一种高性能的分布式光纤传感系统及方法
阅读说明：本技术 一种高性能的分布式光纤传感系统及方法 (High-performance distributed optical fiber sensing system and method ) 是由 冉曾令 肖彦波 于 2021-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高性能的分布式光纤传感系统及方法,该系统包括：多波长窄线宽光源、调制单元、分路器、波分复用器、解波分复用器、环形器、传感光纤、解调模块及上位机；本发明利用扫频滤波器或多路信号发生器对多波长窄线宽激光器发出的连续光进行调制,通过控制扫频滤波器的扫频速率或多路信号发生器并行时延触发调制器实现各波长间异步调制、且脉冲间隔、脉冲宽度、脉冲重复频率的灵活可调。利用分路器和波分复用器实现多路同步传感,提高测量效率。利用多个波长的脉冲光作为探测光进入传感光纤并分别解调出每个波长下瑞利散射信号所携带的信息,并对这些信号进行综合处理。本发明降低系统复杂度,同时提高系统性能。(The invention discloses a high-performance distributed optical fiber sensing system and a method, wherein the system comprises: the device comprises a multi-wavelength narrow-linewidth light source, a modulation unit, a splitter, a wavelength division multiplexer, a wavelength division demultiplexer, a circulator, a sensing optical fiber, a demodulation module and an upper computer; the invention utilizes the sweep-frequency filter or the multi-channel signal generator to modulate the continuous light emitted by the multi-wavelength narrow linewidth laser, realizes the asynchronous modulation among all wavelengths by controlling the sweep-frequency rate of the sweep-frequency filter or the parallel time delay trigger modulator of the multi-channel signal generator, and has the advantages of flexible and adjustable pulse interval, pulse width and pulse repetition frequency. And the demultiplexer and the wavelength division multiplexer are utilized to realize multi-path synchronous sensing, so that the measurement efficiency is improved. Pulse light with multiple wavelengths is used as detection light to enter the sensing optical fiber, information carried by Rayleigh scattering signals under each wavelength is demodulated respectively, and the signals are comprehensively processed. The invention reduces the complexity of the system and improves the performance of the system.)
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感系统技术领域，具体涉及一种高性能的分布式光纤传感系统及方法。
背景技术
光纤传感技术经过数十年的蓬勃发展已成功应用于多个领域，如结构健康监测、油气勘探等领域。在分布式光纤传感系统中，光纤不仅可以作为光纤的传输介质，而且当光在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化，解调模块解调出外界作用。
