专利名称：基于相位解调的分布式光纤传感装置及方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感以及安全防护领域，尤其涉及基于相位解调的超大动态范围的分布式光纤传感装置及方法。
背景技术：
1993 年，Φ-OTDR(Phase sensitive Opitcal Time Domain Reflector,相敏时域反射仪)技术由美国农机大学Taylor教授发明(US5194847)。该技术自发明以来，受到各国分布式传感研究人员以及公司的关注。Φ-OTDR技术是通过检测强度，来间接的实现对入侵信号的检测。对于Φ-OTDR技术，如果要实现80Km的长距离分布式传感，以O. 2dB/Km的损耗计算，总共需要检测电路具有32dB的动态范围。如果检测距离更长，则需要更大的动态范围。这就对检测方法提出了非常高的要求。对于这个问题，一些专利也已经提出了一些方法，如华魏公司申请专利CN101603856A，利用N个光开关实现大动态范围的测量，但是这种方法需要N路光电探测器，导致光路系统复杂，大大提高了成本。华魏公司申请专利 CN101625264A，虽然利用对数放大器提高检测范围，但是后续仍然需要用控制增益的办法实现检测，无法实现自动增益调整。事实上，入侵改变的是光在光纤中传输的相位。而传统Φ-OTDR技术直接通过光强来近似获得光相位的变化，容易受光强自身波动以及激光器强度噪声(Relative Intensity noise, RIN)的影响。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种动态范围大的基于相位解调的分布式光纤传感装置及方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的基于相位解调的分布式光纤传感装置，包括依次连接的光源和传感光纤；所述传感装置进一步包括第一耦合器，所述第一耦合器用于将光源发出的光分别耦合进光调制器、第二耦合器；光调制器，所述光调制器用于将连续光调整为脉冲光和/或调整光的频率，调整后的光进入所述传感光纤；驱动模块，所述驱动�？榈氖涑龆朔直鹆铀龉獾髦破�、锁相放大器；第二耦合器，所述第二耦合器用于将传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光耦合到探测器；探测器，所述探测器用于将接收到的散射光信号转换为电信号，并传送到自动增益控制�？椋蛔远鲆婵刂颇？椋鲎远鲆婵刂颇？橛糜诮龅缧藕诺髡喽缘确鹊男藕牛⒋偷剿喾糯笃鳎凰喾糯笃鳎鏊喾糯笃饔糜诮獾魉鱿喽缘确鹊男藕牛慰夹藕爬醋运銮？椋恍藕糯砟？椋鲂藕糯砟？橛糜诖硭鏊喾糯笃鞔屠吹男藕牛糜诨裰龃泄庀烁兄男畔�。根据上述的分布式光纤传感装置，优选地，所述自动增益控制�？榻徊桨ㄔ鲆媸芸胤糯笞幽？椋鲈鲆媸芸胤糯笞幽？榈氖淙攵肆铀鎏讲馄鳎涑龆朔直鹆铀鏊喾糯笃鞯氖淙攵�、受控电压成形子�？榈氖淙攵耍皇芸氐缪钩尚巫幽？椋鍪芸氐缪钩尚巫幽？榈氖涑龆肆铀鲈鲆媸芸胤糯笞幽？榈氖淙攵�。根据上述的分布式光纤传感装置，可选地，所述传感装置进一步包括环形器，所述光调整器的出射光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的散射光信号传输到所述第二耦合器。根据上述的分布式光纤传感装置，优选地，所述光源为连续光源。根据上述的分布式光纤传感装置，优选地，所述光调制器为声光调制器。本发明的目的是还通过以下技术方案来实现基于相位解调的分布式光纤传感方法，所述方法包括以下步骤(Al)光源发出的光一部分通过第一耦合器进入光调制器，另一部分进入第二耦合器；(A2)所述光调制器在驱动�？樽饔孟陆獾髦莆龀骞夂�/或调整脉冲光的频率，调整后的光进入传感光纤；(A3)第二耦合器将所述传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光耦合进探测器，所述散射光、第一耦合器传送来的光间发生干涉；(A4)探测器将光信号转换为电信号，并传送到自动增益控制�？椋�(A5)自动增益控制�？榻龅缧藕诺髡喽缘确鹊男藕牛⒋偷剿喾糯笃鳎�(A6)锁相放大器解调所述相对等幅度的信号，参考信号来自所述驱动模块；(A7)信号处理�？榇硭鏊喾糯笃鞔屠吹男藕牛佣裰龃泄庀烁兄男畔�。根据上述的方法，优选地，所述光源为窄线宽激光器。根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤(BI)所述光调制器的输出光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的散射光信号传输到所述第二耦合器。