专利名称：一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对应变和振动进行全分布式监测的光纤传感设备，尤其是一种结合布里渊光时域反射(BOTDR)技术及偏振光时域反射(POTDR)技术，并采用偏振态倒换装置和相干外差检测的全分布式光纤应变及振动传感技术。
背景技术：
由于当光纤受到外界环境(如温度，压力，振动等)影响时，光纤中传输光的强度，相位，频率，偏振态等参量将会相应的发生变化，通过测量传输光的这些参量便可以获得相应物理量，这种技术称为光纤传感技术。
相对于传统的电量型传感器，光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小，价格便宜，可进行远距离分布式测量的优点，因此自20世纪70年代末以来，光纤传感技术得到了广泛的发展，出现了基于瑞利散射，布里渊散射，拉曼散射等的全分布式光纤传感技术。这些光纤传感技术利用光纤中光波的不同物理参量进行传感，可测量光纤上与物理量相对应的不同的传感参量。I)光纤受应变影响时，光波在其中产生的布里渊散射光的频率会发生偏移，称为布里渊频移。布里渊频移量的大小与光纤所受应变的大小成正比。布里渊光时域反射(BOTDR)技术通过向光纤中注入脉冲光，并测量脉冲光在光纤中传播过程中连续产生的布里渊散射光的布里渊频移，进而确定出光纤沿线各个位置的应变信息。BOTDR技术是目前为止最主要的一种可准确测量光纤中应变大小的全分布式光纤传感技术。但BOTDR技术对振动事件的测量能力较弱。因为尽管理论上光纤在受到外界振动影响时会同时产生应变变化。但是，一方面由于微小振动引起的微弱应变对布里渊频移产生的影响较小，另一方面BOTDR技术对应变的测量速度较慢，通常需要十几秒以上。因此，BOTDR技术难以用于测量振动。2)偏振光时域反射(POTDR)技术同样是向光纤中注入脉冲光。但它通过测量脉冲光在光纤沿线返回的散射光的偏振态的变化来确定光纤沿线各个位置的外部事件，从而进行全分布式测量。由于光纤中光波偏振态的变化对外部事件的响应非常灵敏，因此可以用来测量微弱的外部事件。同时由于POTDR技术通过光强信号来判断散射光偏振态的变化，响应时间短，故可以用来测量快速的扰动或振动。对于Ikm的传感距离，POTDR可测量的最大振动频率在IOOKHz以内。但由于普通单模光纤中光波的偏振态在长时间内难以保持恒定，且光纤受到的应变与偏振态的变化并非一一对应，因此POTDR技术难以对准静态的应变及较大的应变进行检测。
发明内容
本发明的目的是，提供一种既可以测量应变又可以测量快速振动变化的全分布式光纤传感器。尤其是基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法和装置。既可以测量应变事件，又可以测量振动事件，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，并保证测量精度。
本发明的技术方案是，一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置，其特征是包括激光器(1)，保偏耦合器(2)、保偏光纤、脉冲调制模块(3)、光放大器
(4)、环形器(5)、传感光纤(6)、偏振态倒换装置(7)、耦合器(8)、平衡光电探测器(9)、微波源(10)、混频器(11)、带通滤波器(12)、信号采集与处理单元(13);激光器(I)的输出的连续光经保偏耦合器(2)后分为两路其中保偏耦合器输出的第一路中所有的连接光纤均为保偏光纤，其中的光波作为参考光，经偏振态倒换装置(7)后，再输入到稱合器(8)的第一输入端；偏振态倒换装置(7)具有两种状态，分别使输出的线偏振光的偏振方向对应于保偏光纤的快轴和慢轴；保偏耦合器输出的第二路经脉冲调制模块(3)、光放大器(4)后作为探测脉冲光经环形器(5)注入传感光纤(6);传感光纤中的布里渊散射光经环形器(5)返回后进入耦合器(8)的第二输入端；布里渊散射光与参考光在稱合器(8)中形成的混合信号经稱合器(8)的两个输出端输入到平衡光电探测器(9)中被转换为电信号；平衡光电探测器(9)的输出端与混频器(11)的第一输入端相连，微波源(10)与混频器(11)的第二输入端相连，混频器(11)的输出端连接到带通滤波器(12)，带通滤波器(12)的输出端连接到信号采集与处理单元(13)。