一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统

摘要

本发明涉及一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，包括依次连接的光发射单元和第一保偏3×3光耦合器，所述的第一保偏3×3光耦合器输出相位差为2π/3的两臂光波，所述的两臂光波分别连通一路传感光缆，该系统还包括用于将散射光和反射光的分离的偏振分离结构以及用于分别探测两路传感光缆中散射光和反射光的探测器，两组偏振分离结构分别设置在两臂光波的传输路径中。与现有技术相比，本发明综合相位敏感光时域反射型传感器和干涉型光纤传感器两者的优势，形成性能优异的分布式传感器。

权利要求

1.一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，其特征在于，包括依次连接的光发射单元和第一保偏3×3光耦合器，所述的第一保偏3×3光耦合器输出相位差为

2π/3的两臂光波，所述的两臂光波分别连通一路传感光缆，该系统还包括用于将散射光和反射光的分离的偏振分离结构以及用于分别探测两路传感光缆中散射光和反射光的探测器，所述的偏振分离结构设置2组分别设置在两臂光波的传输路径中，所述的偏振分离结构包括如下任意一种方案：方案一、所述的偏振分离结构包括偏振分/合束器、法拉第旋转器和法拉第旋转镜，所述的偏振分/合束器的第一端口连接第一保偏3×3光耦合器的光波输出端，所述的偏振分/合束器的第三端口连接所述的法拉第旋转器的输入端，所述的法拉第旋转器的输出端连接传感光缆的输入端，所述的传感光缆的输出端连接所述的法拉第旋转镜，所述的探测器设置4个，其中两个探测器用于探测从偏振分/合束器的第二端口出射的旋转了90°的散射光，另外两个探测器分别连接第一3×3光耦合器的两个端口，用于探测从偏振分/合束器的第一端口出射的旋转了180°的反射光；

方案二、所述的偏振分离结构包括偏振分/合束器、法拉第旋转镜和第二保偏3×3光耦合器，所述的偏振分/合束器的第一端口连接第一保偏3×3光耦合器的光波输出端，所述的偏振分/合束器的第三端口连接所述的传感光缆的输入端，所述的传感光缆的输出端连接所述的法拉第旋转镜，两路光波传输路径中的偏振分/合束器的第二端口连接分别连接至第二保偏3×3光耦合器，所述的探测器设置4个，其中两个探测器用于探测从偏振分/合束器的第一端口出射的无旋转的散射光，另外两个探测器分别连接第二3×3光耦合器的两个端口，用于探测从偏振分/合束器的第二端口出射的旋转了90°的反射光。

2.根据权利要求1所述的一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，其特征在于，所述的传感光缆的输出端和法拉第旋转镜之间设有衰减器。

3.根据权利要求1所述的一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，其特征在于，所述的光发射单元包括依次连接的光源、声光调制器和光隔离器。

4.根据权利要求3所述的一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，其特征在于，所述的光源包括窄谱激光器或宽谱激光器。

说明书

一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，尤其是涉及一种相位敏感光时域反射技术与光纤干涉技术融合的光纤传感系统。

背景技术

[0002] 光纤振动传感系统研发工作近年来在国内外推进迅速，出现了基于不同传感原理路线的多种产品，他们按技术原理可分为分布式干涉型传感技术和基于光时域反射仪(OTDR)的分布式传感技术两大类。分布式干涉型光纤振动传感器主要有M‑Z型，Sagnac型和Michelson型，它们的传感结构关键点是包含有传感臂和参考臂，当振动信号作用于传感臂时，两臂之间产生了相位差，通过解调相位差的大小和位置进行分布式的振动信号探测。基于OTDR的分布式振动传感技术通过探测解调振动信号作用于光纤时引起的光纤折射率改变及反射光的偏振、频率、相位、时间和强度的变化，来进行振动信号强度和位置的探测。此类型包括偏振光时域反射型(POTDR)、布里渊光时域反射型(BOTDR)、相位敏感的光时域反射型(Φ‑OTDR)传感器三类。其中，Φ‑OTDR振动传感器利用光纤中产生的后向瑞利散射光干涉原理，探测窄线宽的脉冲在不同位置返回光的相位变化，可解调出对应位置的振动信号。基于Φ‑OTDR的振动传感技术可同时对高频和低频信号作出响应，且具有很高的灵敏度。

[0003] 干涉型光纤传感器对于振动具有宽频率响应能力，并且可以通过光纤的中光波相位变化，反应出振动信号的频率、大小和持续时间等特征，在振动模式识别领域具有很好的优势。相位敏感的光时域反射型传感器具有很高的灵敏度，同时在定位分辨率上可达到米的量级。因此，将干涉型光纤传感器和Φ‑OTDR传感器相结合，在分布式光纤智能传感领域具有很大的应用前景。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统。

