一种低反射倾斜光栅阵列同Φ‑OTDR相结合的光纤振动传感系统的制作方法

本发明涉及基于Φ-OTDR的光纤振动传感系统技术领域，主要是对传感光纤结构的改进，具体涉及一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统。

背景技术：

在Φ-OTDR光纤振动传感系统中，窄线宽激光器发出的连续光波经由脉冲调制和光放大后，通过环形器注入传感光纤。Φ-OTDR中注入光纤的光是强相干的，因此该系统的输出就是脉冲宽度范围内后向散射瑞利光相干涉的结果。假定传感光纤处于理想状态中，则经由传感光纤返回的后向瑞利散射波形应是恒定不变的，如果在传感光纤中的某一点加入微扰，那么传感光纤在该点的折射率就会发生改变，这将导致该位置处光相位发生改变，由于干涉作用，其相应的后向瑞利散射光光强会发生改变。通过探测器探测后向瑞利散射光，并将不同时刻的后向瑞利散射光曲线相减来检测这种效应，相减的曲线上光强发生变化的时间位置同微扰点的位置相对应，从而也就找到微扰点的位置。由于采用的是窄线宽激光器，因而引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，探测光纤范围的弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。目前，Φ-OTDR的主要性能参数包括动态范围、空间分辨率、误报率和灵敏度等。动态范围是Φ-OTDR系统中一个非常重要的指标，表征了传感光纤能够铺设的最远距离，即系统的最大测量距离。误报率是系统的又一重要性能指标。几乎在所有的振动传感系统中，如何快速而准确地定位出振动信号的位置所在，确定振动的类型，一直是研究的重点，而动态范围和误报率都很大程度上取决于信噪比的高低。灵敏度是指在保证误码率为一定值的情况下，能检测到信号的最低接收平均光功率。在光纤振动传感系统中，灵敏度就是对微弱振动信号的响应能力。普通Φ-OTDR系统中，探测范围和灵敏度都相对较低，这也是亟需解决的关键问题。

光纤光栅是一种无源器件，实质上是一种窄带的滤波器或反射镜。当一束宽谱光经过光纤光栅时，满足其光纤光栅布拉格条件的波长的光将发生反射，其余波长的光将透过光纤光栅继续传输。光纤光栅的主要应用是通过对光纤光栅中心波长的漂移量的检测，来测定外界参量如应力、温度等的变化，且不会受到光源功率稳定性的影响。低反射倾斜光栅与普通光栅的不同之处在于其光栅平面与光纤横截面并不平行，而是成一夹角。这种光栅不但可以将入射光部分耦合为后向传导的导模，而且还可将一部分入射光耦合为后向传导的包层模。由于普通光纤光栅的温度、应变的敏感性，随着外界环境温度、应变等因素的改变，光栅中心波长将发生漂移，激光器中心波长也会发生漂移，从而其中心波长与激光器光波长发生偏离，会减弱补偿光功率的作用。而倾斜光栅由于多个包层模的存在，并横跨了一个很宽的波长范围，从而避免了受波长漂移的影响。

Φ-OTDR光纤振动传感系统主要应用于现今社会不同场合和不同环境的安防监测，且特别适合于大范围监测。基于其抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、使用周期长以及分布式监测等诸多优点，已成为用于监测和保护国境、军事基地、发电厂、核设施及监狱等的分布式光纤传感防入侵系统中的研究热点。由于该系统的用途非常广泛，要适应各种不同场合和环境，所以需求一种可靠稳定的分布式光纤传感系统，而系统的稳定性问题一直是当今国内外多年研究的重点难点，因此，推进关于Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的环境温度、应变不敏感特性的研究具有非常重要的社会价值。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明旨在提供一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，现有技术由于无法补偿后向瑞利散射而存在最终探测信号的信噪比很低，并且现有的弱反射光纤光栅传感特性主要体现在其中心波长会随外界环境温度、应力等条件的变化而漂移，其整个反射谱的包络线也会随外界环境因素的变化而移动，这会导致探测信号不稳定等问题的产生。

本发明将低反射倾斜光栅阵列同相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)光纤振动传感系统相结合，通过对传感光纤结构的改进，能够大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，同时系统具有对外界环境的温度、应变等因素不敏感的效果。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入低反射倾斜光栅阵列。利用低反射倾斜光栅的反射谱特性，可以达到提升Φ-OTDR光纤振动传感系统的信噪比和灵敏度的效果的同时，具有对环境温度、应变不敏感的良好特性。

