融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感领域，特别是融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射 计及其方法。
【背景技术】
[0002] 相位敏感光时域反射技术（Φ -0TDR)通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的干涉 信号的变化来实现对外界扰动的探测，它具有高灵敏度、分布式测量、传感距离长的优点。 Φ-OTDR最早是由H.F.Taylor(Taylor H F，Lee C E.Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing[P]·1993_.http://www.google.co.uk/patents/US5194847)在 1993年提出的，它的基本结构与OTDR相似，唯一的不同是采用了窄线宽激光器作为光源，使 得叠加的各散射中心的散射光相互干涉，形成抖动的背向散射光曲线。外界扰动会影响叠 加的各散射光直接的相位差，从而导致出射的散射光曲线发生变化，探测这种变化可以实 现对光纤沿线状态的监测。但是，背向瑞利散射光的幅值一般都很小，对于lus的入射脉冲， 其背向瑞利散射光的功率比入射光功率约小-53dB，所以在传统Φ-OTDR中需要采用高灵敏 度光电探测器、相干探测的方法或平均的数据处理方法等，这些方法会带来增加系统的复 杂度、降低可探测的振动频率范围等一些缺点。
[0003] 弱反射光栅(UWFBG)是一门新兴的技术。将一系列具有同样中心波长和反射率的 弱反射光栅按照固定的间隔排列在传感光纤上，形成弱反射光栅阵列。当探测光脉冲经过 弱反射光栅时，很小的一部分光功率被弱反射光栅阵列反射，形成清晰的高功率反射脉冲， 同时剩余的光也能继续在传感光纤中实现长距离传播。X.Li、X.Wang等学者通过采用弱反 射光栅实现了高消光比的准分布式光纤传感(X. Li，Q. Sun，D. Liu，R. Liang，J. Zhang，J. Wo， P.P.Shum, and D.Liu，"Simultaneous wavelength and frequency encoded microstructure based quasi-distributed temperature sensor，〃0pt·Express 20， 12076-12084(2012);X·Wang，Z·Yan，F·Wang，Chengbo Mou，Z·Sun，X·Zhang，and L·Zhang，" SNR enhanced distributed vibration fiber sensing system employing polarization-OTDR and ultra-weak FBGs，"IEEE Photonics Journal 7,680051 (2015).)。虽然采用弱反射光栅阵列可以一定程度上解决背向瑞利散射光功率很小的问 题，但是目前采用弱反射光栅阵列的传感方法中，系统大都只敏感于发生在布有弱反射光 栅处的事件，这大大缩小了传感系统的空间上可传感范围。
【发明内容】
[0004] 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融合弱反射光栅的双 脉冲相位敏感光时域反射计及其方法，本发明提出在采用弱反射光栅获得高信噪比的同 时，采用双脉冲探测光信号，使得系统敏感于传感光纤上任意一点的事件，并实现高频率的 振动测量。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 根据本发明所述的一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计，包括窄 线宽激光器、光调制器、环形器、数据采集装置、雪崩探测器、传感光纤、脉冲信号发生器和 设置在传感光纤上的弱反射光栅阵列;其中，
[0007] 窄线宽激光器，用于输出连续光至光调制器；
[0008] 脉冲信号发生器，用于控制光调制器以及同步数据采集装置的数据采集；
[0009] 光调制器，用于根据脉冲信号发生器的控制将连续光调制成探测双脉冲输出至环 形器的第一端口；
[0010] 环形器，用于将探测双脉冲由其第二端口注入传感光纤中，获得包含一系列干涉 脉冲的背向瑞利散射光信号输入至环形器的第二端口，并由环形器的第三端口输出至雪崩 探测器；
[0011] 雪崩探测器，用于将包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号转换成电信号输 出至数据采集装置；
[0012] 数据采集装置，用于对电信号进行处理，获得传感光纤的扰动信息。
[0013] 作为本发明所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优 化方案，所述弱反射光栅阵列是刻制在传感光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的 弱反射光栅组成，反射率为_55dB~_30dB，相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的， 妒4，其中，L为传感光纤总长度，AL为相邻弱反射光栅之间的距离间隔，U表示向 下取整。
[0014] 作为本发明所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优 化方案，所述探测双脉冲包含两个光脉冲，分别为前脉冲和后脉冲;设前后脉冲的时间间隔 2Μ n 2ALii , 为τ，?·=-前脉冲和后脉冲的脉冲宽度相等，脉冲宽度t ^其中，c为真空中 c ; 光速，nf为传感光纤折射率，△ L为相邻弱反射光栅之间的距离间隔。
