一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种气体检测装置，具体涉及一种连续分布式光纤气体检测的装置。

背景技术：

我国经济的快速发展带来的安全问题十分严峻，频繁发生的各类恶性事故，不仅对相关从业人员造成了人身伤害，还给国家造成了巨大的经济损失，产生了恶劣的社会影响。这些事故基本上都涉及到危险气体的快速检测、实时监测等相关问题。另外，近年来环境问题也日渐突出，大气污染造成的温室效应、酸雨、雾霾等现象不仅对社会造成了直接或间接的经济损失，更是对人们的健康造成了严重的危害。光纤传感技术是以光纤作为载体，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术，光纤传感器相对于传统电学传感器具有抗电磁干扰和辐射、轻便、绝缘、测量对象多、复用性强等多种优势，由于光纤传感技术自身的多种优点，一经出现就受到极大的重视，得到各个领域研究者的关注。因此，研制各种高灵敏度、快速响应、可远程定位检测的光纤气体传感器势在必行，已成为当今传感技术领域的主要研究内容。目前，报道的光纤气体传感器主要集中在基于普通或者光子晶体光纤的点式光纤气体传感器上，不能够实现远距离的在线气体检测，因此，充分利用光子晶体光纤在气体检测中的优势，研究分布式光纤气体传感器技术具有非常重要的学术价值和应用价值。2014年，李刚等研究人员提出了一种分布式气体传感系统及其控制方法，申请号为201410708072.1，通过主控板控制多路光开关，实现了一个激光器控制多路进行气体检测，大大降低了系统成本。2015年，郑光辉等研究人员提出了分布式光纤传感器，申请号为201510071655.2，利用光纤将气体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，出射激光以及反射激光均通过光纤在上述两者之间传播，适合于远距离的站点气体传感检测。2015年，靳伟等研究人员提出了基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统，申请号为201510005210.4，采用泵浦和探测双激光方案进行检测，方法简单而实用，可以实现极小的光斑面积，大大提高了光功率密度，从而使光热信号强度得到增强。2018年，高建军等研究人员提出了一种连续分布式光纤气体检测的装置及方法，申请号为201810144950.x，在普通单模光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体的储藏气室，作为传感光纤上的气体与光的相互作用区域，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息。从这些报道来看，这些实用新型都是点式光纤气体传感器，不能称得上分布式光纤气体传感器，而且不能同时实现光纤沿线上气体多参量的测量，很难进行产业化的实施。

技术实现要素：

本实用新型目的在于，提供一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置及方法，不仅能够克服现有气体检测技术的缺点与不足，实现分布式气体浓度的光纤气体检测，而且能够实现快速高精度的测量要求，易于实现等优点。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，包括第一激光器、第一隔离器、第一耦合器、声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二激光器、激光控制器、锁相放大器、第二耦合器、扰偏器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、信号采集卡、第一信号处理及显示单元、脉冲发生器、第二信号处理及显示单元，其中，所述第一激光器、第一隔离器、第一耦合器、声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二激光器、激光控制器、锁相放大器依次连接，所述第二耦合器分别与第一耦合器、扰偏器、第三耦合器连接，所述第四耦合器分别与环形器、第三耦合器、第五耦合器连接，所述第五耦合器分别与扰偏器、第一光电探测器连接，所述第二光电探测器分别与第三耦合器、信号采集卡连接，所述第一信号处理及显示单元分别与第一激光器、信号采集卡连接，所述脉冲发生器分别与声光调制器、信号采集卡连接，所述信号采集卡分别与第一光电探测器、锁相放大器、第二信号处理及显示单元连接；第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入第一耦合器，第一耦合器将激光信号分成两束信号，分别为第一束激光信号和第二束激光信号，第一束激光信号作为本振信号进入第二耦合器，第二束激光信号进入声光调制器，声光调制器将第二束激光信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，进入第一掺铒光纤放大器中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器的1#端口，从环形器的2#端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器的2#端口进入环形器，从环形器的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第四耦合器，第四耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，分别为第一束背向瑞利散射信号和第二束背向瑞利散射信号，第一束背向瑞利散射信号进入第三耦合器，第二束背向瑞利散射信号进入第五耦合器，第二耦合器将本振信号分成两束信号，分别为第一束本振信号和第二束本振信号，第一束本振信号进入第三耦合器，第三耦合器输出的信号进入第一光电探测器后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡中，从第二耦合器输出的第二束本振信号进入扰偏器中，经过扰偏的本振信号进入第五耦合器，从第五耦合器输出的信号进入第二光电探测器后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡中，信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器的2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息产生的脉冲电信号，连接到声光调制器的电信号输入端驱动声光调制器工作，脉冲发生器和第一信号处理及显示单元输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器和第一激光器处在同步状态，第一信号处理及显示单元连接第一激光器，驱动第一激光器进行扫频控制，信号采集卡输出的另一路信号连接到第一信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。