偏振态倒换装置(7)在任一单一状态时，由布里渊散射光与参考光进行相干外差检测，获取散射光偏振态的变化信息，以此确定外部振动事件信息。偏振态倒换装置(7)可以是偏振开关、偏振控制器或偏振分析仪等任何可使线偏振光的偏振态在相互正交的两个偏振方向切换的器件或仪器，线偏振光在这两个正交方向的偏振分别对应于偏振态倒换装置(7)的第一和第二两种工作状态。按照本发明所提供的一种既可以测量应变又可以测量快速振动变化的全分布式光纤传感器进行测量光纤传感方法，当偏振态倒换装置(7)处于任一种工作状态时，传感光纤所得到的信号为传感光纤中的散射光信号与偏振方向沿保偏光纤快轴或慢轴的线偏振光经耦合器(8 )和平衡光电探测器(9 )相干外差检测之后的结果；当传感光纤(6 )某个位置受到应变影响时，该位置处产生的布里渊散射光的布里渊频移的大小发生改变；受到振动影响时，该位置处探测脉冲光的偏振态发生变化，则在传感光纤(6)中的布里渊散射光的偏振态发生变化；因此通过测量布里渊散射光的中心频率，对传感光纤(6)的应变进行传感，通过测量布里渊散射光的偏振态变化，对传感光纤(6)的振动进行传感。进一步的，传感光纤(6)得到的信号包含有布里渊散射光偏振态变化的信息，利用偏振光时域反射(POTDR)原理进行测量，利用散射光偏振态的变化信息对振动进行传感。进一步的，当偏振态倒换装置(7)在第一和第二两种工作状态下分别工作等长时间，然后将在此两种工作状态下得到的外差信号功率累加，则可消除传感光纤中光波偏振态变化的影响。此时可利用布里渊光时域反射(BOTDR)原理进行测量，利用布里渊散射光的频率信息对光纤中的应变进行传感。当偏振态倒换装置(7)处于任一种工作状态时，由于脉冲光在光纤中不同位置的偏振态各不相同，由平衡光电探测器(9)相干外差检测之后得到的脉冲光在光纤沿线产生的布里渊信号有相应的波动起伏。在不同的时间多次测量光纤中的布里渊信号后，通过比较它们之间波动起伏的不同或利用时频变换的方法分析光纤各位置处波动起伏变化的频谱，可得到光纤中脉冲光在某位置处的偏振态的变化情况。脉冲光在传感光纤中传输时会不断在光纤沿线产生布里渊散射光，其中心频率相对于探测光的中心频率有一定的偏移，此偏移被称为布里渊频移vB ;将微波源(10)的频率设置为νΜ (νΜ与Vb较为接近)，则该高频信号经混频器(11)后，其中心频率会被转换到
Vb-VmI ;通过扫描微波源(10)的频率来调整混频器(11)的输出信号的频率，当通过带通滤波器(12)的信号功率达到最大时，即可得到布里渊散射光的布里渊频移，其大小为Vb =vM-fBPF，其中fBPF为带通滤波器(12)的中心频率。传感装置在测量振动和应变时利用的散射光均为布里渊散射光。本发明有益效果本发明结合了 BOTDR技术和POTDR技术，既可以测量应变事件， 又可以测量振动事件，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，同时可大幅降低系统的漏报率。本发明仅利用布里渊散射光信号进行应变和振动的传感，系统装置简单，整体成本及器件数量比两个系统的单独叠加小很多。在利用POTDR技术进行振动测量的同时，通过切换偏振态倒换装置的工作状态，实现利用BOTDR技术对应变的测量，因此对振动和应变的测量可同时进行，在测量时间上比分别利用BOTDR技术和POTDR技术对应变和振动的测量时间缩短很多，且可实现应变和振动的不间断测量。
图I为本发明提供的一种基于偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置结构图。
