探测器的一个输入端口，第一平衡探测器通过第一电学带通滤波器与数据采集处理单元连接、第二平衡探测器通过第二电学带通滤波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%，这个端口与第五光纤耦合器的一个输入端连接，第五光纤耦合器的一个输出端口连接第六光纤耦合器的另一个输入口、第六光纤耦合器的另一个输出口连接第一平衡探测器的另一个输入口、第五光纤耦合器另一输出端口连接第七光纤耦合器的另一个输入口、第七光纤耦合器的另一个输出口连接第二平衡探测器的另一个输入口。

与第一任意函数信号发生器连接的第一声光调制器和第二声光调制器、第一掺铒光纤放大器构成脉冲调制单元；与第二任意函数信号发生器连接的压电陶瓷构成大应变施加单元、第二掺铒光纤放大器和第一光纤滤波器构成光纤滤波单元；第一电学带通滤波器、第二电学带通滤波器构成电学滤波单元。

窄线宽激光器输出激光到第一光纤耦合器后分成两路输出，其中一路接入第二光纤耦合器后分成两路光，第二光纤耦合器的其中一个输出端口连接与第一任意函数信号发生器相连的第一声光调制器调制成脉冲信号后接入第三光纤耦合器的一个输入端，第二光纤耦合器的另一输出端连接到与第一任意函数信号发生器相连的第二声光调制器调制成与第一声光调制器调制的脉冲存在一定时延的脉冲后接入第三光纤耦合器的另一输入端，第三光纤耦合器的输出端将第一声光调制器、第二声光调制器调制的脉冲对输出到第一掺铒光纤放大器的输入端将两脉冲对信号进行放大操作后接入第一光纤环形器的1端口，调制好的两个具有时延的脉冲信号光从第一光纤环形器的2端口输出到待测光纤中且待测光纤部分缠绕在与第二任意函数信号发生器连接的压电陶瓷上从而让压电陶瓷带动待测光纤产生振动信号，返回来的散射信号光从第一光纤环形器的2端口输入后从第一光纤环形器的3端口输出到第二掺铒光纤放大器的输入端将返回的散射光进行放大处理后从第二掺铒光纤放大器的输出端连接到第一光纤滤波器的输入端将放大后的ASE噪声滤除后从第一光纤滤波器的输出端连接到第四光纤耦合器的一个输入端后分成两路光分别接入第六光纤耦合器、第七光纤耦合器的一个输入端后第六光纤耦合器的输出端接入第一平衡探测器的输入端、第七光纤耦合器的输出端接入第二平衡探测器的输入端；第一光纤耦合器的另一输出端连接到第五光纤耦合器的输入端后分成两路分别接入到第六光纤耦合器、第七光纤耦合器的另一个输入端，两束光在第六光纤耦合器、第七光纤耦合器中相干分别输出拍频信号到第一平衡探测器、第二平衡探测器内将光信号转换成电信号后从第一平衡探测器输出口接入到第一电学带通滤波器后接入到数据采集处理单元，第二平衡探测器输出口接入到第二电学带通滤波器后接入到数据采集处理单元。

第一光纤耦合器将窄线宽激光器输出的光束分成两路，一路光由与任意函数信号发生器相连的声光调制器调制成的脉冲光进入待测光纤内产生后向瑞利散射光，另一路光连接到第五光纤耦合器输入端口的光路作为本征光与后向瑞丽散射光进行相干探测。

所述第一声光调制器、第二声光调制器的驱动频率不同。

所述第一任意函数信号发生器所产生的两个脉冲信号的周期相同。

所述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。

所述第一电学带通滤波器的带宽应包含第一声光调制器的驱动频率、第二电学带通滤波器的带宽应包含第二声光调制器的驱动频率。

所述第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器的分光比均为50%：50%。

双脉冲延时法通过两个驱动频率不同的声光调制器在光纤内部同一脉冲周期内发送两个具有时间延时的光脉冲，后端通过相干探测将拍频信号不同的两个混合后向瑞利散射光通过相应波段的电学带通滤波器将信号分离的到两组信号。在大动态应变情况通过对两组信号的相位进行提取之后可以得到两组振动频率、幅度相同但存在相位差的振动信号，将两个振动信号的进行相减操作能够得到一个拥有一个不随外界振动频率变化的缩小倍数的振动信号，此时将相减过后的信号进行相位解缠绕可以有效识别出当前的大动态应变振动信号从而实现大动态应变的探测。此外缩小倍数由两脉冲间的时延即探测到的两振动信号间相位差决定，两脉冲间时延越大缩小倍数越小且当振动频率发生变化时相减后的幅度差可以忽略不记（~0.001）。

