一种高指标分布式光纤振动传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种高指标分布式光纤振动传感器，其解决了现有分布式光纤振动传感器传输距离短、灵敏度低、准确度低的技术问题，其包括第一分光器、调制放大器、第二分光器、可调衰减器、第一光路、第二光路、泵浦器、两个传感光缆、外差探测器和采集控制器，第一分光器的一路输出端与调制放大器连接，另一路10％输出端与外差探测器连接，调制放大器的输出端与第二分光器连接；第二分光器分别与可调衰减器和第二光路连接；可调衰减器的输出端与第一光路连接，泵浦器的输出端分别与两个光路接；两个传感光缆分别与两个光路连接，采集控制器的输入端与外差探测器连接。其广泛用于国防边界、管道、光电缆等长距离、高精度的安防监测。
【专利说明】一种高指标分布式光纤振动传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤振动传感器，具体说是一种高指标分布式光纤振动传感器。
【背景技术】
[0002]目前，振动信息的探测分析已经在很多领域得到应用，随着技术的发展提高，也逐步应用于周界安防领域。现有的周界安防系统有脉冲围栏、红外对射、振动电缆、光纤振动传感器等多种监测系统，各系统的应用领域和性能也各不相同。脉冲围栏的特点是能够在监测的同时还能够实现震慑的作用，但其监测距离短，其适用于厂区、园区等小区域性监测；红外对射因其易于受到其他外界环境干扰而失效，其适应于室内贵重物品、资料、设备等安全监测；振动电缆可实现较长距离传输，但电磁干扰对其影响很大，应用具有很大的局限性；光纤振动传感器应用相对灵活，可进行区域性应用，同时因其长距离传输、本征无源的特性，应用适应性强。
[0003]分布式光纤振动传感器是目前研究的热点，其主要应用于国防边界、油气管道、光电缆等长距离的安全监测。然而随着技术的进步，人们对分布式光纤振动传感器的准确度、灵敏度、传输距离等性能指标提出来越来越高的要求，现有的分布式光纤振动传感器已经不能满足市场的需求。
【发明内容】
[0004]本发明就是为了解决现有分布式光纤振动传感器传输距离短、灵敏度低、准确度低的技术问题，提供一种传输距离长、灵敏度高、准确度高的高指标分布式光纤振动传感器。
[0005]本发明的技术方案是，提供一种高指标分布式光纤振动传感器，包括第一分光器、调制放大器、第二分光器、可调衰减器、延长光缆、第一光路、第二光路、泵浦器、第一传感光缆、第二传感光缆、外差探测器和米集控制器，第一分光器设有一路90%输出端和一路10 %输出端，一路90 %输出端与调制放大器连接，一路10 %输出端与外差探测器连接，调制放大器的输出端与第二分光器连接；第二分光器设有两路50%输出端，其中一路与可调衰减器连接，另一路通过延长光缆与第二光路连接；可调衰减器的输出端与第一光路连接，泵浦器的输出端分别与第一光路和第二光路连接；第一传感光缆与第一光路连接，第二传感光缆与第二光路连接，采集控制器的输入端与外差探测器连接，采集控制器的脉冲输出端与调制放大器连接；第一光路和第二光路分别设有后向散射信号输出端，第一光路的后向散射信号输出端与外差探测器连接，第二光路的后向散射信号输出端与外差探测器连接。
[0006]优选地，调制放大器包括调制器和光放大器，采集控制器的脉冲输出端与调制器连接，光放大器与调制器连接，第二分光器与光放大器连接，第一分光器的一路90%输出端与调制器连接。
[0007]优选地，外差探测器包括第三分光器、第四分光器、第五分光器和双路外差探测器，第一分光器的一路10%输出端与第三分光器的输入端连接；第三分光器设有两路50%输出端，其中一路50%输出端与第四分光器的输入端连接,另一路50%输出端与第五分光器的输入端连接；第一光路的后向散射信号输出端与第四分光器的输入端连接，第二光路的后向散射信号输出端与第五分光器的输入端连接，第四分光器的输出端和第五分光器的输出端分别与双路外差探测器的输入端连接，双路外差探测器的输出端与采集控制器的输入端连接。