具体实施例方式如图I所不,一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置的结构，包括激光器(1)，保偏耦合器(2)，保偏光纤(2-1)，脉冲调制模块(3)，光放大器(4)，环形器(5)，传感光纤(6)，偏振态倒换装置(7)，耦合器(8)，平衡光电探测器(9)，微波源(10)，混频器(11)，带通滤波器(12)，信号采集与处理单元(13)。激光器(I)的输出的连续光经保偏耦合器(2)后分为两路其中保偏耦合器输出的第一路中所有的连接光纤均为保偏光纤，其中的光波作为参考光，经偏振态倒换装置(7)后，再输入到稱合器(8)的第一输入端；偏振态倒换装置(7)具有两种状态，分别使输出的线偏振光的偏振方向对应于保偏光纤的快轴和慢轴；保偏耦合器输出的第二路经脉冲调制模块(3)、光放大器(4)后作为探测脉冲光经环形器(5)注入传感光纤(6);传感光纤中的布里渊散射光经环形器(5)返回后进入耦合器(8)的第二输入端；布里渊散射光与参考光在耦合器(8)中形成的混合信号经耦合器(8)的两个输出端输入到平衡光电探测器(9)中被转换为电信号。平衡光电探测器(9)的输出端与混频器(11)的第一输入端相连，微波源(10)与混频器(11)的第二输入端相连，混频器(11)的输出端连接到带通滤波器(12)，带通滤波器
(12)的输出端连接到信号采集与处理单元(13)。参考光路的连接光纤均为保偏光纤，探测光路的光纤可以为单模光纤，也可为保偏光纤，保偏光纤的效果更好。偏振态倒换装置(7)可以是偏振开关、偏振控制器或偏振分析仪等任何可使线偏振光的偏振态在相互正交的两个偏振方向切换的器件或仪器，线偏振光在这两个正交方向的偏振分别对应于偏振态倒换装置(7)的第一和第二两种工作状态。脉冲调制模块(3)位于探测光路，偏振态倒换装置(7)位于参考光路。脉冲调制模块用于将光波调制成脉冲光。脉冲光的宽度由测量时所需的空间分辨率决定，一般为IOns 10 μ s之间。传感装置在测量振动和应变时利用的散射光均为布里渊散射光。作为一个具体对应变和振动进行测量的例子，其具体实施步骤如下激光器(I)发出的连续光为线偏振光，其中心波长为1550nm，线宽为2MHz，功率为lOdBm。此光波经保偏耦合器(2)后分为两路，其中第一路作为参考光，经过偏振态倒换装置(7)(这里使用的是美国安捷伦公司的光器件分析仪N7788B)后，进入耦合比为50 50的 耦合器(8)的第一输入端。第二路光经脉冲调制模块(3)(电光调制器)调制成脉宽为20ns的脉冲光，再经光放大器(4)(掺铒光纤放大器)放大后，作为探测脉冲光经环形器(5)进入传感光纤(6)。传感光纤(6)为普通的单模光纤，其折射率η = I. 46，光纤中的声速Va =5945m/so脉冲光在传感光纤中传输时会不断在光纤沿线产生布里渊散射光，其中心频率相对于探测光的中心频率有一定的偏移，此偏移被称为布里渊频移vB，其大小vB = 2nva/ λ =
11.2GHz。当传感光纤某个位置受到应变影响时，会使该位置处产生的布里渊散射光的布里渊频移的大小发生改变，受到振动影响时，会使该位置处探测脉冲光的偏振态发生变化，进而导致其在光纤中产生的布里渊散射光的偏振态发生变化。因此通过测量布里渊散射光的中心频率，可对光纤的应变进行传感，通过测量布里渊散射光的偏振态变化，可对光纤的振动进行传感。直到布里渊散射光沿光纤返回后，与第一路中的参考光一起进入耦合器(8)。它们的混合信号经响应频率能够覆盖到11. 2GHZ左右的平衡光电探测器(9)接收后转换为电信号。此电信号的频率即为布里渊散射光与参考光的频率差，其中心频率即为vB。将微波源(10)的频率设置为vB (vM与vB较为接近)，则该高频信号经混频器(11)后，其中心频率会被转换到IvB-vM|。通过扫描微波源( ο)的频率来调整混频器(Ii)的输出信号的频率，当通过带通滤波器(12)的信号功率达到最大时，即可得到布里渊散射光的布里渊频移，其大小为Vb = VM-fBPP，其中fBPP为带通滤波器(12)的中心频率。探测脉冲光在传感光纤(6)中传输时会不断产生后向的布里渊散射光,为避免不同的探测脉冲光在传感光纤(6)中产生的布里渊散射光相互干扰,在对信号进行米集时只能允许在传感光纤(6)中同时存在一个探测脉冲光。因此将脉冲调制模块(3)与信号采集与处理单元(13)同步。在接收布里渊散射光时从探测脉冲光刚入射到传感光纤(6)中时开始计时，直到接收到探测脉冲光在传感光纤(6)末端产生的布里渊散射光后才能使脉冲调制模块(3)产生下一个探测脉冲光。