专利名称：一种光频域反射光纤传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感系统，特别涉及到一种基于光频域反射的光纤 传感系统，是一种利用光纤作为传感介质系统。
背景技术：
近年来，光纤传感技术有了大大发展。光纤有着自身特殊的优点，
例如价格低廉，普通的单模裸光纤成本只有每公里不到100元，普通的
多模裸光纤价格在每公里300元以下；易于安装，隐蔽性好，并且由于
光纤不含任何金属成分，无法用探测器探测到光纤的存在；不受电磁干 扰，光纤不含金属成分且内部传输的为光信号而非电信号，因此对于电 磁的干扰完全免疫，在恶劣的天气条件下如雷电天气也可以完全正常运 行，在电力节点的附近也可以正常工作；光纤在正常工作时内部不传输 电信号，因此在某些敏感场所不会造成电引发的安全隐患；并且光纤的 寿命较高，可以正常工作达30年以上。
在光纤传感技术中，分布式光纤传感技术具有较高的性能。在分布 式的光纤传感技术中，光纤不仅作为传感介质从而保证连续不断的探测， 还同时作为信号传输的通道，因此相比起普通的点式传感技术有较大的 优点。在现有的分布式光纤传感技术中，主要基于两种原理光吋域反 射技术(Optical Time-Domain Reflectometry ， OTDR)和光频域反射技 术(0ptical Frequency-Domain Ref lectometry ， OFDR)。前者本质为时 分复用技术，被广泛应用于通信光纤探伤、分布式温度及应力监测系统 中。但是OTDR技术有着其固有的缺点，由于光纤的背向散射信号及其微 弱，需要对其进行大量的平均才能得到所需的信噪比，只能进行静态或 变化缓慢的参数监测， 一次它们不能捕捉瞬时事件；并且由于OTDR采用 脉冲调制技术，对于较长距离的应用脉冲占空比极低，造成信号较小，
3限制了其最大应用距离；在精度要求十分高比如厘米及以下的量级上， 要求激光脉冲的宽度十分小，是比较难以达到的。
因此人们又发明了 0FDR技术来实现长距离的或者精度要求极高的 传感要求。0FDR借鉴了雷达技术中的连续波调制(Frequency-modulated continuous wave, FMCW)技术，其本质是频分复用技术。通过对光源输 出的激光频率进行连续的调制并入射到探测光纤中，进而在同一时刻， 探测光纤上的每一点对应的光频率不相同，产生的瑞利背向散射光频率 也就各不相同，因此可以利用探测返回光信号的频率信息来确定外界扰 动的位置。
在Brain Culshaw和Join Dakin的经典著作《Optical Fiber Sensors》里面就提到了光频域反射系统，传统的OFDR系统如图1所示， 窄线宽激光器1经频率调制后射入到3dB光纤耦合器2,并进入探测臂 的单模光纤3，在单模光纤3中的各处都会产生瑞利散射，其中瑞利背 向散射部分经由单模光纤3返回3dB光纤耦合器2。 3dB光纤耦合器2 出射的另一端作为参考臂，有部分光被反射。探测臂的瑞利背向散射光 信号和参考臂反射的光信号进行相干探测，会在光电探测器4处产生两 个光信号的拍频信号。利用频谱分析仪5分析此拍频信号，可以得到实 时的分布式干扰信息。
标准单模光纤中瑞利背向散射的强度十分低，为入射光强度的-81 dB 左右。激光经过3dB耦合器后，只有不到1/2的光进入探测光纤，再产 生瑞利背向散射光并返回，在3dB耦合器处又损耗掉l/2多，在本来瑞 利背向散射光强度就很弱的情况下，这样的损耗是很关键的。
因此我们需要一种能够充分利用光源的强度并且能够接收大部分瑞 利背向散射光的办法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有问题的不足，提出了一种光频域反 射传感系统，在此技术中，我们利用了光环形器来充分利用激光光源的
4强度并且接收大部分瑞利背向散射光，因此大大的提高了探测信号光的 强度并且提高了整个系统的信噪比。 本发明提供的技术方案如下