[0008]优选地，泵浦器包括第一泵浦源和第二泵浦源，第一光路包括第一叁端口光环形器和第一波分复用器，第二光路包括第二叁端口光环形器和第二波分复用器；第一叁端口光环形器设有I端口、2端口和3端口，第二叁端口光环形器设有I端口、2端口和3端口，第一波分复用器设有反射端口、透射端口和公共端口，第二波分复用器设有反射端口、透射端口和公共端口 ；第一泵浦源与第一波分复用器的透射端口连接，第二泵浦源与第二波分复用器的透射端口连接；可调衰减器的输出端与第一叁端口光环形器的I端口连接，第一叁端口光环形器的2端口与第一波分复用器的反射端口连接，第一叁端口光环形器的I端口与第四分光器的输入端连接；第二叁端口光环形器的3端口与第五分光器的输入端连接，延长光缆与第二叁端口光环形器的I端口连接，第二叁端口光环形器的2端口与第二波分复用器的反射端口连接；第一传感光缆与第一波分复用器的公共端口连接，第二传感光缆与第二波分复用器的公共端口连接。
[0009]优选地，还设有光源，光源与第一分光器连接。
[0010]本发明的有益效果是，采用后向散射信号的原理来实现入侵定位，同时通过外差探测器分析确定每一点的光缆特性变化，从而确定振动信息的变化，有效地增加了系统的增益，提高了系统的精度、灵敏度和距离；在叁端口光环形器、波分复用器和泵浦源的作用下实现了拉曼放大，有效提高输入到光纤中的能量，实现光信号更远距离的传输，同时增加灵敏度和精度；在双路外差探测器和采集控制器的作用下采用弱信号低噪放大技术和双通道独立采集技术，有效提高系统信噪比，同时两通道采集单独实现，互补影响，应用更加灵活。
[0011]本发明可实现传感距离大于80公里的传感距离，同时可保证定位精度为15米的周界防范系统。
[0012]本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的【具体实施方式】的描述中，得以清楚地记载。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的原理框图；
[0014]图2是本发明进一步优选的结构示意图。
[0015]图中符号说明:
[0016]1.光源；2.第一分光器；3.调制放大器；4.第二分光器；5.可调衰减器；6.第一光路；7.延长光缆；8.第二光路；9.泵浦器；10.外差探测器；11.采集控制器；12.上位机；13.第一传感光缆；14.第二传感光缆；15.调制器；16.光放大器；17.第一春端口光环形器；18.第一波分复用器；19.第一泵浦源；20.第二叁端口光环形器；21.第二波分复用器；22.第二泵浦源；23.第三分光器；24.第四分光器；25.第五分光器；26.双路外差探测器。
【具体实施方式】
[0017]以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0018]如图1所示，光源I输出连续光信号，该连续光信号经过第一分光器2分为90% —路输出和10%—路输出。调制放大器3在采集控制器11的脉冲控制下将90%—路输出光信号调制成脉冲光信号并进行光信号放大，提升光功率。
[0019]由调制放大器3输出的高功率脉冲信号经过第二分光器4分为两路，两路信号采用均分的方式分出，其中一路进入可调衰减器5后输出，另一路进入延长光缆7中。可调衰减器5输出光功率的大小由采集控制器11的光功率控制输出端进行调节。延长光缆7起通信的作用，作为主机与传感光缆之间的桥梁。
[0020]可调衰减器5输出的信号进入第一光路6与泵浦器9输出的泵浦光信号汇聚共同进入到第一传感光缆13中，保证输出到第一传感光缆13的光功率最大的应用和更长距离的传感。
[0021]延长光缆7中的光信号进入第二光路8与泵浦器9输出的泵浦光信号汇聚共同进入第二传感光缆14中，保证输出到第二传感光缆14的光功率最大的应用和更长距离的传感。