本技术方案通过延时双脉冲的方法得到两组瑞利散射光相位信息做差后得到较小的相位信息，通过相减可以减小相位信息间相邻两个探测位置点的相位跳变从而可以有效的解决相位解调时由于相位突变过大而产生的相位展开不完整的情况，其缩小的倍数与双脉冲间的延时大小有关，双脉冲延时越大则缩小的倍数越小，从而可以通过线性关系得出固定延时情况下相减后的相位信息和外界应变量的变化情况。

本技术方案通过双脉冲延时相位差解调的方法结合相敏光时域反射仪测量待测光纤中的大范围应变，通过较小的成本实现待测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。

这种相敏光时域反射仪结构简单、有较强的灵活性、能实现大动态应变的测量。

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.第二光纤耦合器 13.第一声光调制器 14.第二声光调制器 15.第一任意函数信号发生器 16.第三光纤耦合器 17.第一掺铒光纤放大器 18.第一光纤环形器 19.压电陶瓷 20.第二任意函数信号发生器 21.待测光纤 22.第二掺铒光纤放大器 23.第一光纤滤波器 24.第四光纤耦合器 25.第五光纤耦合器 26.第六光纤耦合器 27.第七光纤耦合器 28.第一平衡探测器 29.第二平衡探测器 30.第一电学带通滤波器 31.第二电学带通滤波器 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1，一种基于双脉冲延时大动态应变分布式相敏光时域反射仪，包括互联的窄线宽激光器10、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线宽激光器10输入激光强度的90%，这个端口与第二光纤耦合器12的一个输入端连接，第二光纤耦合器12的一个输出端连接与第一任意函数信号发生器15连接的第一声光调制器13的输入端，第一声光调制器13的输出端连接到第三光纤耦合器16的一个输入端、第二光纤耦合器12的另一输出端连接与第一信号发生器15连接的第二声光调制器14输入端，第二声光调制器14调制脉冲后第二声光调制器14的输出端连接到第三光纤耦合器16的另一输入端，第三光纤耦合器16顺序连接第一掺铒光纤放大器17、第一光纤环形器18、待测光纤21，其中，第三光纤耦合器16输出口连接第一掺铒光纤放大器17的输入端、第一掺铒光纤放大器17的输出端连接第一光纤环形器18的1端口、第一光纤环形器18的2端口连接待测光纤21，待测光纤21的部分光纤缠绕在与第二任意函数信号发生器20相连的压电陶瓷19上，第一光纤环形器18的3端口连接第二掺铒光纤放大器22的输入端，第二掺铒光纤放大器22的输出端与第一光纤滤波器23的输入端相连，第一光纤滤波器23的输出端连接第四光纤耦合器24的输入端，第四光纤耦合器24的两输出端口分别连接第六光纤耦合器26、第七光纤耦合器27的一个输入口，第六光纤耦合器26、第七光纤耦合器27的一个输出端分别接入第一平衡探测器28、第二平衡探测器29的一个输入端口，第一平衡探测器28通过第一电学带通滤波器30与数据采集处理单元32连接、第二平衡探测器29通过第二电学带通滤波器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%，这个端口与第五光纤耦合器25的一个输入端连接，第五光纤耦合器25的一个输出端口连接第六光纤耦合器26的另一个输入口、第六光纤耦合器26的另一个输出口连接第一平衡探测器28的另一个输入口、第五光纤耦合器25另一输出端口连接第七光纤耦合器27的另一个输入口、第七光纤耦合器27的另一个输出口连接第二平衡探测器29的另一个输入口。

与第一任意函数信号发生器15连接的第一声光调制器13和第二声光调制器14、第一掺铒光纤放大器17构成脉冲调制单元；与第二任意函数信号发生器20连接的压电陶瓷19构成大应变施加单元、第二掺铒光纤放大器22和第一光纤滤波器23构成光纤滤波单元；第一电学带通滤波器30、第二电学带通滤波器31构成电学滤波单元。