[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0006] 一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，包括依次连接的光发射单元和第一保偏3×3光耦合器，所述的第一保偏3×3光耦合器输出相位差为2π/3的两臂光波，所述的两臂光波分别连通一路传感光缆，该系统还包括用于将散射光和反射光的分离的偏振分离结构以及用于分别探测两路传感光缆中散射光和反射光的探测器，所述的偏振分离结构设置2组分别设置在两臂光波的传输路径中。

[0007] 优选地，所述的偏振分离结构包括偏振分/合束器、法拉第旋转器和法拉第旋转镜，所述的偏振分/合束器的第一端口连接第一保偏3×3光耦合器的光波输出端，所述的偏振分/合束器的第三端口连接所述的法拉第旋转器的输入端，所述的法拉第旋转器的输出端连接传感光缆的输入端，所述的传感光缆的输出端连接所述的法拉第旋转镜。

[0008] 优选地，所述的探测器设置4个，其中两个探测器用于探测从偏振分/合束器的第二端口出射的旋转了90°的散射光，另外两个探测器分别连接第一3×3光耦合器的两个端口，用于探测从偏振分/合束器的第一端口出射的旋转了180°的反射光。

[0009] 优选地，所述的偏振分离结构包括偏振分/合束器、法拉第旋转镜和第二保偏3×3光耦合器，所述的偏振分/合束器的第一端口连接第一保偏3×3光耦合器的光波输出端，所述的偏振分/合束器的第三端口连接所述的传感光缆的输入端，所述的传感光缆的输出端连接所述的法拉第旋转镜，两路光波传输路径中的偏振分/合束器的第二端口连接分别连接至第二保偏3×3光耦合器。

[0010] 优选地，所述的探测器设置4个，其中两个探测器用于探测从偏振分/合束器的第一端口出射的无旋转的散射光，另外两个探测器分别连接第二3×3光耦合器的两个端口，用于探测从偏振分/合束器的第二端口出射的旋转了90°的反射光。

[0011] 优选地，所述的传感光缆的输出端和法拉第旋转镜之间设有衰减器。

[0012] 优选地，所述的光发射单元包括依次连接的光源、声光调制器和光隔离器。

[0013] 优选地，所述的光源包括窄谱激光器或宽谱激光器。

[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0015] (1)本发明利用同一激光器在光纤中传输产生的后向散射光和反射光，构建成具有相位敏感型光时域反射仪和光纤干涉仪融合的系统，可以分别各取所长，实现高定位精度和高模式识别正确率的分布式光纤传感器，采用光纤光路结构的设计，实现散射光和反射光在偏振态上的分离，获得高信噪比的信号，以供后续的信号处理。

[0016] (2)干涉型光纤传感器对于振动具有宽频率响应能力，并且可以通过光纤的中光波相位变化，反应出振动信号的频率、大小和持续时间等特征，在振动模式识别领域具有很好的优势；相位敏感的光时域反射型具有很高的灵敏度，同时在定位分辨率上可达到米的量级；本发明提出的结构可以综合两者的优势，形成先进的分布式传感器。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例1中相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统的结构示意图；

[0018] 图2为本发明实施例2中相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统的结构示意图；

[0019] 图3为在偏振方向上将散射光和反射光分离的原理示意图；

[0020] 图4为本发明实施例2中PD1和PD2获得的后向散射光信号；

[0021] 图5为本发明实施例2中利用PD1和PD2中获得的后向散射光信号获得0km位置扰动信号位置的信号处理图；

[0022] 图6为本发明实施例2中利用PD1和PD2中获得的后向散射光信号获得4km位置扰动信号位置的信号处理图；

[0023] 图7为本发明实施例2中利用PD1和PD2中获得的后向散射光信号获得6km位置扰动信号位置的信号处理图；

[0024] 图8为本发明实施例2中利用PD3和PD4中获得的反射光干涉信号；

[0025] 图9为本发明利用图5中获得的反射光干涉信号中提取有用信号，获得的因相位变化产生的光强变化信号；

[0026] 图10为本发明利用反射信号获得的扰动导致的光纤中光波相位变化信息。

[0027] 图中，LD为光源，AOM为声光调制器，ISO为光隔离器，OC、OC1、OC2为保偏3×3光耦合器，PBS1、PBS2为偏振分/合束器，FR1、FR2为法拉第旋转器，FRM1、FRM2为法拉第旋转镜，VOA1、VOA2为衰减器，PD1、PD2、PD3、PD4为探测器。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1所示，本实施例提供一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，包括依次连接的光发射单元和第一保偏3×3光耦合器，第一保偏3×3光耦合器输出相位差为2π/3的两臂光波，两臂光波分别连通一路传感光缆(普通光缆)，该系统还包括用于将散射光和反射光的分离的偏振分离结构以及用于分别探测两路传感光缆中散射光和反射光的探测器，偏振分离结构设置2组分别设置在两臂光波的传输路径中。光发射单元包括依次连接的光源、声光调制器和光隔离器，光源包括窄线宽激光器或宽谱激光器。

