分布式光纤传感装置的制作方法

本实用新型涉及温度及应变检测，特别涉及利用光纤感知外界温度和/或应变的装置。

背景技术：

分布式光纤传感技术具有连续分布式检测、检测距离长、定位精确、测量信息丰富、本质安全、低成本等优势，在电力、石油、桥梁、隧道、边坡等领域得到了广泛应用。

在各类光纤传感技术中，基于布里渊散射效应的分布式光纤传感装置是一种新型的传感装置，它直接利用光纤作为传感元件，“传”“感”合一，可以感知光纤沿线的温度和/或应变。该分布式光纤传感装置包括光源、光纤环形器、光纤和探测器，光源发出的激光经光纤环形器后耦合进入光纤，激光在光纤中传输过程中会产生各种散射效应，其中背向布里渊散射的频移和光纤沿线的温度和/或应变相关，光纤中的背向散射光经光纤环形器后被探测器所检测，从而获知光纤沿线的温度、应变分布和位置信息等。

有效检测距离是分布式光纤传感技术的核心指标之一。随着有效检测距离的增加，由于光纤存在传输损耗，光纤尾端的散射信号越小，甚至达不到检测要求，即限制了有效检测距离的提升。为了提升有效检测距离，潜在的方案分别有：

1.提高进入光纤的功率；提高进入光纤的功率，则会导致非线性效应的出现，进而影响测量。

为了防止非线性效应的出现，进入光纤的功率不能太大；并且距离越长，允许进入光纤的功率反而越低，这将进一步缩短有效检测距离。

2.提升探测器的性能，实现更高的信噪比；提升探测器的性能比较困难，代价也高，该方案一般不考虑。

3.增加脉冲激光的脉冲宽度；增加脉冲激光的脉冲宽度会牺牲空间分辨率，也就是说脉冲激光的宽度不能一味增加。

4.增加累加平均次数；明显地，增加累加平均次数会增加测量时间，也就是说受测量时间所限累加平均次数也不能一味增加。

目前，基于布里渊散射效应的分布式光纤传感装置最长的有效检测距离仅有75公里，尚无法完全满足电力、石油等领域的应用需求。

技术实现要素：

为解决上述现有技术方案中的不足，本实用新型提供了一种有效检测距离长、检测耗时短的分布式光纤传感装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

分布式光纤传感装置，包括环回光纤、光纤环形器和探测器，所述分布式光纤传感装置还包括：

第一光源，所述第一光源发出的脉冲激光经所述光纤环形器后进入所述环回光纤；

第二光源，所述第二光源发出的连续激光进入所述环回光纤；

阻断器，所述环回光纤内正向传输的脉冲激光在所述阻断器处被阻断，所述环回光纤内反向传输的连续激光穿过所述阻断器后经所述光纤环形器被所述探测器接收。

本方案中，所述第一光源发出的脉冲激光在所述环回光纤内正向传输，并在所述阻断器处被阻断，此时所述第一光源发出的脉冲激光的传输距离小于所述环回光纤的总长度。而脉冲激光的传输距离越小，则意味着允许进入所述环回光纤的功率可以更高，此时环回光纤的散射信号会更强，可以提升有效检测距离；另一方面，脉冲激光的传输距离越小，则意味着脉冲激光的重复频率可以更大，此时在相同测量时间内可以累加平均的次数更多，进一步提升有效检测距离。

更进一步，所述第一光源、第二光源、光纤环形器及探测器均处于检测端，所述环回光纤处于传感区域，所述阻断器处于环回光纤的光路上。

作为优选，所述分布式光纤传感装置还包括：

光放大器，所述光放大器处于所述阻断器的上游或下游的光路上，所述环回光纤内反向传输的连续激光的功率被所述光放大器提高。

所述光放大器为掺铒光纤放大器edfa或者半导体光放大器soa。

作为优选，所述阻断器内置在所述光放大器，方便现场部署。

所述阻断器为单向双级光纤隔离器或者光纤环形器。

所述第一光源和第二光源的光频率差为8～14ghz，并且一个光源的光频率固定不变，另外一个光源的光频率周期性逐步变化，从而覆盖环回光纤的布里渊频谱。

更进一步，本方案还提供一种低成本的多通道分布式光纤传感装置，所述分布式光纤传感装置包括环回光纤、光纤环形器、探测器、第一光源、第二光源、阻断器和光放大器，所述分布式光纤传感装置还包括：第一光开关、第二光开关、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器；所述第一光源依次经所述光纤环形器、所述第一光开关后进入多个所述环回光纤；所述第二光源经所述第二光开关后进入多个所述环回光纤；多个所述环回光纤分别经所述第一光纤耦合器合束后进入所述阻断器、所述光放大器，并经所述第二光纤耦合器分束后连接多个所述环回光纤。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为：

