基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字增强干涉光纤传感技术，特别是一种基于数字增强干涉的高灵敏 度准分布式光纤光栅振动传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器具有抗电磁干扰能力强，高灵敏度，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，传 感距离长，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]〇
[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] -般来说，光纤中返回的信号强度越大，系统的信噪比越高。Phase-OTDR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。而通过在光纤中引入反射点，反射回的光信号强度可大大改善。基于此，可以设法 提取光纤中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，如何在光纤中添加准分布式的反射点是很关键的。有人采用利用光纤连接头的级联 作为反射点进行过几个反射点时的实验，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。光纤连接头的反射率如APC是~1 %，UPC发射率~4 %， 连接头处约有〇. 4dB的损耗。如果将多个连接头级联在一起，会导致仅几个反射点之后的 反射回的信号强度都非常低，甚至探测不到，根本无法满足准分布式传感系统中对很多传 感点数的要求。数字增强干涉技术中，由于伪随机码的互相关特性，要求各个弱反射点反射 回的信号强度基本一致，以提高信噪比。各个连接头处反射回的信号强度前后差异太大，会 大大降低信噪比。并且，连接头在工程应用中具有稳定性差、体积大等缺点。因此，需要一 种弱反射率、低损耗、易于集成的传感反射点，且最好能够实现反射点的反射率可调整，以 尽量使前后反射点反射回的信号强度相当。
【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、信噪比差的不足，提出 一种基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅传感器。采用弱反射率光纤光栅级 联而成的阵列，采集的信号是光栅中反射回来的信号，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，提高了系统的信噪 比。
[0008] 本发明的技术解决方案如下：一种基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光 栅振动传感器，其特征在于包括窄线宽激光器（1)、第一光纤耦合器（2)、电光调制器（3)、 声光调制器（4)、环形器（5)、弱反射率光纤光栅阵列（6)、弱反射率光纤光栅阵列由弱反 射率光栅1、光栅2···、光栅m级联而成、第二光纤耦合器（7)、双平衡探测器（8)、任意波形 发生器（9)、电学放大器（10)、η个电学延时器：电学延时器I (11)、电学延迟器2 (12)…、 电学延时器η (13)、η个乘法器：乘法器1 (14)、乘法器2 (15)…、乘法器η (16)、相位解调 器（17)，所述的窄线宽激光器⑴的输出端口与所述的第一光纤親合器⑵的输入端口相 连，第一光纤親合器（2)的第一输出端口与所述的电光调制器（3)的光信号输入端相连，所 述的电光调制器（3)输出端口与所述的声光调制器（4)的光信号输入端口相连，所述的声 光调制器（4)的光信号输出端口与所述的环形器（5)第一端口相连，所述环形器（5)的第 二端口与弱反射率光纤光栅阵列（6)的输入端口相连，所述环形器（5)的第三端口与所述 的第二光纤耦合器（7)的第一输入端相连，第一光纤耦合器（2)的第二输出端口与第二光 纤耦合器（7)的第二输入端口相连，第二光纤耦合器（7)的两个输出端口与双平衡探测器
[8] 的两个输入端口相连，所述双平衡探测器（8)的输出端口同时与乘法器1(14)、乘法器 2(15)···、乘法器η(16)的第一输入端口相连，所述的任意波形发生器（9)的第一输出端口 与所述的电学放大器（10)的输入端口相连，所述的电学放大器（10)的输出端口与电光调 制器（3)的射频信号输入端口相连，任意波形发生器（9)的第二输出端口同时与所述的η 个电学延时器输入端口并联相连，所述的η个电学延时器的输出端口分别与对应的η个乘 法器的第二输入端口相连，η个乘法器的输出端口分别与相位解调器（17)的多个输入端口 相连。