优选的：所述第一激光器和第二激光器均为波长和功率可调谐的激光器。

优选的：所述传感光纤为空芯光子晶体光纤。

优选的：所述传感光纤沿光纤表面制作有作为气体进入空芯光纤的通道小孔。

优选的：所述通道小孔直径为约为1-10.0μm。

优选的：所述第一光电探测器、第二光电探测器为平衡探测器。

一种采用基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置的检测方法，第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入第一耦合器，第一耦合器将激光信号分成两束信号，分别为第一束激光信号和第二束激光信号，第一束激光信号作为本振信号进入第二耦合器，第二束激光信号进入声光调制器，声光调制器将第二束激光信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，进入第一掺铒光纤放大器中，经第一掺铒光纤放大器放大后的脉冲信号进入环形器的1#端口，从环形器的2#端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器的2#端口进入环形器，从环形器的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第四耦合器，第四耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，分别为第一束背向瑞利散射信号和第二束背向瑞利散射信号，第一束背向瑞利散射信号进入第三耦合器，第二束背向瑞利散射信号进入第五耦合器；第二耦合器将本振信号分成两束信号，分别为第一束本振信号和第二束本振信号，第一束本振信号进入第三耦合器，第一束背向瑞利散射信号和第一束本振信号在第三耦合器耦合，第三耦合器输出耦合后的信号进入第一光电探测器后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡中；从第二耦合器输出的第二束本振信号进入扰偏器中，经过扰偏的本振信号进入第五耦合器，扰偏的本振信号和第二束背向瑞利散射信号在第五耦合器耦合，从第五耦合器输出的信号进入第二光电探测器后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡中；信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器的2#端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息；脉冲发生器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动声光调制器工作，脉冲发生器和信号处理及显示单元输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡、声光调制器和第一激光器处在同步状态，信号处理及显示单元连接第一激光器，驱动第一激光器进行扫频控制，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。

优选的：显示的数据的时候需要事先标定浓度与相位大小的关系，不同频率下获得的分布式光纤气体传感器的曲线相关度表示为：

曲线相关度最小为c＝0.99，得出：

其中，c为曲线相关度，w为探测脉宽，δf为两条曲线之间的频率差。

优选的：所述第一激光器和第二激光器1ms的频移量小于等于0.017m。

优选的：所述第一激光器和第二激光器的扫频速度小于17m/s。

本实用新型相比现有技术，具有以下有益效果：

本实用新型在空芯光子晶体光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体进入空芯光纤的通道，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息，在测量过程中，通过计算机控制第一激光器进行缓慢的扫频，以消除相干衰落噪声对分布式光纤气体检测系统的影响，减小分布式光纤气体检测测量的盲区。检测装置系统结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意框图；