1.有效检测距离长；

创造性地提出了在环回光纤中间增加阻断器，实现第一光源发出的脉冲激光的阻断，阻断器阻止了环回光纤内脉冲激光的进一步传输，也即缩短了脉冲激光的传输距离，意味着可以提高脉冲激光的功率以及提高脉冲激光的重复频率，前者使得环回光纤的散射信号更强，后者使得在相同测量时间内累加平均的次数更多，两者均可有效提升有效检测距离。

实验表明，同样的光源、光纤和探测器，通过阻断器的设置，可以将有效检测距离提升到120公里以上，显著地提升了有效检测距离；

2.测量时间更短；

脉冲激光的传输距离缩短，脉冲激光的重复频率更大，相同累加平均次数下所需的测量时间更短。

3.成本更低；

通过第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的合束/分束，复用阻断器和光放大器，降低多通道分布式光纤传感装置的成本。

附图说明

参照附图，本实用新型的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本实用新型的技术方案，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本实用新型实施例1的分布式光纤传感装置的结构简图；

图2是根据本实用新型实施例2的分布式光纤传感装置的结构简图；

图3是根据本实用新型实施例4的分布式光纤传感装置的结构简图。

具体实施方式

图1-3和以下说明描述了本实用新型的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本实用新型。为了教导本实用新型技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本实用新型的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本实用新型的多个变型。由此，本实用新型并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本实用新型实施例的分布式光纤传感装置的结构简图，如图1所示，所述分布式光纤传感装置包括：

环回光纤41，如一根不小于双芯光纤的光缆，光缆的长度为100公里，光缆的远端将该双芯光纤熔接在一起，构成环回光纤41，此时环回光纤41的总长度为200公里；

光纤环形器21，如三端口光纤环形器，入射激光从第一端口进入后到达第二端口，背向散射光从第二端口进入后到达第三端口；

探测器31，如ingaas光电探测器，用于检测环回光纤41的背向散射光，将背向散射光转换为电信号以实现采集及分析处理；

上述环回光纤、光纤环形器和探测器均是本领域的现有技术，具体结构和工作方式在此不再赘述；

第一光源11，如外调制式窄线宽半导体激光器，中心波长为1550.12nm，所述第一光源11发出的脉冲激光经光纤环形器21后进入所述环回光纤41；

第二光源12，如窄线宽半导体激光器，中心波长为1550.04nm，所述第二光源12发出的连续激光进入所述环回光纤41；

第一光源11的光频率固定不变，第二光源12通过周期性的改变驱动电流使得其光频率周期性逐步变化，从而使得第一光源11、第二光源12的光频率差为8～14ghz，覆盖环回光纤的布里渊频谱；

脉冲激光的背向散射光和连续激光相互作用后经所述光纤环形器后被所述探测器接收；

阻断器51，如单向双级光纤隔离器，工作波长1550±20nm，单向传输，隔离度大于35db，所述环回光纤41内正向传输的脉冲激光在所述阻断器51处被阻断，所述环回光纤41内反向传输的连续激光则几乎无损耗地穿过所述阻断器51。

为了便于敷设和维护，进一步地，第一光源11、第二光源12及探测器31均处于检测端(光缆的近端)，环回光纤41(光缆)敷设在传感区域，阻断器51处于环回光纤41的光路上(光缆的远端)。

本实施例中，第一光源发出的脉冲激光在环回光纤内正向传输，并在阻断器处被阻断，此时第一光源发出的脉冲激光的传输距离减小为100公里，小于环回光纤的总长度200公里。为防止出现受激效应，入射至环回光纤的脉冲激光的功率不得超过受激功率阈值。由于受激功率阈值随传输距离是逐渐减小的，在环回光纤的中间增加了阻断器，则脉冲激光的传输距离从之前的200公里减小为100公里，此时允许进入环回光纤的功率可以增加约3db，因此环回光纤的散射信号会更强，相应地有效检测距离可增加约15公里；另一方面，脉冲激光的传输距离越小，则意味着脉冲激光的重复频率可以增加一倍，此时在相同的累加平均次数条件下，可以缩短一半的测量时间；或者在相同测量时间内可以累加平均的次数增加一倍，进一步提升有效检测距离(约增加7公里)。

实施例2：

根据本实用新型实施例的分布式光纤传感装置，与实施例1不同的是：

如图2所示，分布式光纤传感装置还包括光放大器61，所述光放大器61处于阻断器51的上游或下游的光路上，环回光纤41内反向传输的连续激光的功率被所述光放大器61提高。