窄线宽激光器10输出激光到第一光纤耦合器11后分成两路输出，其中一路接入第二光纤耦合器12后分成两路光，第二光纤耦合器12的其中一个输出端口连接与第一任意函数信号发生器相连的第一声光调制器13调制成脉冲信号后接入第三光纤耦合器16的一个输入端，第二光纤耦合器12的另一输出端连接到与第一任意函数信号发生器相连的第二声光调制器14调制成与第一声光调制器13调制的脉冲存在一定时延的脉冲后接入第三光纤耦合器16的另一输入端，第三光纤耦合器16的输出端将第一声光调制器13、第二声光调制器14调制的脉冲对输出到第一掺铒光纤放大器17的输入端将两脉冲对信号进行放大操作后接入第一光纤环形器18的1端口，调制好的两个具有时延的脉冲信号光从第一光纤环形器18的2端口输出到待测光纤21中且待测光纤部分缠绕在与第二任意函数信号发生器20连接的压电陶瓷19上从而让压电陶瓷19带动待测光纤21产生振动信号，返回来的散射信号光从第一光纤环形器18的2端口输入后从第一光纤环形器18的3端口输出到第二掺铒光纤放大器22的输入端将返回的散射光进行放大处理后从第二掺铒光纤放大器22的输出端连接到第一光纤滤波器23的输入端将放大后的ASE噪声滤除后从第一光纤滤波器23的输出端连接到第四光纤耦合器24的一个输入端后分成两路光分别接入第六光纤耦合器26、第七光纤耦合器27的一个输入端后第六光纤耦合器26的输出端接入第一平衡探测器28的输入端、第七光纤耦合器27的输出端接入第二平衡探测器29的输入端；第一光纤耦合器11的另一输出端连接到第五光纤耦合器25的输入端后分成两路分别接入到第六光纤耦合器26、第七光纤耦合器27的另一个输入端，两束光在第六光纤耦合器26、第七光纤耦合器27中相干分别输出拍频信号到第一平衡探测器28、第二平衡探测器29内将光信号转换成电信号后从第一平衡探测器28输出口接入到第一电学带通滤波器30后接入到数据采集处理单元32，第二平衡探测器29输出口接入到第二电学带通滤波器31后接入到数据采集处理单元32。

第一光纤耦合器11将窄线宽激光器10输出的光束分成两路，一路光由与任意函数信号发生器相连的声光调制器调制成的脉冲光进入待测光纤内产生后向瑞利散射光，另一路光连接到第五光纤耦合器25输入端口的光路作为本征光与后向瑞丽散射光进行相干探测。

所述第一声光调制器13、第二声光调制器14的驱动频率不同。

所述第一任意函数信号发生器所产生的两个脉冲信号的周期相同。

所述第二任意函数发生器20输出函数信号幅值为100V-200V驱动压电陶瓷19进行大幅度振动带动缠绕在压电陶瓷19上的待测光纤21进行大幅度振动。

所述第一电学带通滤波器30的带宽应包含第一声光调制器13的驱动频率、第二电学带通滤波器31的带宽应包含第二声光调制器14的驱动频率。

所述第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器的分光比均为50%：50%。

双脉冲延时法通过两个驱动频率不同的声光调制器在光纤内部同一脉冲周期内发送两个具有时间延时的光脉冲，后端通过相干探测将拍频信号不同的两个混合后向瑞利散射光通过相应波段的电学带通滤波器将信号分离的到两组信号。在大动态应变情况通过对两组信号的相位进行提取之后可以得到两组振动频率、幅度相同但存在相位差的振动信号，将两个振动信号的进行相减操作能够得到一个拥有一个不随外界振动频率变化的缩小倍数的振动信号，此时将相减过后的信号进行相位解缠绕可以有效识别出当前的大动态应变振动信号从而实现大动态应变的探测。此外缩小倍数由两脉冲间的时延即探测到的两振动信号间相位差决定，两脉冲间时延越大缩小倍数越小且当振动频率发生变化时相减后的幅度差可以忽略不记（~0.001）。