一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路，其中99％的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA(掺铒光纤放大器)进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1％的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中，其特点在于，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入低反射倾斜光栅阵列或者传感光纤全部为低反射倾斜光栅阵列。

上述技术方案中，各个低反射倾斜光栅在传感光纤中要以等间距排布。

上述技术方案中，低反射倾斜光栅阵列的每个倾斜光栅反射率、倾角、纤芯模中心波长和带宽等所有参数均相同。

上述技术方案中，低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

上述技术方案中，传感光纤采用低反射倾斜光栅阵列。

本发明中使用的低反射倾斜光栅，亦是利用了其对纤芯模光的反射特性，用以增强后向瑞利散射信号，提高系统信噪比和灵敏度。低反射倾斜光栅同Φ-OTDR光纤振动传感系统相结合，低反射倾斜光栅陈列沿光纤传感线路以同等间距依次排布。当系统的空间分辨率等于低反射倾斜光栅间距的整数倍或相同时，所检测到的信号将是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加，其相应位置的信号幅度较普通Φ-OTDR光纤振动传感系统的大很多。而且由于低反射倾斜光栅的反射谱特性，有一个纤芯模和多个包层模的存在，在外界环境温度、应变变化时，可以在反射谱移动的情况下仍然能达到补偿后向瑞利散射信号的作用。因此，本系统中的信噪比、灵敏度由于增强探测到的信号幅度而得到提升，更能适应对大范围、各种不同环境或者环境不稳定的情况下的监测的应用需求。

因为本发明采用以上技术方案，所以具备以下有益效果：

1.不论倾斜光纤光栅纤芯模及包层模的中心波长随外界环境温度、应力等条件变化而怎样漂移，其整个反射谱的包络线怎样随外界环境因素的变化而移动，本发明通过选取最合适的倾斜光栅光纤特性参数，都能够让倾斜光纤光栅的包层模反射信号充分地补偿探测到的后向瑞利散射信号，从而获得系统稳定性显著提升，达到提升Φ-OTDR光纤振动传感系统的信噪比和灵敏度的效果的同时，具有对环境温度、应变不敏感的良好特性；

2.能大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，由于信噪比得到了提升，从而也就提高了Φ-OTDR系统的动态范围；特别是在对某些关键部位的振动检测中，通过对该关键段传感光纤的改良，以其经过提高的信噪比能得到更好的检测结果，且不影响其分布式传感功能；同时，由于其能将整段光纤的有用信号大幅度提升，而噪声信号强度并未变化，所以其也能减少Φ-OTDR系统整体的误报率及漏报率；通常实现长距离光纤传感，需要足够输出光功率足够大地EDFA，加大成本，若加入倾斜光栅能够提升信号强度，便可以解决这一问题，节约了系统成本；而且，本系统采用的是低反射倾斜光栅，由于其反射谱的特殊性，在外界温度、应变变化的情况下，无论其光栅中心波长怎么漂移，都不会影响系统工作效果；另外，由于倾斜光栅很多阶包层模波长的反射峰，分布于一个较宽的波长范围内，所以在制作和选取光栅时，不用太苛求于光纤光栅的较宽的3dB带宽；和普通光纤光栅相比，减少了对光纤光栅封装、固定等减敏措施，节约了一定成本；总体来说，通过与低反射倾斜光栅结合，Φ-OTDR系统性能指标能得到很大的优化，同时很适用于不同环境或外界环境变化的情况。

附图说明

图1是一种典型的低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统结构图。

图2是一种普通的Φ-OTDR的光纤振动传感系统结构图。

图3是接入低反射倾斜光栅光栅阵列后的传感光纤结构图。

图4是倾斜光栅原理图。

图5是低反射倾斜光栅的透射谱和反射谱。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是一种典型的低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统结构图。

Φ-OTDR光纤振动传感系统采用窄线宽激光器作为光源，其注入光纤的光是强相干的，因此该系统的输出就是脉冲宽度范围内后向瑞利散射光相干涉的结果。当光纤线路上受到外界干扰时，对应位置处光纤折射率将会发生变化，这将导致该位置光相位的变化，光相位的变化又会引起后向瑞利散射光干涉信号强度变化。因此，通过对比其后向瑞利散射光干涉信号强度变化可以判断出外界干扰的具体位置。低反射倾斜光栅阵列的引入能提高系统的信噪比和灵敏度。