根据上述的方法，可选地，所述方法进一步包括以下步骤(Cl)判断�？榕卸纤鲂藕糯砟？榇屠吹恼穸欠癯鲢兄担舫兄担� 则提示报警。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明是在原先Φ-OTDR技术的基础上，提出了利用锁相放大器进行相位解调的办法，实现了对光相位的实时解调。利用该方法可以减少激光器的强度噪声(RIN)，减少由于各种原因引起的幅度变化导致的噪声，大大提高了信噪比。与此同时，采用了自动增益控制装置，可以满足长距离测试中所需的大动态范围，并且结构简单。基于以上改进，最终实现了基于相位解调的超大动态范围的分布式测量。动态范围大，定位精度高，干涉传感灵敏度高，检测振动信号的带宽大，并且能可多点定位等。
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。 图中图I是本发明实施例I的分布式光纤传感装置的基本结构图；图2是本发明实施例I的方法的流程图；图3是本发明实施例2的分布式光纤传感装置的基本结构图；图4是本发明实施例2的方法的流程图。
具体实施例方式图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。实施例I :图I示意性地给出了本发明实施例的基于相位解调的分布式光纤传感装置的基本结构图，如图I所示，所述传感装置包括依次连接的光源和传感光纤；所述光源可采用激光器，如窄线宽的连续式半导体激光器；所述传感装置进一步包括第一耦合器，所述第一耦合器用于将光源发出的光分别耦合进光调制器、第二耦合器；光调制器，所述光调制器用于将连续光调整为脉冲光和/或调整光的频率，调整后的光进入所述传感光纤；优选地，所述光调制器采用声光调制器。驱动�？椋銮？榈氖涑龆朔直鹆铀龉獾髦破�、锁相放大器，用于向光调制器发出调制信号，向锁相放大器提供参考信号；第二耦合器，所述第二耦合器用于将传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光耦合到探测器；传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光间发生干涉；探测器，所述探测器用于将接收到的散射光信号转换为电信号，并传送到自动增益控制�？椋蛔远鲆婵刂颇？椋鲎远鲆婵刂颇？橛糜诮龅缧藕诺髡喽缘确鹊男藕牛⒋偷剿喾糯笃鳎挥叛〉�,所述自动增益控制�？榻徊桨ㄔ鲆媸芸胤糯笞幽？椋鲈鲆媸芸胤糯笞幽？榈氖淙攵肆铀鎏讲馄鳎涑龆朔直鹆铀鏊喾糯笃鞯氖淙攵�、受控电压成形子�？榈氖淙攵耍皇芸氐缪钩尚巫幽？椋鍪芸氐缪钩尚巫幽？榈氖涑龆肆铀鲈鲆媸芸胤糯笞幽？榈氖淙攵�。由于探测器的输出直接与增益受控电路的输入相连接。增益受控放大电路的输出电压Uo经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生增益受控放大电路的输出电压Uc。当输入信号Ui增大时，Uo和Uc也随之增大。Uc增大使增益受控放大电路的增益下降，从而使输出信号幅度Uo的变化量大大小于输入信号幅度Ui的变化量，达到自动增益控制目的。只要输入光功率足够强，整个系统的检测的动态范围则主要取决于自动增益控制装置，例如对于自动增益控制装置的输入动态范围达到60dB，则整个检测系统的动态范围可以达到60dB，满足150Km(以O. 2dB/Km计算)的长距离检测需求；锁相放大器，所述锁相放大器用于解调所述相对等幅度的信号，参考信号来自所述驱动�？椋恍藕糯砟？椋鲂藕糯砟？橛糜诖硭鏊喾糯笃鞔屠吹男藕牛糜诨裰龃泄庀烁兄男畔ⅰＭ�2示意性地给出了利用上述传感装置的基于相位解调的分布式光纤传感方法， 如图2所示，所述方法包括以下步骤(Al)光源发出的光一部分通过第一耦合器进入光调制器，另一部分进入第二耦合器；(A2)所述光调制器在驱动�？樽饔孟陆獾髦莆龀骞夂�/或调整脉冲光的频率，调整后的光进入传感光纤；(A3)第二耦合器将所述传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光耦合进探测器，所述散射光、第一耦合器传送来的光间发生干涉；(A4)探测器将光信号转换为电信号，并传送到自动增益控制�？椋�(A5)自动增益控制�？榻龅缧藕诺髡喽缘确鹊男藕牛⒋偷剿喾糯笃鳎�(A6)锁相放大器解调所述相对等幅度的信号，参考信号来自所述驱动�？�。锁相放大器的参考信号来源于调制器的驱动装置，锁相放大器的输出信号进入信号采集与处理装置，信号采集与处理装置通过同步信号控制调制器驱动装置；调制器驱动装置输出至锁相放大器的参考端，通过锁相放大器对幅度稳定的干涉信号进行实时解调。由于锁相放大器解调的是干涉信号的相位信息，因此该解调方法抑制了幅度噪声。解调输出包含了光纤的相位信息变化((a)。而入侵动作导致的相位变化包括折射率n (t)和长度L(t)的变化， 即
