专利名称：一种带分布式放大的长距离光纤振动传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感系统，特别涉及一种具有分布式放大特性的长距离光纤振动 传感系统。
背景技术：
二十一世纪是信息技术的时代，作为信息获取的重要手段，传感器技术越来越受 到人们的重视，并在社会生活中获得了广泛应用。大至航空航天中的卫星、宇宙飞船，小至 日常生活中的汽车、冰箱等，无不有着传感器的身影。随着半导体技术和现代光通信技术的发展，光纤传感器由于具有抗电磁干扰，灵 敏度高、结构简单等突出特点，在某些关键领域已经逐渐替代传统的传感器类型，如电磁式 传感器、电阻式传感器等。在国防以及公共安全领域，传感器扮演了重要的角色，如消防上用的温度传感器， 监测周界安全的振动传感器等。我国有着广阔的边境线，随着对外开放的逐步深入，偷渡、 贩毒等事件时有发生，严重威胁到国家安全。现有的周界安防系统，监测范围小，灵敏度低， 定位精度差，不能满足边境安防的需要。如孙琪真，刘德明等人“基于环结构的新型分布式 光纤振动传感系统”，物理学报，Vol 56(10)，2007。能够对长度为1. OlKm的长度内进行监 测，空间分辨率为40m。
发明内容
本发明的所要解决的技术方案是提供一种带分布式放大的长距离光纤振动传感 系统，以解决现有技术的不足。为解决上述技术方案，本发明提供一种带分布式放大的长距离光纤振动传感系 统，包括拉曼泵浦激光器、用于向传感光缆输出泵浦光；种籽激光器、用于输出激光；调制 器、连接所述种籽激光器，用于将所述种籽激光器输出的激光调制成脉冲信号；环形器、连 接所述调制器，能够将所述调制器输出的脉冲信号输入所述传感光缆，并接收由在所述传 感光缆内被所述拉曼泵浦激光器分布式放大的所述脉冲信号发生背向散射而形成的干涉 光；光纤放大滤波器、连接所述环形器，用于将所述环形器接收的干涉光进行放大滤波处 理；光电转换器、连接所述光纤放大滤波器，用于将所述光纤放大滤波器处理后的干涉光信 号转换为电信号；采集器、连接所述光电转换器，用于采集所述电信号；信号处理器、连接 所述采集器，处理所述采集器采集后的电信号，并根据处理结果判断是否需要报警。作为本发明的优选方案之一，所述种籽激光器中心波长为1550nm、C波段或L波 段，线宽为KHz数量级至MHz数量级。作为本发明的优选方案之一，所述拉曼泵浦激光器与种籽激光器波长相匹配。作为本发明的优选方案之一，所述光纤放大滤波器包括光纤放大器及滤波器；所 述光纤放大器中心波长与所述种籽激光器相匹配，所述滤波器中心波长与光纤放大器中心 波长相匹配。
作为本发明的优选方案之一，所述光电转换器为PIN或APD。作为本发明的优选方案之一，所述信号处理器还连接所述调制器，以便向所述调 制器发送起始信号。作为本发明的优选方案之一，所述调制器为声光调制器或电光调制器。作为本发明的优选方案之一，所述带分布式放大的长距离光纤振动传感系统还包 括波分复用器；所述环形器连接所述波分复用器，所述拉曼泵浦激光器通过一第一隔离器 亦连接所述波分复用器，所述波分复用器所述传感光缆，形成前向泵浦，所述调制器通过一 第二隔离器连接所述环形器。作为本发明的优选方案之一，所述环形器连接所述传感光缆的一端，所述拉曼泵 浦激光器通过一第三隔离器连接所述传感光缆的另一端，形成后向泵浦，所述调制器通过 一第四隔离器连接所述环形器。作为本发明的优选方案之一，所述带分布式放大的长距离光纤振动传感系统还包 括波分复用器及耦合器；所述波分复用器连接所述环形器及所述传感光缆的一端，所述拉 曼泵浦激光器通过一第五隔离器连接所述耦合器，所述耦合器连接所述波分复用器及所述 传感光缆的另一端，以形成双向泵浦，所述调制器通过一第六隔离器连接所述环形器。作为本发明的优选方案之一，所述的波分复用器的中心波长与所述种籽激光器及 所述拉曼泵浦激光器相匹配。本发明的有益效果在于能够对长距离的边境线进行监测(最长可至IOOKm以 上)，灵敏度高，定位精度准确。
图1为本发明一较佳实施例的模块示意图。图2为本发明另一较佳实施例的模块示意图。图3为本发明另一较佳实施例的模块示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。实施例一本实施例中，拉曼泵浦激光器前向泵浦，请参阅图1，一种带分布式放大的长距离 光纤振动传感系统，包括顺次连接的种籽激光器、声光调制器、第二隔离器、环形器、光纤放 大器、滤波器、光电转换器、采集器、及信号处理器，其还包括顺次连接的拉曼泵浦激光器、 第一隔离器、及波分复用器，其中，环形器与波分复用器连接，信号处理器与声光调制器连 接，波分复用器整合种籽激光器及拉曼泵浦激光器的输出光后输入传感光缆的一端，形成 前向泵浦。信号处理器能够向声光调制器发送起始信号，起始信号包括调制频率及调制宽度 等信息，以使声光调制器按要求调制信号，种籽激光器发出的激光经声光调制器调制成脉 冲信号后经环形器输入波分复用器后进入传感光缆，拉曼泵浦激光器输出的泵浦光经第一 隔离器后亦输入波分复用器后进入传感光缆。