按照测量方式的不同，光纤传感系统可分为分布式和点式。分布式光纤传感系统具有无缝式测量的能力，能够弥补点式传感器的不足，解决工程领域的众多难题。如分布式光纤声波传感器在油气勘探领域可实现单次全井段地震信号采集，降低采集成本。
经过多年研究，大量学者针对各种应用环境提出多种光纤传感系统，如DTS、DVS、DAS等，每个系统都有着自身的特色。如基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法(CN109282839B)利用了多个中心波长互不相同的脉冲激光器和光纤延迟线实现了多脉冲多波长的光纤传感，在一定程度上提高传感系统的性能，但是该方案需要多个不同波长的激光器，成本较高，同时使用光纤延迟线也有着较大缺点，其一是利用不同长度的光纤进行脉冲延迟，需要精准控制光纤长度，难以保证脉冲延迟间隔准确，其二是使用光纤延迟光脉冲在硬件上限制了脉冲延迟时间，降低了系统的灵活性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的分布式光纤传感系统需要多个不同波长的激光器，成本较高，而性能不高，同时使用光纤延迟线也有着较大缺点，其一是利用不同长度的光纤进行脉冲延迟，需要精准控制光纤长度，难以保证脉冲延迟间隔准确，其二是使用光纤延迟光脉冲在硬件上限制了脉冲延迟时间，降低了系统的灵活性。本发明目的在于提供一种高性能的分布式光纤传感系统及方法，针对以上问题，本发明提出一种多波长异步调制且脉冲间隔、脉冲宽度、脉冲重复频率灵活可调的高性能、低成本实时光纤传感系统。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种高性能的分布式光纤传感系统，包括：多波长窄线宽光源、调制单元、分路器、波分复用器、解波分复用器、环形器、传感光纤、解调模块及上位机；
所述多波长窄线宽光源发出包含n个波长的连续光(多波长窄线宽光源同时发出波长为λ1、λ2、……、λn的连续光)，经第一分路器分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光通过所述调制单元进行各波长异步调制为探测光；
所述调制单元的输入端连接输入所述多波长窄线宽光源，所述调制单元的输出端连接第二分路器；所述第二分路器对应连接m路环形器的第一端口，m路环形器的第二端口连接对应的m路传感光纤，m路环形器的第二端口连接对应的解波分复用器；每个解波分复用器对应连接n个解调模块，所述解调模块连接上位机；
所述探测光经第二分路器分为m路探测光，m路探测光经环形器第一端口进入连接于环形器第二端口的m路传感光纤；所述探测光在传感光纤内传播产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光经沿传感光纤返回后经环形器第三端口进入解波分复用器；解波分复用器将包含有n个波长的探测光产生的瑞利散射光进行解复用，分为n路瑞利散射光；n路瑞利散射光与波长相对应的参考光进入解调模块，解调模块解调出每个波长的探测光所产生的瑞利散射光携带的作用于传感光纤的外界信息，并传输至上位机；所述上位机将n个解调模块获取的信息进行处理，获取高质量的传感信号；及所述上位机处理m路传感光纤的信号，获取m路传感光纤所监测的信号。
工作原理是：现有技术中基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法利用了多个中心波长互不相同的脉冲激光器和光纤延迟线实现了多脉冲多波长的光纤传感，在一定程度上提高传感系统的性能，但是该方案需要多个不同波长的激光器，成本较高，同时使用光纤延迟线也有着较大缺点，其一是利用不同长度的光纤进行脉冲延迟，需要精准控制光纤长度，难以保证脉冲延迟间隔准确，其二是使用光纤延迟光脉冲在硬件上限制了脉冲延迟时间，降低了系统的灵活性。
本发明采用上述技术方案利用扫频滤波器或多路信号发生器对多波长窄线宽激光器发出的连续光进行调制，通过控制扫频滤波器的扫频速率或多路信号发生器并行时延触发调制器实现各波长间异步调制、且脉冲间隔、脉冲宽度、脉冲重复频率的灵活可调。利用分路器和波分复用器实现多路同步传感，提高测量效率。利用多个波长的脉冲光作为探测光进入传感光纤并分别解调出每个波长下瑞利散射信号所携带的信息，并对这些信号进行综合处理。
