高灵敏度双光纤光缆传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字增强干涉光纤传感技术，特别是一种高灵敏度双光纤光缆传感 器。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器具有抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的 远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与光纤系统连接等优势。近年来，被广泛 应用于天然气、石油管道安全监测，桥梁裂纹监测，气体浓度探测、边界安防等领域。但是， 在一些要求高灵敏度探测能力的场合，例如声音探测、微弱振动的探测等，光纤传感器的灵 敏度和信噪比一直是其制约因素。因此，提高光纤传感系统的灵敏度和信噪比是当务之急。
[0003] 自从1993年H. F. Taylor提出相位敏感光时域反射计（Phase sensitive optical time domain reflectometry,以下简称Phase-OTDR)以来，大大提高了光纤传感的灵敏度， 具体参见【H. F. Taylor and E. E. Lee. Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing. U. S. Patent 5, 1993:194847]〇
[0004] Robert M. Payton等提出在Phase-OTDR中应用伪随机序列对连续探测光进行 相位调制，并在接收端进行相关运算，解调出相位信息，提高了系统的灵敏度和信噪比 【Robert M. Payton. Natural fiber span reflectometer providing a spread virtual sensing array capability. U. S. Patent, US7268863]。
[0005] D. A. Shaddock等提出的数字增强干涉技术的概念，利用伪随机码的相关特性，能 够有效的抑制杂散噪声，具体参见【Daniel A. Shaddock, Digitally enhanced heterodyne interferometry. Optics letters 2〇〇7, 32 (22)，3355-3357·】
[0006] 但是，Phase-OTDR系统中利用的是瑞利散射光进行传感，瑞利散射光的强度比较 低，对于提高系统的灵敏度和信噪比有很大限制。基于此，可以设法提取光纤中很强的反射 信号作为传感信号，并与数字增强干涉技术结合，来提高系统的灵敏度。但是，光纤中不能 随意添加反射点，有人考虑采用利用光纤连接头的级联作为反射点，并且用前面的连接头 作为相邻后面连接头的参考点，来求出连接头之间的相位信息。但是有些场合下，外部环境 不允许连接头的接入，例如连接头的体积的限制或者是一些工程施工的要求等。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有光纤传感系统灵敏度低、信噪比差、传感结构复 杂的不足，提出一种高灵敏度双光纤光缆传感器。采用双光纤光缆作为传感结构，光缆中的 两根光纤外部环境一致，具有相同的相位信息。一根光纤作为参考支路，另一根作为传感光 纤，结构简单，传感距离灵活，且可以利用现有的组网光缆，不需铺设特殊的传感结构。采集 的信号是光纤末端反射回来的信号，信号强度大，信噪比高。系统中采用数字增强干涉技 术，利用伪随机码的互相关特性，去除杂散噪声的影响，接收端采用分偏振接收，减弱偏振 衰落的影响，提高了系统的信噪比。
[0008] 本发明的核心思想是：利用可编程逻辑器件产生伪随机序列，伪随机序列经过放 大器之后，用来驱动电光调制器，对窄线宽连续激光进行相位调制，伪随机码调制后光信号 注入到双光纤光缆中，不同反射点处反射回来的光信号的到达接收端的时间不同，通过偏 振控制器的作用对不同偏振的反射光信号分别进行接收，利用伪随机码自相关系数为1，互 相关系数约为0的特点，将接收到的信号与经过特定延迟（与信号光到达欲测量点的往返 时间一致）的本地伪随机码进行相关运算，就可以得到感兴趣的某点的反射信号，而其它 点的信号（包括噪声）被抑制，相关运算之后的信号再经过相位解调，得到累加的相位信 息，再减去参考支路的参考信号，就能得到传感光纤上的振动、声音等传感信号。由于传感 中采用的是反射点的信号，以及采用了伪随机序列相位调制解调的方式及分偏振接收，可 以大大提高系统的信噪比。
[0009] 本发明的技术解决方案如下：
[0010] 一种高灵敏度双光纤光缆传感器，特征在于其构成包括窄线宽激光器、第一光纤 耦合器、电光调制器、声光调制器、环形器、第二光纤耦合器、双光纤光缆、第三光纤耦合器、 第四光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一双平衡探测器、第二双平衡探测 器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、 第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器、第四模数转换器、可编程逻辑器件、放 大器、第一延时器、第二延时器等，其特征是在所述的窄线宽激光器的输出端口与所述的第 一光纤親合器的输入端口相连，该第一光纤親合器的第一输出端口与所述的电光调制器光 信号输入端相连，该第一光纤親合器的第二输出端口与所述的声光调制器的光信号输入端 口相连，所述的电光调制器的光信号输出端口与所述的环形器第一端口相连，该环形器的 第二端口与第二光纤耦合器的输入端口相连，该环形器的第三端口与所述的第三光纤耦 合器的输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端口与所述的双光纤光缆的传感光纤相 连，第二光纤耦合器的第二输出端口与所述的双光纤光缆的参考光纤相连，第三光纤耦合 器的第一输出端口与所述的第一双平衡探测器的第一输入端口相连，第三光纤親合器的第 二输出端口与所述的第一偏振控制器的输入端口相连，第一偏振控制器的输出端口与所述 的第二双平衡探测器的第一输入端口相连，所述的声光调制器的光信号输出端口与所述的 第四光纤耦合器的输入端口相连，该第四光纤耦合器的第一输出端口与所述的第二偏振控 制器的输入端口相连，该第二偏振控制器的输出端口与第一双平衡探测器的第二输入端口 相连，第四光纤耦合器的第二输出端口与所述的第二双平衡探测器的第二输入端口相连， 第一双平衡探测器的输出端口与所述的第二低通滤波器的输入端口相连，第二双平衡探测 器的输出端口与所述的第一低通滤波器的输入端口相连，该第一低通滤波器的输出端口分 别与第一乘法器的第一输入端口和第二乘法器的第一输入端口相连，第二低通滤波器的输 出端口分别与第三模数转换器的第一输入端口和第四模数转换器的第一输入端口相连，第 一乘法器的输出端口与所述的第一模数转换器的输入端口相连，该第一模数转换器的输出 端口与所述的可编程逻辑器件的第一数字输入总线相连，第二乘法器的输出端口与第二模 数转换器的输入端口相连，该第二模数转换器的输出端口与所述的可编程逻辑器件的第二 数字输入总线相连，第三乘法器的输出端口与第三模数转换器的输入端口相连，该第三模 数转换器的输出端口与所述的可编程逻辑器件的第三数字输入总线相连，第四乘法器的输 出端口与第四模数转换器的输入端口相连，该第四模数转换器的输出端口与所述的可编程 逻辑器件的第四数字输入总线相连，可编程逻辑器件的传感伪随机序列输出端口与所述的 放大器的输入端口相连，放大器的输出端口与所述的电光调制器调制信号输入端口相连， 可编程逻辑器件的本地伪随机序列的输出端口分别与所述的第一延时器的输入端口和所 述的第二延时器的输入端口相连，第一延时器的输出端口分别与第一乘法器的第二输入端 口和第三乘法器的第二输入端口相连，第二延时器的输出端口分别与第二乘法器的第二输 入端口和第四乘法器的