种籽激光器发出的激光，在传感光缆中，被拉 曼泵浦激光分布式放大，同时，放大后的激光，与传感光缆相互作用，发生瑞利散射现象，由于本实施例的模块设置，仅同一个脉冲宽度传输范围内的背向瑞利散射光，会发生干涉现 象，产生干涉光。干涉光经波分复用器、环形器后被光纤放大器放大，并经过滤波器滤波后， 被光电转换器接收，由光电转换器转换为电信号，采集器将光电转换后的信号采集，并送入 信号处理器进行信号处理，第二隔离器及第一隔离器用于防止背向散射的干涉光影响种籽 激光器及拉曼泵浦激光器的输出。由于外界微小的振动会引起传感光缆纤芯折射率以及长度发生变化，进而引起同 一个脉冲宽度内的背向瑞利散射光相位差发生变化，则背向散射产生的干涉光信号会发生 显著变化，这种变化经过光纤放大器放大并经过滤波器处理滤除噪声后得以放大，并经采 集器采样后输入信号处理器，信号处理器能够根据预设的信息做出判断，得到振动发生的 位置和强度，并在传感光缆出现险情时报警。实施例二本实施例中，拉曼泵浦激光器后向泵浦，请参阅图2，一种带分布式放大的长距离 光纤振动传感系统，包括顺次连接的种籽激光器、声光调制器、第四隔离器、环形器、光纤放 大器、滤波器、光电转换器、采集器、及信号处理器，其还包括顺次连接的拉曼泵浦激光器、 及第三隔离器，其中，环形器与第四隔离器连接，第四隔离器连接传感光缆的一端，第三隔 离器连接传感光缆的另一端，信号处理器与声光调制器连接。拉曼泵浦激光器输出的泵浦 光与种籽激光器输出后经调制的形成的脉冲信号分别输入传感光缆的两端，形成后向泵 浦。信号处理器能够向声光调制器发送起始信号，起始信号包括调制频率及调制宽度 等信息，以使声光调制器按要求调制信号，种籽激光器发出的激光经声光调制器调制成脉 冲信号后经环形器进入传感光缆的一端，拉曼泵浦激光器输出的泵浦光经第三隔离器后输 入传感光缆的另一端。种籽激光器发出的激光，在传感光缆中，被拉曼泵浦激光分布式放 大，同时，放大后的激光，与传感光缆相互作用，发生瑞利散射现象，由于本实施例的模块设 置，仅同一个脉冲宽度传输范围内的背向瑞利散射光，会发生干涉现象，产生干涉光。干涉 光经环形器后被光纤放大器放大，并经过滤波器滤波后，被光电转换器接收，由光电转换器 转换为电信号，采集器将光电转换后的信号采集，并送入信号处理器进行信号处理，第四隔 离器及第三隔离器用于防止背向散射的干涉光影响种籽激光器及拉曼泵浦激光器的输出。由于外界微小的振动会引起传感光缆纤芯折射率以及长度发生变化，进而引起同 一个脉冲宽度内的背向瑞利散射光相位差发生变化，则背向散射产生的干涉光信号会发生 显著变化，这种变化经过光纤放大器放大并经过滤波器处理滤除噪声后得以放大，并经采 集器采样后输入信号处理器，信号处理器能够根据预设的信息做出判断，得到振动发生的 位置和强度，并在传感光缆出现险情时报警。实施例三本实施例中，拉曼泵浦激光器双向泵浦，请参阅图3，一种带分布式放大的长距离 光纤振动传感系统，包括顺次连接的种籽激光器、声光调制器、第六隔离器、环形器、光纤放 大器、滤波器、光电转换器、采集器、及信号处理器，其还包括拉曼泵浦激光器、与拉曼泵浦 激光器连接的第五隔离器，与第五隔离器连接的耦合器，及与耦合器连接的波分复用器，且 波分复用器连接传感光缆的一端，耦合器连接传感光缆的另一端，使得拉曼泵浦激光器输 出的泵浦光分别输入传感光缆两端，形成双向泵浦。
信号处理器能够向声光调制器发送起始信号，起始信号包括调制频率及调制宽度 等信息，以使声光调制器按要求调制信号，种籽激光器发出的激光经声光调制器调制成脉 冲信号后经环形器后再经波分复用器进入传感光缆的一端，拉曼泵浦激光器输出的泵浦光 经第五隔离器及耦合器后分成两束，一束经过波分复用器进入传感光缆的一端，一束输入 传感光缆的另一端。种籽激光器发出的激光，在传感光缆中，被拉曼泵浦激光分布式放大， 同时，放大后的激光，与传感光缆相互作用，发生瑞利散射现象，由于本实施例的模块设置， 仅同一个脉冲宽度传输范围内的背向瑞利散射光，会发生干涉现象，产生干涉光。干涉光经 波分复用器、及环形器后被光纤放大器放大，并经过滤波器滤波后，被光电转换器接收，由 光电转换器转换为电信号，采集器将光电转换后的信号采集，并送入信号处理器进行信号 处理，第六隔离器及第五隔离器用于防止背向散射的干涉光影响种籽激光器及拉曼泵浦激 光器的输出。由于外界微小的振动会引起传感光缆纤芯折射率以及长度发生变化，进而引起同 一个脉冲宽度内的背向瑞利散射光相位差发生变化，则背向散射产生的干涉光信号会发生 显著变化，这种变化经过光纤放大器放大并经过滤波器处理滤除噪声后得以放大，并经采 集器采样后输入信号处理器，信号处理器能够根据预设的信息做出判断，得到振动发生的 位置和强度，并在传感光缆出现险情时报警。