本发明利用扫频滤波器的特性对多波长窄线宽光源发出的多波长连续光进行异步脉冲调制，通过设置滤波器的扫频速率可灵活控制光脉冲的宽度和不同波长光脉冲之间的延迟。本发明采用对多波长异步调制的方式，每个时刻仅有一个波长的脉冲光进入光纤，避免了多波长同时进入光纤时入纤总光功率过高引起的非线性效应，从而提高每个波长下的入纤光功率，提升系统性能。本发明可通过控制扫频滤波器的扫频速度控制扫频速度灵活控制脉冲宽度，由于系统空间分辨率与脉冲宽度相关，所以本发明可灵活调节系统空间分辨率。
作为进一步地优选方案，所述调制单元对信号光进行各波长异步脉冲调制有两种方式，第一种为选用扫频滤波器的方式进行调制，通过设置扫频滤波器的扫描速率，将多波长连续光进行异步脉冲调制为探测光；
第二种为选用多路信号发生器和调制器的方式进行调制，不同波长的信号光进入不同的调制器，多路信号发生器每路控制信号之间延迟触发调制器实现异步调制。
作为进一步地优选方案，选用扫频滤波器进行调制时，所述调制单元包括扫频滤波器、掺铒光纤放大器EDFA，所述扫频滤波器的输入端连接第一分路器，所述扫频滤波器的输出端连接掺铒光纤放大器EDFA，所述掺铒光纤放大器EDFA连接第二分路器；
记所述扫频滤波器的带宽为Δλ，扫频滤波器的扫频速率为Δλ1/秒，则波长为λn的光脉冲宽度为相邻两个波长λq与λq-1之间的光脉冲延迟为
作为进一步地优选方案，选用多路信号发生器和调制器进行调制时，所述调制单元包括第一波分复用器、分路器、多路信号发生器、调制器和第二波分复用器，所述第一波分复用器的输入端连接输入所述多波长窄线宽光源，所述第一波分复用器的输出端连接对应的分路器，分路器连接对应的调制器；所述多路信号发生器连接各个调制器，各个调制器连接第二波分复用器，所述第二波分复用器通过掺铒光纤放大器EDFA连接第二分路器；
多路信号发生器多路控制信号并行控制调制器，且每路控制信号之间延迟时间通过设置多路信号发生器的参数灵活可调，进入每个调制器的光波长数量为q，q≥1。
作为进一步地优选方案，当调制单元对信号光进行调制产生频移时，在参考光路加入移频装置使得参考光与调制单元产生的与参考光波长相对应的探测光之间无频差。
作为进一步地优选方案，所述调制器的工作方式可以采用脉冲调制或者连续波调制等。
作为进一步地优选方案，所述多波长窄线宽光源为多波长窄线宽激光器发射出的激光而形成的n个波长的连续光，所述多波长窄线宽激光器的波长与所述波分复用器、解波分复用器、分路器、环形器、掺铒光纤放大器等器件的通带相匹配，以保证激光正常通过这些模块或器件。
作为进一步地优选方案，m路传感光纤采用分别单独成缆，或者采用m根传感光纤集成在一根光缆中形成多芯光纤。当m路光纤集成在一根光缆时，多根光纤可同时测量同一信号，进一步提升信噪比。
作为进一步地优选方案，该系统适用于解调光纤、FBG串、光纤珐珀传感器等。
作为进一步地优选方案，多波长窄线宽激光器也可采用多个中心波长不同的窄线宽激光器替代。
作为进一步地优选方案，所述解调模块可选用I/Q解调方法、外差解调方法、零差解调方法、基于2*4耦合器的分布式光纤传感解调方法、基于3*3耦合器的分布式光纤传感解调方法等。
当解调模块选用基于3*3耦合器的分布式光纤传感解调方法时，不需要使用参考光，即多波长窄线宽激光器发出一束含有n个波长的连续光后直接进入调制器。
另一方面，本发明还提供了一种高性能的分布式光纤传感方法，该方法包括以下步骤：
S1、多波长窄线宽光源发出包含多个波长的连续光，经分路器分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光通过所述调制单元进行各波长异步调制为探测光；
S2、探测光经分路器分为m路探测光，m路探测光经环形器第一端口进入连接于环形器第二端口的m路传感光纤；
S3、探测光在传感光纤内传播产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光经沿传感光纤返回后经环形器第三端口进入解波分复用器；
S4、解波分复用器将包含有n个波长的探测光产生的瑞利散射光进行解复用，分为n路瑞利散射光；
S5、n路瑞利散射光与波长相对应的参考光进入解调模块，解调模块解调出每个波长的探测光所产生的瑞利散射光携带的作用于传感光纤的外界信息；
S6、上位机将n个解调模块获取的信息进行处理，获取高质量的传感信号；
