一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统及方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统及方法。

背景技术：

光纤传感技术是上个世纪70年代末随光纤通信技术的发展而兴起的,以光波为载体,光纤为媒质,用于感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。当光波在光纤中传播时,由于光纤在外界环境因素(如温度、应力、电场、磁场、位移等)的影响下,会引起表征光波特征的参量(如强度、波长、相位、偏振态等)的变化,通过测量光波参量的变化,可以获取光纤外界环境的变化信息,实现光纤传感。光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性好、抗电磁干扰性强、易于实现、测量精度高等优点。光纤传感器的应用领域广泛,各种光纤传感器件已进入航空航天、生物医疗、国防军事、工业、交通运输等各个领域,尤其适用于恶劣环境,具有广阔的应用市场。光纤传感器的测量对象广泛,可用于测量电压、电流、温度、应变、湿度、加速度、位移和磁场强度等众多参量。

在光纤传感领域内，常用的有利用光纤内散射光进行传感的光时域反射仪（OTDR）类的传感系统和光纤内反射点的反射光进行传感的光纤布拉格光栅（FBG）类的传感系统。OTDR类传感系统包括OTDR、相干光时域反射仪（COTDR）、布里渊光时域反射仪（BOTDR）、相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）等。FBG类的传感系统包括利用光纤布拉格光栅和弱反射光纤布拉格光栅（UWFBG）的系统。

最大探测距离是OTDR类传感系统的一项性能参数，现实中为了验证OTDR类性能，需要搭建传感单元，往往传感单元由大段的光纤构成。普通单模光纤100km的价格接近万元，特种光纤的价格就会更贵，光纤总长度达到上千上万公里的价格就十分昂贵，同时光纤长度过长时，光纤的损耗过大导致探测光衰减严重，中间就需要一定数量的中继放大器。为了验证系统的多点探测能力，需要组装更多的外界事件产生装置来模拟事件的产生，比如压电陶瓷产生应变变化事件，热水、恒温箱产生温度变化事件等，事件产生装置的组装就会复杂多变。论文《High Dynamic Range Coherent OTDR for Fault Location in Optical Amplifier Systems》中就使用了COTDR级联中继系统来验证COTDR的长距离测量能力。

而对于FBG类的光纤传感，由于大量的FBG组装，导致光纤内的衰减过大，目前在线烧写FBG或者UWFBG的技术没有达到大规模集成应用的程度，所以FBG或者UWFBG的组装过程中需要手动熔接光纤，过多数量的熔接将会消耗更多的时间和精力，与OTDR类传感系统一样，为了验证系统的多点探测能力，也需要组装较多的事件产生装置。这就使得组装长距离的模拟链路成本过高，组装的过程复杂繁琐。比如在论文《Improved Φ-OTDR sensing system for high-precision dynamic strain measurement based on ultra-weak fiber bragg grating array》中，由于没有过多的UWFBG，只能使用在传感单元前面连接一段5km的光纤来验证系统长距离探测能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统及方法，本发明是在现有的传感系统基础上，通过引入可控循环传感装置，通过光纤传感系统发出的环路电脉冲来控制光开关的通断，循环探测传感单元，扩展了最终的探测距离，在实验室的环境下验证了传感系统的长距离测量能力，降低了传感单元重复组装的复杂度，节约了实验成本，加快了仪器性能的验证。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统，包括光纤传感系统，还包括可控循环传感模块，所述可控循环传感模块包括光开关、第一掺铒光纤放大器、耦合器、环形器、传感单元、第二掺铒光纤放大器、光滤波器、延时光纤、光电探测器和示波器；其中，

光纤传感系统，用于产生探测光脉冲和环路电脉冲，探测光脉冲输出至光开关的第二输入端，环路电脉冲用于控制光开关的切换顺序，当环路电脉冲为高电平时，打开光开关的第二输入端至输出端的通路，当环路电脉冲为低电平时，打开光开关的第一输入端至输出端的通路；

光开关，用于根据环路电脉冲的控制，将探测光脉冲由其第二输入端输入、并由其输出端输出至第一掺铒光纤放大器；

第一掺铒光纤放大器，用于将探测光脉冲进行放大，输出放大后的探测光脉冲至耦合器；

耦合器，用于将放大后的探测光脉冲分成两路：第一路探测光脉冲和第二路探测光脉冲；第一路探测光脉冲输入至环形器，第二路探测光脉冲输入至光电探测器；

环形器，用于将第一路探测光脉冲由其第一端口输入，并由其第二端口注入至传感单元；

传感单元，用于将第一路探测光脉冲传输至第二掺铒光纤放大器，传输过程中产生散射和/或反射的信号光，该信号光由环形器的第二端口输入，并由环形器的第三端口输出至光纤传感系统；