在上述三个实施例中，种籽激光器中心波长为1550nm、C波段、L波段、或其它波 长，线宽为KHz量级至MHz ；声光调制器，也可为电光调制器，统称为调制器；拉曼泵浦激光 器与种籽激光器波长相匹配；波分复用器的中心波长与种籽激光器和拉曼泵浦激光器相匹 配；光纤放大器与滤波器可统称为光纤放大滤波器，光纤放大器中心波长与种籽激光器相 匹配，滤波器中心波长与光纤放大器中心波长相匹配；光电转换器可为PIN，也可为APD以 及其它光电转换器件。由于本发明采用背向瑞利散射光产生的干涉光来进行定位，因而，其定位精度高， 灵敏度高；并且，采用了拉曼泵浦激光器与种籽激光器相结合，使得脉冲信号在传感光缆 内逐渐放大，保证了长距离的传输，使得本发明提供的系统监测距离大大提高，可对最长至 IOOKm以上的距离进行监测。以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的 任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于，包括拉曼泵浦激光器、用于向传感光缆输出泵浦光；种籽激光器、用于输出激光；调制器、连接所述种籽激光器，用于将所述种籽激光器输出的激光调制成脉冲信号；环形器、连接所述调制器，能够将所述调制器输出的脉冲信号输入所述传感光缆，并接收由在所述传感光缆内被所述拉曼泵浦激光器分布式放大的所述脉冲信号发生背向散射而形成的干涉光；光纤放大滤波器、连接所述环形器，用于将所述环形器接收的干涉光进行放大滤波处理；光电转换器、连接所述光纤放大滤波器，用于将所述光纤放大滤波器处理后的干涉光信号转换为电信号；采集器、连接所述光电转换器，用于采集所述电信号；信号处理器、连接所述采集器，处理所述采集器采集后的电信号，并根据处理结果判断是否需要报警。
2.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于所述 种籽激光器中心波长为1550nm、C波段或L波段，线宽为KHz数量级至MHz数量级。
3.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于所述 拉曼泵浦激光器与种籽激光器波长相匹配。
4.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于所述 光纤放大滤波器包括光纤放大器及滤波器；所述光纤放大器中心波长与所述种籽激光器相 匹配，所述滤波器中心波长与光纤放大器中心波长相匹配；所述光电转换器为PIN或APD。
5.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于所述 信号处理器还连接所述调制器，以便向所述调制器发送起始信号。
6.如权利要求1或5所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于 所述调制器为声光调制器或电光调制器。
7.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于还包 括波分复用器；所述环形器连接所述波分复用器，所述拉曼泵浦激光器通过一第一隔离器 亦连接所述波分复用器，所述波分复用器连接所述传感光缆，形成前向泵浦，所述调制器通 过一第二隔离器连接所述环形器。
8.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于所述 环形器连接所述传感光缆的一端，所述拉曼泵浦激光器通过一第三隔离器连接所述传感光 缆的另一端，形成后向泵浦，所述调制器通过一第四隔离器连接所述环形器。
9.如权利要求1所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于还包 括波分复用器及耦合器；所述波分复用器连接所述环形器及所述传感光缆的一端，所述拉 曼泵浦激光器通过一第五隔离器连接所述耦合器，所述耦合器连接所述波分复用器及所述 传感光缆的另一端，以形成双向泵浦，所述调制器通过一第六隔离器连接所述环形器。
10.如权利要求7或9所述的带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，其特征在于 所述的波分复用器的中心波长与所述种籽激光器及所述拉曼泵浦激光器相匹配。
全文摘要
本发明揭示了一种带分布式放大的长距离光纤振动传感系统，包括拉曼泵浦激光器；种籽激光器；调制器、连接所述种籽激光器；环形器、连接所述调制器；光纤放大滤波器、连接所述环形器；光电转换器、连接所述光纤放大滤波器；采集器、连接所述光电转换器；信号处理器、连接所述采集器。本发明的有益效果在于能够对长距离的边境线进行监测，灵敏度高，定位精度准确。
文档编号G01H9/00GK101893476SQ20101012249
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者仝芳轩, 刘亮, 周正仙, 席刚, 皋魏, 齐龙舟 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司