S7、上位机处理m路传感光纤的信号，获取m路传感光纤所监测的信号。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出了一种高性能的光纤传感系统，利用扫频滤波器的特性对多波长窄线宽光源发出的多波长连续光进行异步脉冲调制，通过设置滤波器的扫频速率可灵活控制光脉冲的宽度和不同波长光脉冲之间的延迟。本发明利用扫频滤波器进行调制，可通过控制扫频滤波器的扫频速度产生超窄脉冲，实现系统的高空间分辨率，同时可控制扫频滤波器的扫频周期，提高脉冲重复频率，提升系统的响应带宽。本发明采用对多波长异步调制的方式，每个时刻仅有一个波长的脉冲光进入光纤，避免了多波长同时进入光纤时入纤总光功率过高引起的非线性效应，从而提高每个波长下的入纤光功率，提升系统性能，利用不同波长间隔较大的特性，在保证入纤波长数较多的情况下保证空间分辨率不降低。本发明可通过控制扫频滤波器的扫频速度控制扫频速度灵活控制脉冲宽度，由于系统空间分辨率与脉冲宽度相关，所以本发明可灵活调节系统空间分辨率。本发明在参考光路加入移频装置使得参考光与探测光的之间无频率差，实现零差探测，降低对解调模块探测器的要求，降低系统成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种高性能的分布式光纤传感系统结构示意图一。
图2为本发明一种高性能的分布式光纤传感系统结构示意图二。
图3为本发明实施例2的分布式光纤传感系统结构示意图。
图4为本发明实施例2一种高性能的分布式光纤传感方法的波形移动示意图。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1至图3所示，本发明一种高性能的分布式光纤传感系统，包括：多波长窄线宽光源、调制单元、分路器、波分复用器、解波分复用器、环形器、传感光纤、解调模块及上位机等；
所述多波长窄线宽光源发出包含n个波长的连续光(多波长窄线宽光源同时发出波长为λ1、λ2、……、λn的连续光)，经第一分路器分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光通过所述调制单元进行各波长异步调制为探测光；
所述调制单元的输入端连接输入所述多波长窄线宽光源，所述调制单元的输出端连接第二分路器；所述第二分路器对应连接m路环形器的第一端口，m路环形器的第二端口连接对应的m路传感光纤，m路环形器的第二端口连接对应的解波分复用器；每个解波分复用器对应连接n个解调模块，所述解调模块连接上位机；
所述探测光经第二分路器分为m路探测光，m路探测光经环形器第一端口进入连接于环形器第二端口的m路传感光纤；所述探测光在传感光纤内传播产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光经沿传感光纤返回后经环形器第三端口进入解波分复用器；解波分复用器将包含有n个波长的探测光产生的瑞利散射光进行解复用，分为n路瑞利散射光；n路瑞利散射光与波长相对应的参考光进入解调模块，解调模块解调出每个波长的探测光所产生的瑞利散射光携带的作用于传感光纤的外界信息，并传输至上位机；所述上位机将n个解调模块获取的信息进行处理，获取高质量的传感信号；及所述上位机处理m路传感光纤的信号，获取m路传感光纤所监测的信号。
具体地，所述调制单元对信号光进行各波长异步脉冲调制有两种方式，第一种为选用扫频滤波器的方式进行调制，通过设置扫频滤波器的扫描速率，将多波长连续光进行异步脉冲调制为探测光；
第二种为选用多路信号发生器和调制器的方式进行调制，不同波长的信号光进入不同的调制器，多路信号发生器每路控制信号之间延迟触发调制器实现异步调制。
具体地，选用扫频滤波器进行调制时，如图1所示，所述调制单元包括扫频滤波器、掺铒光纤放大器EDFA，所述扫频滤波器的输入端连接第一分路器，所述扫频滤波器的输出端连接掺铒光纤放大器EDFA，所述掺铒光纤放大器EDFA连接第二分路器；
记所述扫频滤波器的带宽为Δλ，扫频滤波器的扫频速率为Δλ1/秒，则波长为λn的光脉冲宽度为相邻两个波长λq与λq-1之间的光脉冲延迟为
具体地，选用多路信号发生器和调制器进行调制时，如图2所示，所述调制单元包括第一波分复用器、分路器、多路信号发生器、调制器和第二波分复用器，所述第一波分复用器的输入端连接输入所述多波长窄线宽光源，所述第一波分复用器的输出端连接对应的分路器，分路器连接对应的调制器；所述多路信号发生器连接各个调制器，各个调制器连接第二波分复用器，所述第二波分复用器通过掺铒光纤放大器EDFA连接第二分路器；
多路信号发生器多路控制信号并行控制调制器，且每路控制信号之间延迟时间通过设置多路信号发生器的参数灵活可调，进入每个调制器的光波长数量为q，q≥1。
具体地，当调制单元对信号光进行调制产生频移时，在参考光路加入移频装置使得参考光与调制单元产生的与参考光波长相对应的探测光之间无频差。
实施时，所述调制器的工作方式可以采用脉冲调制或者连续波调制等。
实施时，所述多波长窄线宽光源为多波长窄线宽激光器发射出的激光而形成的n个波长的连续光，所述多波长窄线宽激光器的波长与所述波分复用器、解波分复用器、分路器、环形器、掺铒光纤放大器等器件的通带相匹配，以保证激光正常通过这些模块或器件。
实施时，m路传感光纤采用分别单独成缆，或者采用m根传感光纤集成在一根光缆中形成多芯光纤。当m路光纤集成在一根光缆时，多根光纤可同时测量同一信号，进一步提升信噪比。