第二掺铒光纤放大器，用于将第一路探测光脉冲放大后输出至光滤波器；

光滤波器，用于滤除放大后的第一路探测光脉冲中的放大自发辐射噪声，将滤除噪声后的第一路探测光脉冲输入到延时光纤；

延时光纤，用于将延时后的第一路探测光脉冲作为循环的探测光脉冲由光开关的第一输入端输入、并由光开关的输出端输出继续循环在可控循环传感模块中；延时光纤延长第一探测光脉冲传输到光开关的第一输入端的时间，以保证散射和/或反射的信号光传输到环形器的第三端口时，循环的探测光脉冲还未到达环形器的第二端口；

光电探测器，用于将接收的第二路探测光脉冲进行光电转换，将第二路探测光脉冲对应的电脉冲输出到示波器；

示波器，用于显示光电探测器输出的电脉冲。

作为本发明所述的一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统进一步优化方案，所述环路电脉冲和探测光脉冲的周期同步，环路电脉冲超前于探测光脉冲，使得探测光脉冲在到达光开关的第二输入端之前已经打开光开关的第二输入端至输出端的通路；环路电脉冲宽度大于探测光脉冲，使得探测光脉冲在光开关的第二输入端导通时通过光开关。

作为本发明所述的一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统进一步优化方案，通过控制环路电脉冲和探测光脉冲的周期，从而控制探测光脉冲在环路中循环的次数，循环的次数决定最终模拟的探测距离。

作为本发明所述的一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统进一步优化方案，耦合器的分光比为90:10。

基于一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤一、采用光纤传感系统产生探测光脉冲和环路电脉冲，环路电脉冲用来提前控制光开关的第二输入端导通，探测光脉冲由光开关的第二输入端输出至第一掺铒光纤放大器进行放大；光开关的第二输入端的导通时间为t3，经过t3后控制光开关的第一输入端至输出端的通路为打开；探测光脉冲宽度为t2, 环路电脉冲宽度为t3，t3>t2；

步骤二、将放大后的探测光脉冲分成两路：第一路探测光脉冲和第二路探测光脉冲，第一路探测光脉冲注入至环形器的第一端口，由环形器的第二端口输出至传感单元；第二路探测光脉冲输入至光电探测器，光电探测进行光电转换，将第二路探测光脉冲对应的电脉冲输出到示波器，在光纤传感系统发出的单个探测光脉冲周期内，通过观察电脉冲峰值来检测第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器对环路损耗的弥补程度，调节第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器的输出功率，使得示波器上的电脉冲的峰值相同，完成对环路损耗的弥补；环路是指当光开关的第一输入端为导通时，光开关、第一掺铒光纤放大器、耦合器、环形器、传感单元、第二掺铒光纤放大器、光滤波器和延时光纤所形成的环路；

步骤三、第一路探测光脉冲经传感单元传输至第二掺铒光纤放大器，传输过程中产生散射和/或反射的信号光，该信号光由环形器的第二端口输入，并由环形器的第三端口输出至光纤传感系统；第一路探测光脉冲从进入传感单元到第一路探测光脉冲在传感单元中产生的所有的信号光都返回到环形器的第二端口的时间为t0，第一路探测光脉冲在传感单元中传输的时间为t0/2；

步骤四、将第一路探测光脉冲放大、滤波器后进入到延时光纤，将延时后的第一路探测光脉冲作为循环的探测光脉冲由光开关的第一输入端输入、并由光开关的输出端输出；完成一次循环，整个循环过程中探测光脉冲传输所消耗的时间为t4,t4>t0；

步骤五、若要使得探测光脉冲在环路中完成N次循环，控制环路电脉冲的周期T> N*t4,环路中循环的第N+1个探测光脉冲在进入光开关之前将光开关的第二输入端至输出端的通路打开，这样就将环路中的探测光脉冲阻隔在光开关处衰减掉，在光纤传感系统发出的单个探测光脉冲周期内就可以得到将现有传感距离延长到N倍的传感数据。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在现有光纤传感系统基础下，通过光纤传感系统发出的环路电脉冲来控制光开关的通断，循环探测传感单元，扩展了最终的探测距离，在实验室的环境下验证了传感系统的长距离测量能力，降低了传感单元重复组装的复杂度，节约了实验成本，加快了仪器性能的验证。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的脉冲时序图。

图3是典型的传感模块示意图；其中，（a）为OTDR/COTDR传感单元，（b）为BOTDR传感单元，（c）为Φ-OTDR传感单元，（d）为传感单元FBG/UWFBG传感单元。