权利要求
1.基于相位解调的分布式光纤传感装置，包括依次连接的光源和传感光纤；其特征在于所述传感装置进一步包括第一耦合器，所述第一耦合器用于将光源发出的光分别耦合进光调制器、第二耦合器；光调制器，所述光调制器用于将连续光调整为脉冲光和/或调整光的频率，调整后的光进入所述传感光纤；驱动�？椋銮？榈氖涑龆朔直鹆铀龉獾髦破�、锁相放大器；第二耦合器，所述第二耦合器用于将传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光耦合到探测器；探测器，所述探测器用于将接收到的散射光信号转换为电信号，并传送到自动增益控制�？椋蛔远鲆婵刂颇？椋鲎远鲆婵刂颇？橛糜诮龅缧藕诺髡喽缘确鹊男藕牛⒋偷剿喾糯笃鳎凰喾糯笃鳎鏊喾糯笃饔糜诮獾魉鱿喽缘确鹊男藕牛慰夹藕爬醋运銮？椋恍藕糯砟？椋鲂藕糯砟？橛糜诖硭鏊喾糯笃鞔屠吹男藕牛糜诨裰龃泄庀烁兄男畔�。
2.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述自动增益控制�？榻徊桨ㄔ鲆媸芸胤糯笞幽？椋鲈鲆媸芸胤糯笞幽？榈氖淙攵肆铀鎏讲馄鳎涑龆朔直鹆铀鏊喾糯笃鞯氖淙攵�、受控电压成形子�？榈氖淙攵耍皇芸氐缪钩尚巫幽？椋鍪芸氐缪钩尚巫幽？榈氖涑龆肆铀鲈鲆媸芸胤糯笞幽？榈氖淙攵�。
3.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述传感装置进一步包括环形器，所述光调整器的出射光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的散射光信号传输到所述第二耦合器。
4.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述光源为连续光源。
5.根据权利要求I所述的分布式光纤传感装置，其特征在于所述光调制器为声光调制器。
6.基于相位解调的分布式光纤传感方法，所述方法包括以下步骤(Al)光源发出的光一部分通过第一耦合器进入光调制器，另一部分进入第二耦合器； (A2)所述光调制器在驱动�？樽饔孟陆獾髦莆龀骞夂�/或调整脉冲光的频率，调整后的光进入传感光纤；(A3)第二耦合器将所述传感光纤中的散射光、第一耦合器传送来的光耦合进探测器， 所述散射光、第一耦合器传送来的光间发生干涉；(A4)探测器将光信号转换为电信号，并传送到自动增益控制�？椋�(A5)自动增益控制�？榻龅缧藕诺髡喽缘确鹊男藕牛⒋偷剿喾糯笃鳎�(A6)锁相放大器解调所述相对等幅度的信号，参考信号来自所述驱动�？椋�(A7)信号处理�？榇硭鏊喾糯笃鞔屠吹男藕牛佣裰龃泄庀烁兄男畔�。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述光源为窄线宽激光器。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括以下步骤(BI)所述光调制器的输出光通过环形器进入所述传感光纤，并将所述传感光纤中的散射光信号传输到所述第二耦合器。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括以下步骤(Cl)判断�？榕卸纤鲂藕糯砟？榇屠吹恼穸欠癯鲢兄担舫兄担蛱崾颈ň�
全文摘要
本发明公布了基于相位解调的超大动态范围分布式光纤传感装置及方法。其中包括光源，耦合器，声光调制器，光放大器，环形器，探测器，自动增益控制装置，调制器驱动装置，锁相放大器，传感光缆，信号处理以及信号输出装置。本发明采用了自动增益控制装置，可以实现大动态范围的信号检测；采用了锁相放大器的相位解调检测装置，降低了强度噪声的影响，可以实现了高灵敏度，高带宽振动信号检测，从而可以实现大动态范围分布式振动传感。本发明的有益效果为可实现具有如下优势的长距离分布式传感动态范围大，定位精度高，干涉传感灵敏度高，检测振动信号的带宽大，可多点定位，检测距离长等。
文档编号G01D3/028GK102589578SQ20121006004
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者毛慧 申请人:杭州安远科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