[0022]第一分光器2输出的10%光信号经过外差探测器10进行外差探测处理后实现滤波和信号放大，采集控制器11对外差探测器10输出的模拟信号转换成数字信号给上位机12，上位机12对该数字信号进行数据处理和计算。
[0023]如图2所示，调制放大器3包括调制器15和光放大器16，调制器15由采集控制器11的脉冲输出端进行脉冲的控制，将90%—路输出光信号调制成脉冲光信号,光放大器16将调制器15输出的脉冲光信号进行放大以提升光功率。
[0024]第一光路6包括第一叁端口光环形器17和第一波分复用器18，泵浦器9包括第一泵浦源19和第二泵浦源22。第一叁端口光环形器17设有I端口、2端口和3端口，信号从I端口传送到2端口再到3端口。可调衰减器5的信号输出端与第一叁端口光环形器17的I端口相接，第一叁端口光环形器17的2端口连接第一波分复用器18的反射端口，同时第一泵浦源19的泵浦光信号输出端与第一波分复用器18的透射端口连接。在第一叁端口光环形器17、第一波分复用器18和第一泵浦源19的作用下，实现了拉曼放大，有效地增加了系统灵敏度和传感距离。第一波分复用器18为3端口 WDM，设有反射端口(R)、透射端口(T)和公共端口(COM)。
[0025]第二光路8包括第二叁端口光环形器20和第二波分复用器21，延长光缆7的输出端与第二叁端口光环形器20的I端口相接。第二叁端口光环形器20设有I端口、2端口和3端口，信号从I端口传送到2端口再到3端口。第二叁端口光环形器20的2端口连接第二波分复用器21的反射端口，同时第二泵浦源22的泵浦光信号输出端与第二波分复用器21的透射端口连接。在第二叁端口光环形器20、第二波分复用器21和第二泵浦源22的作用下，实现了拉曼放大，有效地增加了系统灵敏度和传感距离。第二波分复用器21为3端口 WDM，设有反射端口(R)、透射端口⑴和公共端口(COM)。
[0026]外差探测器10包括第三分光器23、第四分光器24、第五分光器25和双路外差探测器26，第一分光器2出的10%光信号经过第三分光器23分为两路A、B，两路信号采用均分的方式分出，其中A路进入第四分光器24,B路进入第五分光器25。第一传感光缆13产生的后向散射信号(从第一春端口光环形器17的3端口输出)与A路信号在第四分光器24中汇聚后形成一路探测信号，第二传感光缆14产生的后向散射信号(从第二叁端口光环形器20的3端口输出)与B路信号在第五分光器25中汇聚后形成一路探测信号，这两路探测信号送入双路外差探测器26实现外差探测后进行滤波和信号放大。
[0027]经过双路外差探测器26处理后的两路携带有第一传感光缆13、第二传感光缆14的振动信息的原始模拟信号，进入采集控制器11，被采集控制器11的双路ADC探测，完成两路信号的采集，同时将采集到的数字信号上传上位机12进行数据处理和计算，同时上位机12与采集控制器11之间通过USB或PCI进行接口通信，完成上位机12对底层硬件的控制。
[0028]实现双通道采集的采集控制器11分为数据采集模块、FPGA及外围电路组成，采集模块采用了 2片高速ADC及差分电路组成，最高采样速率可达100MSPS。FPGA用于控制外围电路的工作状态及整个系统的工作时序，其主要功能有:(I)实现了对2路采集ADC的启动及停止采集单独进行控制功能；(2)采用内部的RAM块构建存储单元实现了对采集数据的累加功能，累加次数最高高达25.6万次；(3)产生时钟信号，控制调制器的工作频率，实现对直流信号的调制作用；(4)通过上位机通信，实现对衰减器的衰减倍数的大小可控。其采用双时钟控制方式，对两个通道的触发时间单独控制；采用大数据量存储和实时上传的方式，可将两个通道上的数据先存放，进行去噪处理后统一上传，保证采集控制器11与上位机12能够实现实时的数据传输，不会出现漏点现象。
[0029]上位机12可采用整机工控机或工控主板，将采集到的数据上传后进行数据处理，同时发出报警信息和进行设备联动。