[0009] 本发明的利用上述传感器的传感方法是：利用任意波形发生器产生伪随机序列， 伪随机序列经过放大器之后，用来驱动电光调制器，电光调制器对窄线宽激光器的激光进 行相位调制，伪随机码调制后光信号经过弱反射率光纤光栅阵列，不同弱反射率光纤光栅 反射点处反射回来的光信号到达接收端的时间不同，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，得到各个反射点的相位信 息，相邻的两个反射点处的相位信息进行差分，就能得到两个反射点之间的传感光纤上的 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，可以大大提高系统的信噪比。
[0010] 米用由弱反射率光栅1、光栅2···、光栅m级联而成弱反射率光纤光栅阵列，由所述 光栅阵列反射回来的信号作为传感信号。
[0011] 弱反射率光纤光栅阵列中的各个弱反射率光栅的折射率经过设计：各个弱反射率 光栅的折射率随距离逐渐增大，保证反射回来的光信号幅度基本一致，提高信噪比。
[0012] 所述的窄线宽激光器是RIO窄线宽激光器，中心波长是1550nm，线宽约为2. 5kHz， 也可以采用其它种类的窄线宽的激光器。
[0013] 所述的第一光纤親合器是保偏的光纤親合器，1550nm波段，端口 2X2,分光比是 9:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。
[0014] 所述的第二光纤耦合器是普通单模光纤，1550波段，端口 2X2,分光比是1:1，也可 以采用分光比略有差别的光纤耦合器。
[0015] 所述的电光调制器，是JDSU APE相位调制器，1550波段，带宽为10GHz，半波电压 约为4. 8v，通过伪随机码对光信号进行0或π相位调制，也可以采用其他类型的相位调制 器。
[0016] 所述的声光调制器，波段1550nm，声光偏移量160MHz，是使本振光与探测光产生 160MHz的频率差，输出光仍为连续光，也可以采用其它声光调制器。
[0017] 所述的光纤环形器，是一个三端口单模光纤环形器，也可以采用接入光纤耦合器 和隔离器的办法，起到等同于光纤环形器效果的方案。
[0018] 所述的双平衡探测器，是将光信号转换为电信号的高速探测器，波段1550nm，3dB 带宽40kHz-800MHz，也可以采用其它满足系统性能的双平衡探测器。
[0019] 所述的低通滤波器，主要滤除电信号的高频成分。
[0020] 所述的乘法器，是实现电信号与伪随机序列的乘法（相关）运算。
[0021] 所述的模数转换器，主要是将模拟电信号转换为数字信号。
[0022] 所述的任意波形发生器由可编程逻辑器件制备，实现伪随机序列的产生，以及对 数字信号处理，实现数字信号的相位解调。
[0023] 所述的放大器，主要是实现对伪随机序列的放大，使伪随机序列能够驱动电光调 制器实现〇或π相位调制。
[0024] 所述的电学延时器，是为了使本地伪随机序列进行延迟，与反射点反射回来的信 号的伪随机序列相位一致。
[0025] 所述的相位解调器，可以是能够实现信号的相位解调的硬件模块，也可以是经过 模数转换器+计算机上位机后的软件解调。
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] 1、采用数字增强干涉技术，传感光是经过伪随机码调制的连续光，接收端将接收 到的信号与本地经过相应延迟的伪随机序列进行相关运算，再进行相位解调。由于伪随机 码的相关特性，可以抑制杂散噪声和码间串扰，提高信噪比。
[0028] 2、米用弱反射率光纤光栅阵列（由弱反射率光栅1、光栅2···、光栅η级联而成）， 用反射信号作为传感信号，信号强度高，比光纤中散射信号强度大，信噪比高，可以实现声 音、振动等信息的测量。
[0029] 3、弱反射率光纤光栅阵列中各个光栅的反射率可以差异化设计，使各个光栅反射 回的信号的强度基本一致，进一步提高信噪比。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传感器结构 框图；
[0031] 图2为弱反射率光纤光栅阵列中各个光栅的是反射率差异化设计前后的性能对 比。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。
[0033] 首先请参照图1，图1为基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传