图2为本实用新型的传感光纤结构示意图。

图3为本实用新型的检测气体位置的频域图。

图4为本实用新型的传感光纤沿线的测量曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，如图1所示，包括第一激光器100、第一隔离器101、第一耦合器102、声光调制器103、第一掺铒光纤放大器104、环形器105、传感光纤106、第二掺铒光纤放大器107、第二隔离器108、第二激光器109、激光控制器110、锁相放大器111、第二耦合器112、扰偏器113、第三耦合器114、第四耦合器115、第五耦合器116、第一光电探测器117、第二光电探测器118、信号采集卡119、第一信号处理及显示单元120、脉冲发生器121、第二信号处理及显示单元122，其中，所述第一激光器100、第一隔离器101、第一耦合器102、声光调制器103、第一掺铒光纤放大器104、环形器105、传感光纤106、第二掺铒光纤放大器107、第二隔离器108、第二激光器109、激光控制器110、锁相放大器111依次连接，所述第二耦合器112分别与第一耦合器102、扰偏器113、第三耦合器114连接，所述第四耦合器115分别与环形器105、第三耦合器114、第五耦合器116连接，所述第五耦合器116分别与扰偏器113、第一光电探测器117连接，所述第二光电探测器118分别与第三耦合器114、信号采集卡119连接，所述第一信号处理及显示单元120分别与第一激光器100、信号采集卡119连接，所述脉冲发生器121分别与声光调制器103、信号采集卡119连接，所述信号采集卡119分别与第一光电探测器117、锁相放大器111、第二信号处理及显示单元122连接，第一激光器100发出的激光信号经第一隔离器101进入第一耦合器102，第一耦合器102将激光信号分成两束信号，分别为第一束激光信号和第二束激光信号，第一束激光信号作为本振信号进入第二耦合器112，第二束激光信号进入声光调制器103，声光调制器103将第二束激光信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，进入第一掺铒光纤放大器104中，经第一掺铒光纤放大器104放大后的脉冲信号进入环形器105的1#端口，从环形器105的2#端口输出进入传感光纤106，在传感光纤106中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器105的2#端口进入环形器105，从环形器105的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第四耦合器115，第四耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号，分别为第一束背向瑞利散射信号和第二束背向瑞利散射信号，第一束背向瑞利散射信号进入第三耦合器，第二束背向瑞利散射信号进入第五耦合器第二耦合器将本振信号分成两束信号，分别为第一束本振信号和第二束本振信号，第一束本振信号进入第三耦合器114，第三耦合器114输出的信号进入第一光电探测器117后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡119中，从第二耦合器112输出的第二束本振信号进入扰偏器113中，经过扰偏的本振信号进入第五耦合器116，从第五耦合器116输出的信号进入第二光电探测器118后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡119中，信号采集卡119输出的一路信号进入到锁相放大器111，锁相放大器111输出的信号连接到激光控制器110，激光控制器110的输出信号驱动第二激光器109，从第二激光器109输出的激光信号通过第二隔离器108进入第二掺铒光纤放大器107，经第二掺铒光纤放大器107放大的信号进入传感光纤106，在传感光纤106中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器107输出的信号，产生相位调制现象，从环形器105的2#端口输入到传感光纤106中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息产生的脉冲电信号，连接到声光调制器103的电信号输入端驱动声光调制器103工作，第一信号处理及显示单元120和脉冲发生器121输出的同步信号连接到信号采集卡119的同步信号输入端以保持信号采集卡119、声光调制器103和第一激光器100处在同步状态，第一信号处理及显示单元120连接第一激光器100，驱动第一激光器100进行扫频控制，信号采集卡输出的另一路信号连接到第一信号处理及显示单元120，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。

所述第一激光器100和第二激光器109均为波长和功率可调谐的激光器。所述传感光纤106为空芯光子晶体光纤。

传感光纤沿光纤表面利用飞秒加工技术制作均匀分布或非均匀分布的通道小孔作为气体进入空芯光纤的通道，所述通道小孔直径为约为1-10.0μm。

所述第一光电探测器117、第二光电探测器118为平衡探测器或其它种类的光电探测器。

一种采用基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置的检测方法，第一激光器100(窄线宽外腔可调谐激光器ecdl)发出的激光信号经第一隔离器101进入第一耦合器102(耦合比80：20)，第一激光器为窄线宽外腔可调谐激光器ecdl，设置输出的检测信号波长为1550.60nm，输出功率为14dbm，第一耦合器102将激光信号分成两束信号，分别为第一束激光信号和第二束激光信号，第一束激光信号(80％)作为本振信号进入第二耦合器112，第二束激光信号(20％)进入声光调制器103，声光调制器为gooch&housegom040，声光调制器的固定频移为200mhz，脉冲光的周期为t＝3.3μs，脉宽为w＝100ns，声光调制器103将第二束激光信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，进入第一掺铒光纤放大器104中，第一掺铒光纤放大器为kps-bt2-c-30-pb-fa，输出功率范围为10-30dbm，设置输出功率为22dbm，经第一掺铒光纤放大器104放大后的脉冲信号进入环形器105的1#端口，从环形器105的2#端口输出进入传感光纤106，传感光纤的结构如图2所示，传感光纤是1000m的光子晶体光纤，利用飞秒加工技术在传感光纤上间隔50m制作一个圆孔，作为通道小孔，圆孔的直径为6.0μm，传感光纤放在有乙炔(c2h2)气体的环境中，在传感光纤106中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器105的2#端口进入环形器105，从环形器105的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第四耦合器115，第四耦合器115的耦合比50：50，第四耦合器115将背向瑞利散射信号分成两束信号，分别为第一束背向瑞利散射信号和第二束背向瑞利散射信号，第一束背向瑞利散射信号进入第三耦合器114(耦合比50：50)，第二束背向瑞利散射信号进入第五耦合器116(耦合比50：50)；第二耦合器112(耦合比50：50)将本振信号分成两束信号，分别为第一束本振信号和第二束本振信号，第一束本振信号进入第三耦合器114，第一束背向瑞利散射信号和第一束本振信号在第三耦合器114耦合，第三耦合器114输出耦合后的信号进入第一光电探测器117后转换成电信号，第一光电探测器为平衡探测器，其带宽为350mhz，电信号输入到信号采集卡119中；从第二耦合器112输出的第二束本振信号进入扰偏器113中，经过扰偏的本振信号进入第五耦合器116，扰偏的本振信号和第二束背向瑞利散射信号在第五耦合器116耦合，从第五耦合器116输出的信号进入第二光电探测器118后转换成电信号，第二光电探测器为平衡探测器，其带宽为350mhz，电信号输入到信号采集卡119中；信号采集卡119输出的一路信号进入到锁相放大器111，锁相放大器为sr865alock-inamplifier，信号采集卡为daqpcie9081，其采样率为1.25gsa/s，锁相放大器111输出的信号连接到激光控制器110，激光控制器110的输出信号驱动第二激光器109，第二激光器为dfb激光器，其中心波长为1527-1610nm，作为设置输出波长1530.371nm，输出功率为0dbm，从第二激光器109输出的激光信号通过第二隔离器108进入第二掺铒光纤放大器107，第二掺铒光纤放大器为cefa-c-bo-hp系列c波段高功率连续掺铒光纤放大器，输出功率设置为25dbm，经第二掺铒光纤放大器107放大的信号进入传感光纤106，在传感光纤106中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器107输出的信号，产生相位调制现象，从环形器105的2#端口输入到传感光纤106中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息；脉冲发生器121产生的脉冲电信号连接到声光调制器103的电信号输入端驱动声光调制器103工作，脉冲发生器121和信号处理及显示单元(计算机)120输出的同步信号连接到信号采集卡119的同步信号输入端以保持信号采集卡119、声光调制器103和第一激光器100处在同步状态，第一信号处理及显示单元120连接第一激光器100，驱动第一激光器100进行扫频控制，脉冲发生器为agilent81110a，输出信号的频率为0-330mhz，信号采集卡119输出的另一路信号连接到第一信号处理及显示单元120，获得传感光纤106沿线上的气体浓度信息。最后显示的数据的时候需要事先标定浓度与相位大小的关系。不同频率下获得的分布式光纤气体传感器的曲线相关度可以表示为