图2是一种普通的Φ-OTDR的光纤振动传感系统结构图。其他部分和图1完全一致，仅仅在光纤末端未接入低反射倾斜光纤光栅。

图3是接入低反射倾斜光栅光栅阵列后的传感光纤结构图。低反射倾斜光栅阵列在传感光纤中以等间距排布，且间距的选取要同该光纤传感系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍。

图4是倾斜光栅原理图。对于倾斜光纤光栅，其栅面与光纤横截面并不平行，而是有一倾斜角度θ。在将入射宽带光的一部分反射从而在反射谱上形成谐振峰的同时，还能够将一部分入射光从光栅纤芯耦合进入包层从而形成许多反向传播的包层模。

图5是低反射倾斜光栅的透射谱和反射谱，倾斜光纤光栅与普通光纤布拉格光栅结构上的差异导致其光谱与后者的光谱相比也发生了明显的变化。当倾斜光栅的倾角不是太大时几个低阶的包层模式会叠加在一起，形成一个较强的透射峰值，被称为幻影模。

本发明提出了一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，该系统同一般Φ-OTDR光纤振动传感系统相比，能大大提高系统对振动检测的信噪比和灵敏度，且同时适应于外界环境温度、应变变化的情况，本发明采用如下技术方案：

如图1本系统包括窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经分光比为1:99的光纤耦合器分为两路。其中99％的那路作为系统的本地光，经脉冲调制器调制为脉冲光，再经EDFA进行光放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生后向瑞利散射光信号；而1％的那路作为系统的参考光，经过声光移频器引入频移后，同返回接收端的后向瑞利散射光经过一个1:1的光纤耦合器拍频，得到拍频信号，该信号被光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和处理系统中。

(一)、本发明中所采用的低反射倾斜光栅阵列是全同的低反射倾斜光栅，具有相同的倾角、纤芯模中心波长和反射率等参数，对纤芯模及包层模的光均表现出弱反射特性。

(二)、本发明中低反射倾斜光栅阵列在传感光纤中要以等间距排布，保证反射的光功率对后向瑞利散射信号的功率加强在整个传感光纤范围中保持分布均匀。

(三)、本发明中低反射倾斜光栅之间间距的选取要同该光纤传感系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍。当选取的低反射倾斜光栅之间间距同该光纤传感系统的空间分辨率相同时，其探测到的后向瑞利散射信号幅值将刚好在整个光纤传感范围内得到提升；当选取的低反射倾斜光栅的间距为空间分辨率的1/n倍时(n＝1,2,3…)，亦能使后向瑞利散射信号幅值在整个光纤传感范围内得到提升，且提升幅度更大，但所需的低反射倾斜光栅数量亦增加了n倍。

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述，具体步骤如下：

步骤一：

首先考虑低反射倾斜光栅反射信号对后向瑞利散射信号的影响，由于最后探测到的信号是一个低反射率倾斜光栅反射信号和一个后向瑞利散射信号的叠加，其信噪比的提高可由以下公式表示：

其中S_C为结合系统的信号强度，S_T为一般Φ-OTDR光纤振动传感系统探测到的信号强度，S_TFBG为由低反射倾斜光栅反射的信号强度，N为噪声信号。

步骤二：

低反射倾斜光栅阵列之间会有多次反射，后向瑞利散射信号亦是微弱信号，然而由于采用的低反射倾斜光栅的反射率很低，在1％以下，低反射倾斜光栅之间的反射光功率就更低了，远小于后向瑞利散射信号光功率，故在本系统中不用考虑低反射倾斜光栅阵列之间的反射。

步骤三：

低反射倾斜光栅阵列间距的选取，同本Φ-OTDR光纤振动传感系统的空间分辨率密切相关，低反射倾斜光栅的间距要同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍。这里空间分辨率P可由以下公式表示：

P＝c·ΔT/2n_g (2)