[0015] 作为本发明所述一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计进一步优 化方案，所述光调制器可为电光调制器或者声光调制器。
[0016] 基于一种融合弱反射光栅的双脉冲相位敏感光时域反射计的测量振动的方法，包 括以下步骤：
[0017] 步骤一、将连续光调制成探测双脉冲，按照预设周期发射Μ次探测双脉冲至传感光 纤中；
[0018] 步骤二、探测双脉冲在刻有弱反射光栅阵列的传感光纤中产生背向返回信号，背 向返回信号是包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号;Μ次探测获得Μ条背向返回信号 曲线；
[0019] 步骤三、将Μ条背向返回信号曲线按时间顺序排列，获得传感光纤上每一点对应的 功率随时间变化的曲线，并对传感光纤上每一点对应的功率曲线进行傅里叶变换，获得频 谱图，从而实现振动的定位和对振动频率的大范围测量。
[0020] 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：
[0021] (1)本发明采用融合弱反射光栅阵列的光纤作为传感光纤，所获得的信号具有很 高的信噪比；本发明采用双脉冲作为探测光信号，解决了融合光纤光栅的传感系统大都只 是"点敏感"的问题，实现了敏感于传感光纤任意一点的扰动；
[0022] (2)本发明在实现振动测量时，无需进行平均等数据处理，可以实现超高频率的振 动测量，同时高质量的信号还可以实现较低频率(~3Hz)的测量；
[0023] (3)本发明测量系统装置结构简单且成本较低。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计的示意图。
[0025] 图2是本发明的相位光时域反射计中融合弱反射光栅阵列的传感光纤示意图。
[0026] 图3是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计中所包含的探 测双脉冲示意图。
[0027] 图4是本发明中前后脉冲在相邻弱反射光栅上产生的反射脉冲发生干涉产生干涉 脉冲现象的原理图；其中，（a)为前脉冲在弱反射光栅上产生第一反射脉冲的过程，（b)为第 一、第二反射脉冲叠加传输。
[0028] 图5是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计所测得的传感 光纤沿线出射光功率图。
[0029] 图6是本发明融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计所测得的传感 光纤沿线的频谱图；其中，（a)为30Hz振动扰动下的频谱图，（b)为30Hz扰动下光纤沿线频谱 图的局部放大图，（c)为9kHz振动扰动下的频谱图，（d)为9kHz扰动下光纤沿线频谱图的局 部放大图。
[0030] 附图标记解释为：1_窄线宽激光器，2-光调制器，3-环形器，4-数据采集装置，5-雪 崩探测器，6-弱反射光栅，7-传感光纤，8-脉冲信号发生器，U1、112、113、1]4、1]5均为传感光纤 沿线排列的弱反射光栅，P1-前脉冲，P2-后脉冲。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0032] 参照图1，本发明的融合弱反射光栅的高信噪比双脉冲相位光时域反射计，包括窄 线宽激光器1，光调制器2，环形器3，数据采集装置4，雪崩探测器5，弱反射光栅阵列，传感光 纤7,脉冲信号发生器8。所述窄线宽激光器1发出连续光经光调制器2被调制成探测光脉冲， 此探测光脉冲包含前后两个光脉冲，如图3所示，称为探测双脉冲，探测双脉冲由环形器3的 A端口进入传感光纤7，传感光纤沿线布满弱反射光栅阵列，弱反射光栅阵列是刻制在传感 光纤上的，弱反射光栅阵列由N个反射率相等的弱反射光栅6组成，反射率为-55dB~-30dB， 相邻弱反射光栅之间的间隔是相等的，，其中，L为传感光纤总长度，AL为相邻弱 _AL 反射光栅之间的距离间隔，[」表示向下取整。探测双脉冲在传感光纤中传输，在没有弱反 射光栅的区域，将发生瑞利散射;在弱反射光栅区域将会产生反射，形成反射脉冲，前后脉 冲在相邻弱反射光栅上产生的反射脉冲在空间上将产生交叠，发生干涉，产生干涉脉冲，背 向返回信号为包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光信号，背向返回信号传播至环形器3 的B端口，由环形器3的C端口输出，被雪崩探测器5探测转换成电信号，电信号被数据采集装 置4获得，经过数据处理确定当前传感光纤的扰动信息。脉冲信号发生器8用于控制光调制 器产生符合条件的探测双脉冲，并且用来同步数据采集装置4的数据采集。
[0033]本发明的融合弱反射光栅阵列的传感光纤如图2所示，传感光纤长4.5km，沿线按 照固定的距离间隔排布若干个弱反射光栅，相邻弱反射光栅之间的距离间隔为A L = 50m， 光栅个数为N=88。
[0034] 本发明的所产生的探测双脉冲如图3所示，包含两个光脉冲，分别为前脉冲P1和后 脉冲P2,前后两个光脉冲幅值相等。前后脉冲的时间间隔为T = 500ns，前后脉冲的脉冲宽度 相等，脉冲宽度tp = 300ns。
[0035] 本发明中所产生的背向返回信号是一条包含一系列干涉脉冲的背向瑞利散射光 曲线，其中干涉脉冲的功率远高于背向瑞利散射信号，干涉脉冲是用于检测扰动的主要探 测信号，具有高信噪比，易于探测和实现远距离。对背向返回信号上各点的确定方法为:在t =〇时刻从光纤一端发射光脉冲，从〇时刻开始，脉冲光发射