一种光频域反射的光纤传感系统，其特征在于，该系统主要结构包 括激光器、第一光纤耦合器、光环形器、第二光纤耦合器、光电探测单 元和频谱分析单元；所述激光器发出的激光被第一光纤耦合器分为探测
光和参考光，探测光入射至光环形器的第一端口，并从第二端口出射进 入探测光纤，探测光纤中产生的瑞利背向散射光入射至光环形器第二端 口并从第三端口出射，出射的瑞利背向散射光与参考光入射至第二光纤 耦合器中并被光电探测单元所探测，测得的信号输入至频谱分析单元。
所述的第一光纤耦合器及第二光纤耦合器分光比为10:90至0. 001: 99. 999。
所述的光电探测单元为PIN光电二极管模块、或为雪崩光电二极管 模块。
在所述的光环形器和第二光纤耦合器之间设有光放大器。
在所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器之间设有可变衰减器。
在所述的探测光纤的端头处设置有折射率匹配装置。
上述的技术方案较现有技术带来如下技术效果
首先，第一光纤耦合器为非均分式，使大部分激光通过光环形器入
射至探测光纤中，进而充分利用了激光光源；
其次，第二光纤耦合器也为非均分的，使大部分瑞利背向散射光可 以进入光电探测器；
再次，在光环形器和第二光纤耦合器之间利用光放大器对瑞利背向 散射光进行放大，不仅允许使用成本较低的光探测器，还大大提高了系 统的信噪比；并且在第一光纤耦合器和第二光纤耦合器之间设置可变衰 减器，从而改变进入光电探测单元的参考光强度，在实现参考光对瑞利 背向散射光进行一定放大的前提下达到较高的相千对比度。
图1是传统的光频域反射传感系统的结构示意图。
图2是本发明一种光频域反射传感系统实施例1的结构示意图。 图3是本发明一种光频域反射传感系统实施例2的结构示意图。 其中，
l一窄线宽激光器，2—3dB光纤耦合器，3—单模光纤，4—光 电探测器，5—频谱分析仪，6—窄线宽光纤激光器，7—PZT光纤相 位调制器，8—1: 99光纤耦合器，9一光环形器，IO—折射率匹配装 置，11—10: 90光纤耦合器，12—PIN光电探测器，13—射频放大器， 14—外腔激光器，15—0.1: 99.9光纤耦合器，16—可变衰减器，17— 光放大器，18—APD光探测器。
具体实施例方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明一种光频域反射光纤传感 系统做进一步的详细说明，但不能以此来限制本发明的保护范围。
一种光频域反射光纤传感系统主要结构包括激光器、第一光纤耦合 器、光环形器、探测光纤、第二光纤耦合器、光电探测单元和频谱分析 单元；所述激光器发出的激光被第一光纤耦合器分为探测光和参考光， 探测光入射至光环形器的第一端口 ，并从第二端口出射进入所述的探测 光纤，探测光纤中产生的瑞利背向散射光入射至光环形器第二端口并从 第三端口出射，出射的瑞利背向散射光与参考光入射至第二光纤耦合器 中并被光电探测单元所探测，测得的信号输入至频谱分析单元。
实施例1
先请看图2,图2是本发明一种光频域反射传感系统实施例1的结 构示意图。窄线宽光纤激光器6发出的激光经PZT光纤相位调制器7， PZT光纤相位调制器7两端加调制电压，可以对经过的光信号进行相位 的调制从而达到频率调谐的目的，激光经调频后，入射进作为第一光纤 耦合器的1: 99光纤耦合器8，其中1%的激光作为参考光输入到作为第二光纤耦合器的10: 90光纤耦合器11中，99%的光入射到光环形器9 的第一端口9a中，由于光环形器的工作特点是当光从任意端口输入 时，只能在环行器中沿单一方向传输，并全部在下一端口输出，因此激 光由第二端口 9b出射，进入探测用单模光纤3中，单模光纤3中各处 产生的瑞利背向散射沿单模光纤3返回，入射到光环形器9的第二端口 9b中，由于光环形器的独特性质，瑞利背向散射光将由第三端口9c出 射，并进入10: 90光纤耦合器11中，随后由PIN光电探测器12进行 光电转换，并利用射频放大器13进行预放大，随后射频电信号由频谱 分析单元5进行滤波和频谱计算等处理。 实施例2