其中，c为光速，ΔT为脉冲光宽度，n_g为传感光纤的群折射率。

当低反射倾斜光栅间距同本系统的空间分辨率P相同时，低反射倾斜光栅阵列反射的光功率将恰好覆盖整个光纤传感范围。同时需要注意，当系统的调制脉冲宽度发生改变时，相应的系统空间分辨率亦会发生改变，故对已经接入低反射倾斜光栅阵列的传感光纤，只能应用在固定空间分辨率的Φ-OTDR光纤振动传感系统中。

步骤四：

在不考虑外界环境因素时，倾斜光栅的纤芯模及包层模的中心波长只由光栅本身的结构及材料特性决定，其具体数值由相位匹配条件给出。其中纤芯模的中心波长即Bragg波长可以表示为：

其中，n_eff表示纤芯在波长为λ_B时的有效折射率，Λ表示光栅周期，Θ表示光栅平面相对于光纤横截面的倾角。

各阶包层模的中心波长可以表示为:

其中，和分别表示纤芯和包层在波长为时的有效折射率。

步骤五：

当低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同时，在传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加，其信噪比因低反射倾斜光栅阵列而得到提升。当低反射倾斜光栅反射率越高时，信噪比提升效果越明显。可是，随着低反射倾斜光栅反射率的增大，透射光的光功率降低，会减小传感光纤的传感距离。而且过高的光功率会超过光探测器的最大额定输入，造成探测器损坏。一般认为当传感光纤尾端的低反射倾斜光栅反射的光功率低于该处后向瑞利散射光功率时，或者说光栅反射光被瑞利散射光淹没，反射光功率对系统信噪比提升无效果。因此，应合理选择低反射倾斜光栅的反射率以使其与Φ-OTDR光纤振动传感系统的传感距离达到平衡。

步骤六：

低反射倾斜光栅的倾角对其包层模的特性有较大的影响：低于45°的倾角会将正向传播的纤芯模耦合到反向传播的纤芯模和反向传播的包层模，而大于45°的倾角则会将正向传播的纤芯模耦合到反向传播的纤芯模和正向传播的包层模。而且，随着光栅倾角的逐渐增大，纤芯模和包层模的共振深度均逐渐减小，半峰宽度亦随之逐渐减小，也就是反射光的强度减小，所以一般来说，倾角不宜过大。本发明主要利用的是反向传播的包层模，而采用10°以下倾角比较有利于包层模的产生，而且包层模反射光光功率不会太大，因此选用倾角为10°以下的低反射倾斜光栅。

步骤七：

倾斜光纤光栅的光栅长度也是影响反射光谱的一个重要参量，经过仿真分析，可以发现，随着光栅长度的逐渐增大，半峰宽度并无太大变化，且各模式中心波长不发生移位，但纤芯模和包层模的共振深度均逐渐增大，反射光也就越强，且当光栅长度达到一定值时，纤芯模中心波长会发生截止现象。基于上述可知，倾斜光纤光栅的长度是影响反射光谱共振深度的主要因素，通过仿真得知，通常选择光栅长度为3cm以上的低反射倾斜光栅效果较好。

实施例1、

一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入低反射倾斜光栅阵列。低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

实施例2、

一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，在该光纤振动传感系统的传感光纤部分，接入低反射倾斜光栅阵列。各个低反射倾斜光栅在传感光纤中要以等间距排布。低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

实施例3、

一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，传感光纤采用低反射倾斜光栅阵列。低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

实施例4、

一种低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统，传感光纤采用低反射倾斜光栅阵列。各个低反射倾斜光栅在传感光纤中要以等间距排布。低反射倾斜光栅阵列的间距同本系统的空间分辨率相同或满足空间分辨率为其整数倍，传感光纤中返回的信号是低反射倾斜光栅的反射信号同后向瑞利散射信号的叠加。

上面已对本发明所设计的低反射倾斜光栅阵列同Φ-OTDR相结合的光纤振动传感系统进行了详细的说明，并给出该低反射倾斜光栅阵列用于传感光纤结构改进的具体参数，但在实际应用中，应综合考虑光纤损耗、入纤光功率、脉冲宽度、瑞利散射、倾斜光栅反射率、低反射倾斜光栅倾角、倾斜光栅光栅长度、低反射倾斜光栅数量、光电探测器的探测灵敏度以及最大传感范围等因素，合理选择，以达到最优化的Φ-OTDR光纤振动传感系统效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。