基于本地光移频的外差型φ-otdr技术的扰动监测系统
阅读说明：本技术 基于本地光移频的外差型φ-otdr技术的扰动监测系统 (Disturbance monitoring system of heterodyne phi-OTDR technology based on local optical frequency shift ) 是由 余志华 戴贝 于 2021-01-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统,包括探测高频率窄脉宽脉冲光和移频后的本地连续光生成模块、探测光纤模块以及数据采集及信号处理模块；本系统利用一种窄脉宽脉冲光作为探测光与经过高频率移频的本地连续光干涉的分布式光纤传感技术,通过将窄脉宽脉冲光作为探测波入射到待测光纤中,在分布式光纤传感器系统中,能利用毫秒级别的探测数据量对其扰动进行定量分析,并准确还原出扰动信号的频率和幅值等信息。由于原始信号的移频大幅度降低,使得采样数据量减少,更便于该系统可以实时地定量分析扰动信号的频率和幅值,这是传统分布式光纤传感器所不具备的优势。(The invention provides a disturbance monitoring system based on a local optical frequency shift heterodyne phi-OTDR technology, which comprises a local continuous light generation module, a detection optical fiber module and a data acquisition and signal processing module, wherein the local continuous light generation module is used for detecting high-frequency narrow-pulse-width pulse light and frequency-shifted local continuous light; the system utilizes a distributed optical fiber sensing technology that narrow pulse width pulse light is used as detection light and is interfered by local continuous light with high frequency shift, and the narrow pulse width pulse light is used as detection wave to be incident into an optical fiber to be detected. The frequency shift of the original signal is greatly reduced, so that the sampling data volume is reduced, and the system can quantitatively analyze the frequency and the amplitude of the disturbance signal in real time, which is an advantage that the traditional distributed optical fiber sensor does not have.)
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统。
背景技术
传统的分布式光纤传感器在待测光纤的事件点定位作业中存在数据采样率低和背向瑞丽散射光高频的制约，且存在采样到的数据不足以准确还原出原始信号，从而导致仅能测量出事件点的坐标却无法探测扰动信号频率、幅值等信息的不足，这些缺点制约了光纤传感器在探测高精度温度应力变化领域的发展。
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于本地光移频的外差型Φ -OTDR技术的扰动监测系统，利用一种窄脉宽脉冲光作为探测光与经过高频率移频的本地连续光干涉的分布式光纤传感技术，通过将窄脉宽脉冲光作为探测波入射到待测光纤中，在分布式光纤传感器系统中，能利用毫秒级别的探测数据量对其扰动进行定量分析,并准确还原出扰动信号的频率和幅值等信息。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统。
一种基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统，包括探测高频率窄脉宽脉冲光和移频后的本地连续光生成模块、探测光纤模块以及数据采集及信号处理模块；
探测高频率窄脉宽脉冲光和移频后的本地连续光生成模块中，窄线宽激光器的输出端连接1:99光纤耦合器的输入端；1:99光纤耦合器的99输出端连接第一声光调制器的输入端；1:99光纤耦合器的1输出端连接第二声光调制器第一输入端，任意信号发生器的第一输出端连接第一声光调制器的驱动输入端；第一声光调制器的输出端连接掺铒光纤放大器的输入端；掺铒光纤放大器的输出端连接光学带通滤波器的输入端；任意信号发生器的第二输出端连接第二声光调制器的第二输入端，第二声光调制器的输出端连接50:50光纤耦合器的第一输入端。