[0030]由第一传感光缆13或第二传感光缆14产生的瑞利散射信号为:ES=kscos (ω jt+ Φ ^，第三分光器23分出的两路本振光信号为E1 = ^cos (ω 2t+Φ 2)。
[0031]分别在第四分光器24和第五分光器25处汇合进入到双路外差探测器26，其信号强度为:
[0032],⑴=~ + ~ + cos(2i^/ + 2(j\) + Iq1 cos(2r^/ + 2办)]
+Uii cos[(呦 + (Οτ)/ + (^ + ^)] + kJu cos[(r/J1- OJ1)/ + - φ2)]
[0033]因为光频很高，双路外差探测器26的响应无法满足，从而实现外差探测，并且采用非平衡交流耦合方法，可以将直流的信号量给滤除掉，保证得到的信号为需要进行分析的有用信号，信号为:
[0034]I (t) = 1^1^。08[(00「(02)七+(4)「小2)]。
[0035]将该?目号通过频率差和相位差表不为:I(t) = IisIi1Cos (2 π Δ ft+ Δ φ)。
[0036]如果采用直接探测的方法，直接探测到的光功率为山⑴=2ks2cos (2 n A ft+ Δ φ)。
[0037]采用外差探测和直接瑞利探测的方法比较，其信号比值为:
I(t) kj
[0038]a
[0039]在外差探测系统中，本振信号远大于瑞利信号，所以Ic1 >> ks，采用外差探测实现的系统比直接瑞利探测信号更强，配合拉曼放大技术，通过光纤本身的拉曼效应，提升光功率。采用外差探测技术和拉曼放大技术，均有效的提升了信号的强度，增加系统灵敏度和传感距离。
[0040]光源I可采用超窄线宽激光器或DFB激光管，线宽小于5kHz，频率稳定性小于50MHz，输出功率大于20MW，保偏特性，偏振消光比大于23dB。
[0041]调制器15可采用声光调制器、电光调制器和半导体光放大器实现脉冲信号的调制作用，其输入承受光功率大于5W,消光比大于50dB,回波损耗大于40dB,上升时间小于20ns ο
[0042]光放大器16的峰值功率输出大于2W，可采用掺铒光纤放大器来实现。
[0043]可调衰减器5的衰减可调节范围为30dB，同时插损小于ldB，可采用旋钮可调衰减器、微机械可调衰减器或其可实现衰减功能的器件。
[0044]第一叁端口光环形器17和第二叁端口光环形器20这两个三端口光环形器，都是I端口进2出，2端口进3端口出，端口之间隔离度大于40dB，各通道插损小于0.7dB。
[0045]第一波分复用器18和第二波分复用器21的通带宽度为±6nm，插损小于0.7dB，其可采用滤波片或FBG等复用器。
[0046]第一泵浦源19和第二泵浦源22可采用大功率泵浦激光器，其功率需保证大于200MW,通过泵浦的介入能够有效提升信号增益，增加传输距离。
[0047]延长光缆7的内部光纤类型可以为单模G652D光纤。
[0048]第一传感光缆13和第二传感光缆14可采用振动光缆，在保证适应室外环境的同时，增强器敏感特点，以适应振动入侵的探测。
[0049]双路外差探测器26设有光电探测器、放大电路和滤波电路，光电探测器采用高带宽、高响应和高增益的InGaAs光电二极管进行光电转换，带宽满足14?18GHz，响应上升时间小于15ps，其增益可达0.7?0.9A/W ;放大电路采用高带宽运放，在信号放大的同时保证信号的真实特性；滤波电路采用交流滤波方式，滤除真实信号的直流分量，同时可对信号进行调理，实现硬件去噪，有效地提高了信噪比。