图4是COTDR海底级联中继结构图。

图5是1000km长COTDR曲线测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明的系统结构图，一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统，包括光纤传感系统，还包括可控循环传感模块，所述可控循环传感模块包括光开关、第一掺铒光纤放大器EDFA1、耦合器、环形器、传感单元、第二掺铒光纤放大器EDFA2、光滤波器、延时光纤、光电探测器和示波器；其中，

光纤传感系统，用于产生探测光脉冲和环路电脉冲，探测光脉冲输出至光开关的第二输入端，环路电脉冲用于控制光开关的切换顺序，当环路电脉冲为高电平时，打开光开关的第二输入端至输出端的通路，当环路电脉冲为低电平时，打开光开关的第一输入端至输出端的通路；

光开关，用于根据环路电脉冲的控制，将探测光脉冲由其第二输入端输入、并由其输出端输出至第一掺铒光纤放大器；

第一掺铒光纤放大器，用于将探测光脉冲进行放大，输出放大后的探测光脉冲至耦合器；

耦合器，用于将放大后的探测光脉冲分成两路：第一路探测光脉冲和第二路探测光脉冲；第一路探测光脉冲输入至环形器，第二路探测光脉冲输入至光电探测器；

环形器，用于将第一路探测光脉冲由其第一端口A输入，并由其第二端口B注入至传感单元；

传感单元，用于将第一路探测光脉冲传输至第二掺铒光纤放大器，传输过程中产生散射和/或反射的信号光，该信号光由环形器的第二端口B输入，并由环形器的第三端口C输出至光纤传感系统；

第二掺铒光纤放大器，用于将第一路探测光脉冲放大后输出至光滤波器；

光滤波器，用于滤除放大后的第一路探测光脉冲中的放大自发辐射噪声，将滤除噪声后的第一路探测光脉冲输入到延时光纤；

延时光纤，用于将延时后的第一路探测光脉冲作为循环的探测光脉冲由光开关的第一输入端输入、并由光开关的输出端输出继续循环在可控循环传感模块中；延时光纤延长第一探测光脉冲传输到光开关的第一输入端的时间，以保证散射和/或反射的信号光传输到环形器的第三端口时，循环的探测光脉冲还未到达环形器的第二端口；

光电探测器，用于将接收的第二路探测光脉冲进行光电转换，将第二路探测光脉冲对应的电脉冲输出到示波器；

示波器，用于显示光电探测器输出的电脉冲。

所述环路电脉冲和探测光脉冲的周期同步，环路电脉冲超前于探测光脉冲，使得探测光脉冲在到达光开关的第二输入端之前已经打开光开关的第二输入端至输出端的通路；环路电脉冲宽度大于探测光脉冲，使得探测光脉冲在光开关的第二输入端导通时通过光开关。

通过控制环路电脉冲和探测光脉冲的周期，从而控制探测光脉冲在环路中循环的次数，循环的次数决定最终模拟的探测距离。

耦合器的分光比为90:10。

基于一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤一、采用光纤传感系统产生探测光脉冲和环路电脉冲，环路电脉冲用来提前控制光开关的第二输入端导通，探测光脉冲由光开关的第二输入端输出至第一掺铒光纤放大器进行放大；光开关的第二输入端的导通时间为t3，经过t3后控制光开关的第一输入端至输出端的通路为打开；探测光脉冲宽度为t2, 环路电脉冲宽度为t3，t3>t2；

步骤二、将放大后的探测光脉冲分成两路：第一路探测光脉冲和第二路探测光脉冲，第一路探测光脉冲注入至环形器的第一端口，由环形器的第二端口输出至传感单元；第二路探测光脉冲输入至光电探测器，光电探测进行光电转换，将第二路探测光脉冲对应的电脉冲输出到示波器，在光纤传感系统发出的单个探测光脉冲周期内，通过观察电脉冲峰值来检测第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器对环路损耗的弥补程度，调节第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器的输出功率，使得示波器上的电脉冲的峰值相同，完成对环路损耗的弥补；环路是指当光开关的第一输入端为导通时，光开关、第一掺铒光纤放大器、耦合器、环形器、传感单元、第二掺铒光纤放大器、光滤波器和延时光纤所形成的环路；

步骤三、第一路探测光脉冲经传感单元传输至第二掺铒光纤放大器，传输过程中产生散射和/或反射的信号光，该信号光由环形器的第二端口输入，并由环形器的第三端口输出至光纤传感系统；第一路探测光脉冲从进入传感单元到第一路探测光脉冲在传感单元中产生的所有的信号光都返回到环形器的第二端口的时间为t0，第一路探测光脉冲在传感单元中传输的时间为t0/2；