图3是本发明一种光频域反射传感系统实施例2的结构示意图。本 实施例采用三角波调制的外腔激光器14， 14发出的激光经由0. 1: 99. 9 光纤耦合器15后，99. 9%的激光入射至光环形器9的端口 9a，由9b出 射的激光入射至探测用单模光纤3，单模光纤3中产生的背向瑞利散射 光沿单模光纤3返回并从端口 9c出射至光放大器17，放大后的瑞利背 向散射信号入射至1: 99光纤耦合器8。分光比为0. 1: 99. 9光纤耦合 器15的另一出射端出射的参考光经可变衰减器16后同瑞利背向散射光 进入APD光探测器18，其中瑞利背向散射光的耦合比为99%， APD光电 探测器测得的拍频信号输入至频谱分析仪5进行分析并处理。
由图可以看出，本实施例与实施例1的区别在于，在探测臂返回的 光到达探测器之间，利用掺铒光纤放大器17对其进行光放大处理，进而 使携带了扰动信息的瑞利背向散射光大大增强；并且由可变衰减器16 改变进入APD光探测器18的参考光强度，在实现参考光对瑞利背向散射 光进行一定放大的前提下达到较高的相干对比度，并且使得整个系统的 信噪比有了较大的提高。
标准单模光纤的瑞利背向散射强度大约是-81dB左右，而光纤端头处的菲涅尔反射大约为-13.6dB，比瑞利背向散射的强度大许多，因此我们在上述的所有实施例中均对探测用单模光纤的端头进行特殊的处理，利用折射率匹配装置10消除端头处的菲涅尔反射。
本发明的一种光频域反射光纤传感系统还有其他的结构替代和组合，并不局限于上述实施例中提到的部分。总而言之，本发明的保护内容还包括其他对于本领域技术人员来讲显而易见的变换和替代。
权利要求
1.一种光频域反射光纤传感系统，其特征在于，该系统主要结构包括激光器、第一光纤耦合器、光环形器、第二光纤耦合器、光电探测单元和频谱分析单元；所述激光器发出的激光被第一光纤耦合器分为探测光和参考光，探测光入射至光环形器的第一端口，并从第二端口出射进入探测光纤，探测光纤中产生的瑞利背向散射光入射至光环形器第二端口并从第三端口出射，出射的瑞利背向散射光与参考光入射至第二光纤耦合器中并被光电探测单元所探测，测得的信号输入至频谱分析单元。
2. 根据权利要求1所述的光频域反射光纤传感系统，其特征在于， 所述的第一光纤耦合器的分光比为10: 90至0.001: 99.999，第二光纤 耦合器分光比为10: 90至0.001: 99.999。
3. 根据权利要求1所述的光频域反射光纤传感系统，其特征在于， 所述的光电探测单元为PIN光电二极管模块，或为雪崩光电二极管模块。
4. 根据权利要求1所述的光频域反射光纤传感系统，其特征在于， 所述的光环形器和所述的第二光纤耦合器之间设有光放大器。
5. 根据权利要求1所述的光频域反射光纤传感系统，其特征在于， 所述的第一光纤耦合器和所述的第二光纤耦合器之间设有可变衰减器。
6. 根据权利要求1所述的光频域反射光纤传感系统，其特征在于， 所述的探测光纤的端头设有折射率匹配装置。
全文摘要
本发明涉及一种光频域反射光纤传感系统，该系统主要结构包括激光器、第一光纤耦合器、光环形器、探测光纤、第二光纤耦合器、光电探测单元和频谱分析单元，激光器发出的激光被第一光纤耦合器分为探测光和参考光，探测光入射至光环形器的第一端口，并从第二端口出射进入探测光纤，探测光纤中产生的瑞利背向散射光入射至光环形器第二端口并从第三端口出射，出射的瑞利背向散射光与参考光入射至第二光纤耦合器中并被光电探测单元所探测，测得的信号输入至频谱分析单元。本发明的系统充分利用了激光光源，使大部分瑞利背向散射光进入光电探测器，对瑞利背向散射光进行放大，提高了系统的信噪比，达到较高的相干对比度。
文档编号G01D5/26GK101650197SQ20081004163
公开日2010年2月17日 申请日期2008年8月13日 优先权日2008年8月13日
发明者张成先, 林宗强, 蔡海文, 浩 赵 申请人:上海波汇通信科技有限公司