由于光放大器处于环回光纤的中间，并且其增益比较大，因此第二光源发出并进入环回光纤的连续激光的功率可以降低很多。当环回光纤内反向传输的连续激光到达光放大器后，连续激光在光放大器处实现了中继放大，补偿了连续激光在环回光纤内的传输损耗。

与实施例1相比，由于增加了光放大器，第二光源发出的连续激光的功率大幅下降(远低于受激功率阈值)，只需要满足经光放大器放大后的功率不超过受激功率阈值的条件即可，这意味着与脉冲激光相互作用的连续激光的功率大幅增加，从而实现背向散射信号的强度大幅增加。

光放大器可以选用掺铒光纤放大器edfa或者半导体光放大器soa，光放大器对小信号的增益不小于10db。本实施例中，光放大器选用半导体光放大器soa，工作波长为1550±20nm，对小信号的增益为20db。第二光源发出的连续激光的功率为1mw，经过长度为100公里的光缆传输后，连续激光的功率衰减为约10μw，该连续激光经半导体光放大器soa中继放大后恢复至约1mw，此时背向散射信号的强度大幅增加，可以实现不少于100公里光缆全程的温度、应变测量。

实施例3：

根据本实用新型实施例的分布式光纤传感装置，与实施例2不同的是：

阻断器内置在所述光放大器，阻断器处于光放大器的输出端后面，即光放大器是一个单向的光放大器，方便现场部署。

本实施例中，光放大器选用掺铒光纤放大器edfa，工作波长为1550±20nm，对小信号的增益为15db。阻断器选用单向双级光纤隔离器，工作波长1550±20nm，单向传输，隔离度大于35db。单向双级光纤隔离器直接处于掺铒光纤放大器edfa的输出端后面，实现单向的小信号放大，一体化的结构，高度集成，方便现场部署。

实施例4：

根据本实用新型实施例的分布式光纤传感装置，与实施例2不同的是：

如图3所示，分布式光纤传感装置还包括：

第一光开关71、第二光开关72、第一光纤耦合器81和第二光纤耦合器82，所述第一光源11依次经所述光纤环形器21、所述第一光开关71后进入多个所述环回光纤41；多个所述环回光纤41分别经所述第一光纤耦合器81合束后进入所述阻断器、所述光放大器，并经所述第二光纤耦合器82分束后连接多个所述环回光纤；所述第二光源12经所述第二光开关72后进入多个所述环回光纤41。

实施例5：

根据本实用新型实施例4的分布式光纤传感装置在海底电缆监测中的应用例。

在本应用例中，海底电缆的距离为70公里，有a、b、c三相，每相海底电缆都内置有一根单模光缆；

第一光源选用外调制式窄线宽半导体激光器，中心波长为1550.12nm，脉冲宽度为10ns，峰值功率为300mw；

第二光源选用窄线宽半导体激光器，中心波长为1550.04nm，连续功率为4mw；

阻断器选用单向双级光纤隔离器，工作波长1550±20nm，单向传输，隔离度大于35db；

光放大器选用掺铒光纤放大器edfa，增益为26db；

第一光开关、第二光开关均为1×4单模微机械式光开关；

第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均为1×4熔融拉锥型光纤耦合器，分光比为25:25:25:25。

第一光源发出的脉冲激光依次经三端口光纤环形器、第一光开关后轮询进入a、b、c相海底电缆的环回光纤(有一个光开关通道作为备用)；第二光源发出的连续激光经述第二光开关后轮询进入a、b、c相海底电缆的环回光纤，a、b、c相海底电缆的环回光纤分别经所述第一光纤耦合器合束后进入阻断器、光放大器，并经第二光纤耦合器分束后依次连接a、b、c相海底电缆的环回光纤。

由于光放大器和阻断器的成本较高，而且光放大器对小信号的增益又很高。连续激光通过第二光纤耦合器合束后进入光放大器的输入端，光放大器的输出端输出经放大后的连续激光，经阻断器后再通过第一光纤耦合器分束后进入a、b、c相海底电缆的环回光纤。

通过第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的合束/分束，复用阻断器和光放大器，降低多通道分布式光纤传感装置的成本；

本实施例中，在海底电缆的末端设置光放大器和阻断器后，第一光源的脉冲激光的重复频率从0.7khz提高到1.4khz，第二光源的连续激光到达海底电缆的末端后的功率从16μw提高至400uw，最终在有效检测距离为70公里的前提下，测量时间从120s/通道降低至60s/通道，并且空间分辨率从5米提高至2米以内。并且通过复用阻断器和光放大器，四通道的分布式光纤传感装置的成本增加不多，有益效果显著。