步骤四、将第一路探测光脉冲放大、滤波器后进入到延时光纤，将延时后的第一路探测光脉冲作为循环的探测光脉冲由光开关的第一输入端输入、并由光开关的输出端输出；完成一次循环，整个循环过程中探测光脉冲传输所消耗的时间为t4,t4>t0；

步骤五、若要使得探测光脉冲在环路中完成N次循环，控制环路电脉冲的周期T> N*t4,环路中循环的第N+1个探测光脉冲在进入光开关之前将光开关的第二输入端至输出端的通路打开，这样就将环路中的探测光脉冲阻隔在光开关处衰减掉，在光纤传感系统发出的单个探测光脉冲周期内就可以得到将现有传感距离延长到N倍的传感数据。

图2是触发脉冲、探测光脉冲、环路电脉冲和最终光脉冲的脉冲时序图，横坐标t为时间轴，触发脉冲为传感系统内部的触发产生探测光脉冲和环路电脉冲的基准脉冲，触发脉冲的宽度为t1,最终光脉冲为在光路中循环产生的探测光脉冲序列。

图3中内容为适用于该装置进行长距离能力验证的四类典型传感单元，包括OTDR和COTDR探测系统对于级联光缆的光线损耗、断点等的测量，图3中的（a）为常用的传感单元；BOTDR传感系统对于应力与应变的级联光缆的测量，图3中的(b)中为显示加热水测试BOTDR对温度的响应的传感单元；Φ-OTDR传感系统对于动态应变的测量，在验证其长距离多点测试的能力时，图3中的（c）为待测光纤和压电陶瓷（PZT），就可以使用这种循环装置来模拟图3中的（c）；最后是布拉格光栅（FBG）或者弱反射布拉格光栅（UWFBG）来定量测量光纤上应变，传感单元如图3中（d）所示，由于FBG和UWFBG都需要熔接机熔接光纤来组装光纤探测单元，操作复杂，价格昂贵，采用该循环探测装置可以实现长距离多点测量的能力。

对于COTDR传感系统，以图4中COTDR海底级联中继测试环境为背景来具体说明一种超长距离分布式光纤传感模拟测试系统。南京发艾博光电科技有限公司的NJUC-1500型COTDR传感系统1台，需要测试其最长级联传感距离，由于没有足够长的光纤进行测试，搭建如图1所示的可控循环传感装置。

具体的实验装置及其参数设置如下：光开关采用Agiltron公司生产的NSSW-125111132单模1×2高速光开关；EDFA是无锡中兴生产的WZEDFA-EM-B-C-22/G30-1-2；光电探测器是Thorlabs的 PDB430C；光滤波器是绵阳超光的DWDM-1C34-1；耦合器、环形器为1550nm实验室常用装置；传感单元是48.9km单模光纤；延时光纤是49.2km的单模光纤。

结合实验参数的具体步骤如下：

步骤一、COTDR系统发出环路电脉冲提前300us控制光开关打开S2至S3，发射探测光脉冲进入光开关，过一段时间后控制光开关断开S2至S3，打开S1至S3，进入到环路状态。探测光脉冲宽度为t2=10us, 环路电脉冲宽度为t3=400us，t3>t2；

步骤二、通过EDFA1放大后达到峰值功率P1=11dBm，进入到90:10耦合器，90%的探测光脉冲进入到环形器1，10%的探测光脉冲进入光电探测器进行检测第一次探测光的峰值功率；

步骤三、第一次探测光进入到传感单元，得到散射光返回到环形器，探测光脉冲从进入传感单元到最后的信号光返回到环形器2端口的时间为t0=489us，探测光在传感单元中传输的时间为t0/2；

步骤四、探测光脉冲被EDFA2放大经过滤波器后进入到延时光纤，经过光开关S1至S3，完成第一次循环，整个循环过程中探测光脉冲传输所消耗的时间为t4=490us,t4>t0；

步骤五、若要使得探测光在环路中完成N次循环，理论上控制环路电脉冲的周期T=N*t4，实际上为了获得最后的脉冲的噪底，要使得T> N*t4只要保证在第N+1个脉冲在进入光开关之前把S2至S3打开，其中T=10ms、N=20满足条件，这样就把环路中的探测光脉冲阻隔在光开关中衰减掉，在光纤传感系统发出的单个探测光脉冲周期内就可以得到将现有传感距离延长到980km的传感数据，得到最后COTDR曲线如图5所示，验证了系统长距离探测的能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。