[0050]以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种高指标分布式光纤振动传感器，其特征是，包括第一分光器、调制放大器、第二分光器、可调衰减器、延长光缆、第一光路、第二光路、泵浦器、第一传感光缆、第二传感光缆、外差探测器和采集控制器，所述第一分光器设有一路90%输出端和一路10%输出端，所述一路90%输出端与所述调制放大器连接，所述一路10%输出端与所述外差探测器连接，所述调制放大器的输出端与所述第二分光器连接；所述第二分光器设有两路50%输出端，其中一路与所述可调衰减器连接，另一路通过所述延长光缆与所述第二光路连接；所述可调衰减器的输出端与所述第一光路连接，所述泵浦器的输出端分别与所述第一光路和第二光路连接；所述第一传感光缆与所述第一光路连接，所述第二传感光缆与所述第二光路连接，所述采集控制器的输入端与所述外差探测器连接，所述采集控制器的脉冲输出端与所述调制放大器连接；所述第一光路和所述第二光路分别设有后向散射信号输出端，所述第一光路的后向散射信号输出端与所述外差探测器连接，所述第二光路的后向散射信号输出端与所述外差探测器连接。
2.根据权利要求1所述的高指标分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述调制放大器包括调制器和光放大器，所述采集控制器的脉冲输出端与所述调制器连接，所述光放大器与所述调制器连接，所述第二分光器与所述光放大器连接，所述第一分光器的一路90 %输出端与所述调制器连接。
3.根据权利要求2所述的高指标分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述外差探测器包括第三分光器、第四分光器、第五分光器和双路外差探测器，所述第一分光器的一路10%输出端与所述第三分光器的输入端连接；所述第三分光器设有两路50%输出端，其中一路50%输出端与所述第四分光器的输入端连接，另一路50%输出端与所述第五分光器的输入端连接；所述第一光路的后向散射信号输出端与所述第四分光器的输入端连接，所述第二光路的后向散射信号输出端与所述第五分光器的输入端连接，所述第四分光器的输出端和所述第五分光器的输出端分别与所述双路外差探测器的输入端连接，所述双路外差探测器的输出端与所述采集控制器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的高指标分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述泵浦器包括第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一光路包括第一叁端口光环形器和第一波分复用器，所述第二光路包括第二叁端口光环形器和第二波分复用器；所述第一叁端口光环形器设有I端口、2端口和3端口，所述第二叁端口光环形器设有I端口、2端口和3端口，所述第一波分复用器设有反射端口、透射端口和公共端口，所述第二波分复用器设有反射端口、透射端口和公共端口 ；所述第一泵浦源与所述第一波分复用器的透射端口连接，所述第二泵浦源与所述第二波分复用器的透射端口连接；所述可调衰减器的输出端与所述第一叁端口光环形器的I端口连接，所述第一叁端口光环形器的2端口与所述第一波分复用器的反射端口连接，所述第一叁端口光环形器的I端口与所述第四分光器的输入端连接；所述第二叁端口光环形器的3端口与所述第五分光器的输入端连接，所述延长光缆与所述第二叁端口光环形器的I端口连接，所述第二叁端口光环形器的2端口与所述第二波分复用器的反射端口连接；所述第一传感光缆与所述第一波分复用器的公共端口连接，所述第二传感光缆与所述第二波分复用器的公共端口连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的高指标分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述分布式光纤振动传感器还设有光源，所述光源与所述第一分光器连接。
【文档编号】G01H9/00GK104266742SQ201410564524
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】史振国, 王建强, 乔秋晓, 张凯, 刘伟, 姜昌海 申请人:威海北洋光电信息技术股份公司