在传感光纤(6)中产生布里渊散射光的位置I可通过光纤中的光速与时间差得到，即I = cAt/2n，其中c ^ 3XlOVs为真空中的光速，At为从计时开始到接收到所需定位的布里渊散射光所经过的时间。对于长度为L传感光纤(6)，两个探测脉冲光的时间间隔ΛΤ应大于2nL/c，即脉冲光在光纤中往返一次需要的时间，若传感光纤(6)长度为10km，则2nL/c ^ 100 μ So在每次微波源改变到新的频率时，偏振态倒换装置(7)首先工作在第一种工作状态，使参考光的偏振方向沿第一路中保偏光纤的慢轴。由于从光纤不同位置产生的布里渊散射光的偏振态各不相同，所以从光纤不同位置产生的布里渊散射光与参考光混合经平衡光电探测器(9)相干外差检测后得到的信号会产生相应的波动起伏，这会影响对布里渊频移测量的准确性，但这同时包含了光纤沿线光波偏振态的信息。由于布里渊散射光的能量非常小，为获得较高的信噪比，在每次微波源改变到新的频率时，均需要对获得的信号进行N次累加平均。当偏振态倒换装置(7)处于第一种工作状态时，对信号反复测量N/2次，因此需要的时间为ΝΔ T/2。如果传感光纤(6)长度为10km、两个脉冲光之间的时间间隔Λ T=120 μ S、平均次数N= 16384次，则偏振态倒换装置(7)在这一工作状态下需要的时间ΝΔΤ/2 ^ Is。然后通过对比这N/2次测量得到的信号在光纤不同位置处的变化或利用时频变换的方法分析这些信号在光纤不同位置处的频谱可得到光纤沿线光波偏振态的变化情况，进而实现对光纤沿线振动的传感。然后使偏振态倒换装置(7)工作在第二种工作状态，使参考光的偏振方向沿第一路中保偏光纤的快轴。此时得到的信号同样包含有光纤沿线光波偏振态的信息。在这一状态下对信号反复测量N/2次，通过分析同样可得到光纤沿线光波偏振态的变化情况，进而可保证对光纤沿线的振动情况进行不间断的传感测量。将 偏振态倒换装置(7)在两种工作状态下分别测量了 N/2次的信号进行累加平均，可消除由于布里渊散射光的偏振态在光纤沿线变化造成的相干外差信号的波动起伏，也同时相当于对布里渊信号进行了 N次平均，从而提高了对布里渊信号功率测量的准确性。然后再次改变微波源的频率，再重复上述测量步骤，可最终得到布里渊频移，进而实现对光纤中应变的测量。
权利要求
1.一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置，其特征是包括激光器(1)，保偏耦合器(2)、保偏光纤(2-1)、脉冲调制模块(3)、光放大器(4)、环形器(5)、传感光纤(6)、偏振态倒换装置(7)、耦合器(8)、平衡光电探测器(9)、微波源(10)、混频器(11)、带通滤波器(12)、信号采集与处理单元(13);激光器(I)的输出的连续光经保偏耦合器(2)后分为两路其中保偏耦合器(2)输出的第一路中所有的连接光纤均为保偏光纤，其中的光波作为参考光，经偏振态倒换装置(7)后，再输入到耦合器(8)的第一输入端；偏振态倒换装置(7)具有两种状态，分别使输出的线偏振光的偏振方向对应于保偏光纤的快轴和慢轴； 保偏耦合器(2)输出的第二路经脉冲调制模块(3)、光放大器(4)后作为探测脉冲光经环形器(5 )注入传感光纤(6 );传感光纤(6 )中的布里渊散射光经环形器(5 )返回后进入耦合器(8)的第二输入端；布里渊散射光与参考光在稱合器(8)中形成的混合信号经稱合器(8)的两个输出端输入到平衡光电探测器(9)中被转换为电信号； 平衡光电探测器(9)的输出端与混频器(11)的第一输入端相连，微波源(10)与混频器(11)的第二输入端相连，混频器(11)的输出端连接到带通滤波器(12 )，带通滤波器(12 )的输出端连接到信号采集与处理单元(13)。
2.根据权利要求I所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置，其特征是脉冲调制模块位于探测光路，偏振态倒换装置位于参考光路。
3.根据权利要求I所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置，其特征是使线偏振光的偏振态在相互正交的两个偏振方向切换的偏振态倒换装置(7)是偏振开关、偏振控制器或偏振分析仪，线偏振光在相互正交的两个正交方向的偏振分别对应于偏振态倒换装置(7)的第一和第二两种工作状态。