其中，w为探测脉宽，δf为两条曲线之间的频率差，从式(1)可以看出，如果激光光源扫频的速度足够慢，使得频率漂移的速度足够小，那么就可以在短时间内能使分布式光纤传感器的测量曲线具有较高的相关度，进而检测传感光纤沿线上是否存在气体吸收的能力不受影响，由于分布式光纤传感器必须使用频率漂移小、线宽窄的光源，这将在通过分布式光纤传感器检测传感光纤时引入很强的相干衰落噪声。而相干衰落噪声可以通过扫频方式进行抑制，因此引入扫频技术可以保证分布式光纤传感器进行无死区测量光纤沿线上的相位变化时，同时可以进行传感光纤损耗事件的检测。为了保证分布式光纤传感器对传感光纤沿线上气体检测的测量性能，曲线相关度最小为c＝0.99，由式(1)可以得出

从式(2)可以看出，当脉冲宽度确定时，激光器扫频的最大速度将被确定，激光器1ms的频移量f≤0.0017/w＝0.017m，在实验中，选择的脉冲宽度为100ns，激光器的扫频速度应该小于0.0017m/0.0001s＝17m/s，为了有效抑制曲线的衰落噪声，将激光器的扫频速率设置为10m/s。测量传感光纤上待测气体吸收产生的相位变化情况下的频域图如图3所示，从图中可以看到当分布式光纤气体传感系统以10m/s速度进行扫频时，测量的信号频率为105.5hz，信噪比为12db，在不同累加次数情况下所获得的分布式光纤气体检测曲线如图4所示，相干衰落噪声得到了很好的抑制，一些微小的损耗事件也可以观测到。

在测量过程中，通过计算机控制第一激光器进行缓慢的扫频，以消除相干衰落噪声对分布式光纤气体检测系统的影响，减小分布式光纤气体检测测量的盲区。

本实用新型利用空芯光子晶体光纤作为传感光纤，是检测气体与光相互作用的区域，为了降低传统分布式光纤气体检测装置中相干衰落效应导致的死区现象，通过扫频技术，将传感光纤上每一个检测点进行多次扫描，实现死区的有效抑制。第二激光器发出的信号作为泵浦光在传感光纤中与气体相互作用，气体吸收泵浦光后产生周期性的调制特性，第一激光器发出的探测信号与周期性调制的气体相互作用，使得探测信号的相位产生变化，探测脉冲信号在传感光纤中产生背向瑞利散射信号，通过检测反射的瑞利散射信号相位信息，得到传感光纤沿线上气体的浓度和成分信息。本实用新型方法简单，可以实现高精度的气体浓度信息的检测，而且对多种气体检测具有相同的适用性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。