探测光纤模块中，光学带通滤波器的输出端连接光纤环形器的输入端；光纤环形器的一个连接端连接保偏传感光纤；
数据采集及信号处理模块中，光纤环形器的输出端连接50:50光纤耦合器的第二输入端；50:50光纤耦合器的输出端连接平衡光电探测器的输入端，平衡光电探测器的输出端连接数据采集板卡输入端；任意信号发生器的触发输出端连接数据采集板卡的外部触发输入端；数据采集板卡输出端连接信号处理单元的输入端。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实现在高温高压腐蚀性强的环境下，通过这项技术，能够精确的定位出事件点的空间距离，还能利用毫秒级别的探测数据量对其扰动进行实时定量分析，准确还原出扰动信号的频率和幅值等信息，用以后续的扰动信号识别和分类，大大提高了光纤传感器的探测性能与效率。并且对于现有的光纤分布式传感器，仅在本地光光模块进行改造，避免了对设备结构进行较大改动，且创新性的开发出可以实时监控扰动变化趋势的光纤传感器。
附图说明
图1是本发明基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统的结构图；
图2是本发明基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统的原理图；
其中：1-窄线宽激光器、2-1:99光纤耦合器、3-任意信号发生器、4-第一声光调制器、5-第二声光调制器、6-掺饵光纤放大器、7-光学带通滤波器、8-光纤环形器、9-保偏传感光纤、10-50:50光纤耦合器、11-平衡光电探测器、12-数据采集板卡、13-信号处理单元、A-探测高频率窄脉宽脉冲光和移频后的本地连续光生成模块、B-探测光纤模块、C-数据采集及信号处理模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了基于本地光移频的外差型Φ-OTDR技术的扰动监测系统，包括探测高频率窄脉宽脉冲光和移频后的本地连续光生成模块 A、探测光纤模块B和数据采集及信号处理模块C。
探测高频率窄脉宽脉冲光和移频后的本地连续光生成模块A，包括窄线宽激光器1(该窄线宽是指100Hz)、1:99光纤耦合器2、任意信号发生器3、第一声光调制器4、第二声光调制器5、掺饵放大器6以及光学带通滤波器7；
其中，窄线宽激光器1的输出端连接1:99光纤耦合器2的输入端；1:99光纤耦合器2的99输出端连接第一声光调制器4的输入端；1:99光纤耦合器2的 1输出端连接第二声光调制器5第一输入端，任意信号发生器3的第一输出端口连接第一声光调制器4的驱动输入口；第一声光调制器4的输出端连接第一掺铒光纤放大器6的输入端；掺铒光纤放大器6的输出端连接光学带通滤波器7的输入端；任意信号发生器3的第二输出端连接第二声光调制器5的第二输入端，第二声光调制器5的输出端连接50:50光纤耦合器10的第一输入端。
所述1:99光纤耦合器2，用于将窄线宽激光按比例一分为二，产生两个副本信号，其中1份的副本信号用于产生移频后的本地连续光，另外一个99份的副本信号产生高频率窄脉宽脉冲光；
所述任意信号发生器3产生一个窄脉宽的脉冲信号和一个直流信号，将窄脉宽的脉冲信号输入到第一声光调制器4中，令其调制光信号产生高移频的窄脉宽脉冲光；将直流信号输入到第二声光调制器5中，令其产生高移频的本地连续光；
所述掺铒光纤放大器6，用于将经过调制的脉冲光放大；
所述光学带通滤波器7，用于降低掺铒光纤放大器6放大脉冲光所产生的自发辐射噪声；
探测光纤模块B，包括光纤环形器8和保偏传感光纤9；其中，光学带通滤波器7的输出端连接光纤环形器8的输入端；光纤环形器8的一个连接端连接保偏传感光纤9。
所述光纤环形器8，用于将探测高频率窄脉宽脉冲光输入至保偏传感光纤9 中，保偏传感光纤9产生背向瑞利散射光信号，所述光纤环形器8的作用包括将探测高频率窄脉宽脉冲光传输入保偏传感光纤9和将保偏传感光纤9产生的背向瑞利散射光信号传输到50:50光纤耦合器10；
所述保偏传感光纤11，用于传输探测高频率窄脉宽脉冲光和产生背向瑞利散射光信号，监测待测区域，感测待测物理量。
数据采集及信号处理模块C，包括光纤环形器8、50:50光纤耦合器10、平衡光电探测器11、数据采集板卡12及信号处理单元13；
其中，光纤环形器8的输出端连接50:50光纤耦合器10的第二输入端；第二声光调制器5的输出口连接50:50光纤耦合器10的输入口；50:50光纤耦合器 10的输出口连接平衡光电探测器11的输入端，平衡光电探测器11的输出端连接数据采集板卡12输入端；任意信号发生器3的触发输出口连接数据采集板卡12 的外部触发输入端口；数据采集板卡12输出端连接信号处理单元13的输入端。
所述平衡光电探测器11，用于将经过50:50光纤耦合器10干涉后的两路背向瑞利散射光信号进行差分输出，将直流信号直接抵消，交流信号放大3dB，并将光信号转换成电信号；光纤环形器9是单向传输高频信号的不可逆器件，在传感光纤中，高移频的脉冲光是持续向后不断传输的，而背向瑞利散射光信号是不断向前传输，本系统收集的只有背向瑞利散射信号。
所述数据采集板卡12及信号处理单元13，用于采集接收经过平衡光电探测器11转换的电信号，对其进行解调还原，获得保偏传感光纤9受待测物理量作用的空间位置、振幅、频率以及振幅差，实现整个系统最终所需监测目标，原理图如图2所示。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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