实施时，该系统适用于解调光纤、FBG串、光纤珐珀传感器等。
实施时，多波长窄线宽激光器也可采用多个中心波长不同的窄线宽激光器替代。
实施时，所述解调模块可选用I/Q解调方法、外差解调、零差解调、基于2*4耦合器的分布式光纤传感解调方法、基于3*3耦合器的分布式光纤传感解调方法等。
当解调模块选用基于3*3耦合器的分布式光纤传感解调方法时，不需要使用参考光，即多波长窄线宽激光器发出一束含有n个波长的连续光后直接进入调制器。
实施时：本发明采用上述技术方案利用扫频滤波器或多路信号发生器对多波长窄线宽激光器发出的连续光进行调制，通过控制扫频滤波器的扫频速率或多路信号发生器并行时延触发调制器实现各波长间异步调制、且脉冲间隔、脉冲宽度、脉冲重复频率的灵活可调。利用分路器和波分复用器实现多路同步传感，提高测量效率。利用多个波长的脉冲光作为探测光进入传感光纤并分别解调出每个波长下瑞利散射信号所携带的信息，并对这些信号进行综合处理。
本发明利用扫频滤波器的特性对多波长窄线宽光源发出的多波长连续光进行异步脉冲调制，通过设置滤波器的扫频速率可灵活控制光脉冲的宽度和不同波长光脉冲之间的延迟。本发明采用对多波长异步调制的方式，每个时刻仅有一个波长的脉冲光进入光纤，避免了多波长同时进入光纤时入纤总光功率过高引起的非线性效应，从而提高每个波长下的入纤光功率，提升系统性能。本发明可通过控制扫频滤波器的扫频速度控制扫频速度灵活控制脉冲宽度，由于系统空间分辨率与脉冲宽度相关，所以本发明可灵活调节系统空间分辨率。
实施例2
如图1至图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种高性能的分布式光纤传感方法，该方法应用于实施例1所述的一种高性能的分布式光纤传感系统；该方法包括以下步骤：
S1、多波长窄线宽光源发出包含多个波长的连续光，经分路器分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光通过所述调制单元进行各波长异步调制为探测光；
S2、探测光经分路器分为m路探测光，m路探测光经环形器第一端口进入连接于环形器第二端口的m路传感光纤；
S3、探测光在传感光纤内传播产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光经沿传感光纤返回后经环形器第三端口进入解波分复用器；
S4、解波分复用器将包含有n个波长的探测光产生的瑞利散射光进行解复用，分为n路瑞利散射光；
S5、n路瑞利散射光与波长相对应的参考光进入解调模块，解调模块解调出每个波长的探测光所产生的瑞利散射光携带的作用于传感光纤的外界信息；
S6、上位机将n个解调模块获取的信息进行处理，获取高质量的传感信号；
S7、上位机处理m路传感光纤的信号，获取m路传感光纤所监测的信号。
如图3所示，具体实施如下：
S1、多波长窄线宽光源发出包含3个波长的连续光，经分路器分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光进入扫频滤波器进行各波长异步调制为探测光；
S2、探测光经分路器分为2路探测光，2路探测光经环形器第一端口进入连接于环形器第二端口的2路传感光纤；
S3、探测光在传感光纤内传播产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光经沿传感光纤返回后经环形器第三端口进入解波分复用器；
S4、解波分复用器将包含有3个波长的探测光产生的瑞利散射光进行解复用，分为3路瑞利散射光；
S5、n路瑞利散射光与波长相对应的参考光进入解调模块，解调模块解调出每个波长的探测光所产生的瑞利散射光携带的作用于传感光纤的外界信息；
S6、上位机将3个解调模块获取的信息进行处理，获取高质量的传感信号；
S7、上位机处理2路传感光纤的信号，获取2路传感光纤所监测的信号。
如图4所示，步骤S1中扫频滤波器异步调制不同波长的具体实现方式：扫频滤波器的通带Δλ，沿波长轴扫频，即不同时间通过扫频滤波器通带的波长不同，当t1时刻，波长λ1进入扫频滤波器通带，随着时间变化，扫频滤波器通带以Δλ1/秒的速率向波长λ2方向移动，t2时刻，波长λ1恰好离开扫频滤波器通带，则会形成一个中心波长为λ1脉冲宽度为的光脉冲，当滤波通带位于λ1和λ2之间时，没有光脉冲形成，没有光脉冲的时长为当扫频滤波器通带通过波长为λ2时，则形成一个中心波长为λ2脉冲宽度为的光脉冲，以此类推，会形成一个个中心波长不同、脉宽相同、脉冲间隔相同的光脉冲串。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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