4.根据权利要求I至3之一所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法，其特征在于当偏振态倒换装置(7)处于任一种工作状态时，传感光纤(6)所得到的信号为传感光纤(6)中的散射光信号与偏振方向沿保偏光纤快轴或慢轴的线偏振光经耦合器(8 )和平衡光电探测器(9 )相干外差检测之后的结果；当传感光纤(6 )某个位置受到应变影响时，该位置处产生的布里渊散射光的布里渊频移的大小发生改变；受到振动影响时，该位置处探测脉冲光的偏振态发生变化，进而使在传感光纤(6)中的布里渊散射光的偏振态发生变化；因此通过测量布里渊散射光的中心频率，对传感光纤(6)的应变进行传感，通过测量布里渊散射光的偏振态变化，对传感光纤(6)的振动进行传感。
5.根据权利要求4所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法，其特征是传感光纤(6)得到的信号包含有布里渊散射光偏振态变化的信息，利用偏振光时域反射(POTDR)原理进行测量，利用散射光偏振态的变化信息对振动进行传感。
6.根据权利要求4所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法，其特征是当偏振态倒换装置(7)在第一和第二两种工作状态下分别工作等长时间，将在此两种工作状态下得到的外差信号功率累加，则可消除传感光纤中光波偏振态变化的影响。此时可利用布里渊光时域反射(BOTDR)方法进行测量，利用布里渊散射光的频率信息对光纤中的应变进行传感。
7.根据权利要求4所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法，其特征是当偏振态倒换装置(7)处于任一种工作状态时，由于脉冲光在光纤中不同位置的偏振态各不相同，由平衡光电探测器(9)相干外差检测之后得到的脉冲光在光纤沿线产生的布里渊信号有相应的波动起伏。在不同的时间多次测量光纤中的布里渊信号后，通过比较它们之间波动起伏的不同或利用时频变换的方法分析光纤各位置处波动起伏变化的频谱，可得到光纤中脉冲光在某位置处的偏振态的变化情况。
8.根据权利要求4所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法，其特征是脉冲光在传感光纤中传输时会不断在光纤沿线产生布里渊散射光，其中心频率相对于探测光的中心频率有一定的偏移，此偏移被称为布里渊频移Vb ;将微波源(10)的频率设置为νΜ (Vm与Vb较为接近)，则该高频信号经混频器(11)后，其中心频率会被转换到Vb-VmI ;通过扫描微波源(10)的频率来调整混频器(11)的输出信号的频率，当通过带通滤波器(12)的信号功率达到最大时，即可得到布里渊散射光的布里渊频移，其大小为vB =vM_fBPF，其中fBPF为带通滤波器(12)的中心频率。
9.根据权利要求4所述的基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感方法，其特征是传感装置在测量振动和应变时利用的散射光均为布里渊散射光。
全文摘要
一种基于正交偏振态倒换的全分布式光纤应变与振动传感装置，包括激光器(1)，保偏耦合器(2)、保偏光纤、脉冲调制模块(3)、光放大器(4)、环形器(5)、传感光纤(6)、偏振态倒换装置(7)、耦合器(8)、平衡光电探测器(9)、微波源(10)、混频器(11)、带通滤波器(12)、信号采集与处理单元(13)；激光器的输出的连续光经保偏耦合器(2)后分为两路其中保偏耦合器(2)输出的第一路中所有的连接光纤均为保偏光纤，经偏振态倒换装置后，再输入到耦合器(8)的第一输入端；偏振态倒换装置具有两种状态，分别使输出的线偏振光的偏振方向对应于保偏光纤的快轴和慢轴；带通滤波器输出端连接到信号采集与处理单元。
文档编号G01H9/00GK102937416SQ20121047292
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者王峰, 张旭苹 申请人:南京大学