[0031] 偏振分离结构包括偏振分/合束器、法拉第旋转器和法拉第旋转镜，偏振分/合束器的第一端口连接第一保偏3×3光耦合器的光波输出端，偏振分/合束器的第三端口连接法拉第旋转器的输入端，法拉第旋转器的输出端连接传感光缆的输入端，传感光缆的输出端连接法拉第旋转镜，传感光缆的输出端和法拉第旋转镜之间设有衰减器。探测器设置4个，其中两个探测器用于探测从偏振分/合束器的第二端口出射的旋转了90°的散射光，另外两个探测器分别连接第一3×3光耦合器的两个端口，用于探测从偏振分/合束器的第一端口出射的旋转了180°的反射光。本实施例实现了一种相位敏感光时域反射技术与迈克尔逊光纤干涉技术融合光路

[0032] 该实施例中，OC为第一保偏3×3光耦合器，激光器产生的相干光波在光纤中传输时，产生的后向散射光由于其相干性产生干涉现象，可以反映出传感光缆上因振动产生的相位变化；声光调制器将激光器发出的连续光调制成消光比较高的频率和占空比可调的脉冲光；第一保偏3×3光耦合器两臂光波此相位差为固定值2π/3，并且尾纤均为传感光缆；偏振分/合束器严格按照光波的偏振态执行光通过量；法拉第旋转器使单向通过的单偏振光波偏振方向旋转45°，两次通过将产生90°的旋转角；光衰减器控制到达尾端反射镜光波的光功率；法拉第旋转镜使到达尾端的光波在被反射之前旋转45°，被反射之后再次旋转45°，最后经过法拉第旋转器后光波传输方向改变180°，偏振方向改变了90度。若信号光从偏振分/合束器的端口1进入，从偏振分/合束器的端口3出射后通过法拉第旋转镜后进入传感光纤，散射光和反射光再次经过法拉第旋转器后到达偏振分/合束器后，被旋转了180°的反射光将从偏振分/合束器的端口1出射，被旋转了90°的散射光将从偏振分/合束器端口2出射。

[0033] 实施例2

[0034] 如图1所示，本实施例提供一种相位敏感光时域反射与光纤干涉融合的光纤传感系统，包括依次连接的光发射单元和第一保偏3×3光耦合器，第一保偏3×3光耦合器输出相位差为2π/3的两臂光波，两臂光波分别连通一路传感光缆，该系统还包括用于将散射光和反射光的分离的偏振分离结构以及用于分别探测两路传感光缆中散射光和反射光的探测器，偏振分离结构设置2组分别设置在两臂光波的传输路径中。光发射单元包括依次连接的光源、声光调制器和光隔离器，光源包括窄线宽激光器。

[0035] 偏振分离结构包括偏振分/合束器、法拉第旋转镜和第二保偏3×3光耦合器，偏振分/合束器的第一端口连接第一保偏3×3光耦合器的光波输出端，偏振分/合束器的第三端口连接传感光缆的输入端，传感光缆的输出端连接法拉第旋转镜，两路光波传输路径中的偏振分/合束器的第二端口连接分别连接至第二保偏3×3光耦合器，传感光缆的输出端和法拉第旋转镜之间设有衰减器。探测器设置4个，其中两个探测器用于探测从偏振分/合束器的第一端口出射的无旋转的散射光，另外两个探测器分别连接第二3×3光耦合器的两个端口，用于探测从偏振分/合束器的第二端口出射的旋转了90°的反射光。本实施例实现了一种相位敏感光时域反射技术与偏振稳定型MZ光纤干涉技术融合光路结构。

[0036] 该实施例中，OC1为第一保偏3×3光耦合器，OC2为第二保偏3×3光耦合器。具体地，与实施例1不同的是，由于没有法拉第旋转器，因此，传感光缆中的散射光无旋转直接进入返回PBS1和PBS2，并由PD1和PD2探测，经过法拉第旋转镜旋转了90°的反射光从PBS1和PBS2的第二端口输出，并经过第二保偏3×3光耦合器，由PD3和PD4探测。

[0037] 本发明上述两个实施例均是在偏振方向上将散射光和反射光分离，其原理如图3所示，光纤中的后向散射光将先于反射光到达PBS的端口3，并且散射光与反射光偏振态相互垂直，当散射光从端口1出射时，反射光从端口2出射。当在光纤中串入法拉第旋转器时，散射光从端口2出射，反射光从端口1出射。

[0038] 以实施例2中的系统为例进行试验，获得的散射光信如图4所示，对在0km，4km，6km处扰动光纤时采集到的散射光信号处理后获得的结果分别如图5，图6和图7所示。扰动时，同时采集到的脉冲干涉信号如图8所示，将脉冲信号提取出来，获得扰动干涉信号如图9所示，最后采用相位解调算法获得因扰动产生的光波相位变化信号如图10所示。

[0039] 上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。