一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法和装置

1.本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法和装置。


背景技术：

2.分布式光纤振动传感器包括干涉型传感器和背向散射型传感器。光纤中瑞利散射的形成主要来源于光纤制作过程中由于各种原因形成的材料密度和折射率非均匀性。基于干涉技术的光纤分布式传感器主要基于外界扰动信号对光纤中光波传输的相位调制特性，通过解调返回光波信号的相位信息变化实现对外界扰动信号的传感和检测。传统的光时域反射计(optical time-domain reflectometry,otdr)即通过测量背向瑞利散射信号得到光纤上散射信号的强弱分布，从而对通信系统中光缆异常损耗、弯折、断裂等故障信息进行有效定位测量。基于相位敏感光时域反射计(phase-sensitive otdr)的分布式光纤传感系统，其同时具有干涉型振动传感器的高灵敏度和otdr技术的分布式传感及组网能力，因此成为目前最适合进行动态振动测量的光纤分布式传感解决方案。
3.长距离光通信中，通信光缆通常成对使用，分为上行链路和下行链路。然而，在长距离光通信中，光在光纤中传输时产生的背向瑞利散射信号强度较弱，故检测距离一般低于40km。即使外界对光纤的扰动很强，但是当扰动源距离分布式传感系统的长度超过40km以上时，背向瑞利散射信号在光纤里传输时产生衰减，进而导致信号大大减弱，甚至无法被传感系统探测，因此目前的分布式传感系统的检测距离存在一定的局限性。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有技术中分布式传感系统的检测距离存在一定局限性的缺陷，提供一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法，以及一种超长距离分布式光纤振动传感检测装置。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法，包括以下步骤：在传感光纤链路中以一定间距设置有n个光中继器(optical repeater，rpt)，且相邻设置的光中继器的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器的放大增益系数确定；
7.向传感光纤输入探测光ls，探测光ls在下行光传输链路中传输；当传感光纤受到振动影响时，因振动产生的背向瑞利散射光lb经上行方向背向传输，所述背向瑞利散射光lb经过与其最邻近的光中继器中的环回链路进入上行光传输链路；所述背向瑞利散射光lb经过上行光传输链路中的光中继器的放大器进行光功率放大后返回光纤振动传感检测系统中，所述光纤振动传感检测系统对所述背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。
8.本技术方案中，使用传感光纤作为通信光缆，并向传感光纤输入探测光ls。当外界振动使得探测光ls在传感光纤下行光链路传输过程中产生背向瑞利反射光lb，背向瑞利反射光lb通过光中继器的回环光链路进入上行光链路，并经由上行各级的光中继器的光放大
器放大后，进入分布式传感系统中。其中光中继器的放大器放大了背向瑞利反射光的强度，解决了背向瑞利反射光较弱无法长距离传输的问题，大大延长了光纤振动传感检测系统的传感检测距离。
9.作为优选方案，所述传感光纤链路中设置的光中继器满足以下条件：相邻设置的光中继器之间的传感光纤链路段的衰减系数小于下一级光中继器的放大增益系数。
10.作为优选方案，所述传感光纤链路中设置的n个光中继器满足条件(n-1)
×
a》b；其中，a表示光中继器的光增益，b表示传感光纤链路的传感衰减。
11.本发明还提出一种超长距离分布式光纤振动传感检测装置，应用上述任一技术方案提出的超长距离分布式光纤振动传感检测方法。其中装置包括n个光中继器和光纤振动传感检测系统；所述光中继器以一定间距设置在待检测的传感光纤链路中，且相邻设置的光中继器的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器的放大增益系数确定；所述光中继器中设置有环回链路和光放大器，所述环回链路用于供因外部振动产生的背向瑞利散射光lb进入上行光传输链路，所述光放大器用于对通过的探测光ls或背向瑞利散射光lb进行光功率放大；所述光纤振动传感检测系统与传感光纤链路的一端连接，用于向传感光纤链路输入探测光ls，以及对因外部振动产生并经所述光中继器返回的背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。
12.作为优选方案，所述光纤振动传感检测系统包括光源、光分束器、环形器、光合路器和检测模块；其中，所述光源输出的光信号经过所述光分束器后分为探测光ls和参考光lc；所述探测光ls通过环形器进入传感光纤链路；因外部振动产生并经所述光中继器返回的背向瑞利散射光lb经过所述光合路器后，与所述光分束器输出的参考光lc进行外差干涉，然后进入所述检测模块中，所述检测模块对输入的信号进行解析并输出振动位置。
13.作为优选方案，所述光源包括窄线宽光源。
14.作为优选方案，所述光中继器中设置的环回链路包括窄带通光链路。
15.作为优选方案，所述光纤振动传感检测系统还包括脉宽光调制器和信号发生器；由所述光分束器输出的探测光ls经过所述脉宽光调制器，所述脉宽光调制器通过信号发生器对探测光ls的脉冲宽度进行调整，再通过环形器进入传感光纤链路。
16.作为优选方案，所述光纤振动传感检测系统还包括第一光放大器；经所述脉宽光调制器调制后的探测光ls经过所述第一光放大器调整输出功率后，再通过环形器进入传感光纤链路。
17.作为优选方案，所述检测模块包括第二光放大器、光滤波器、光电探测器和信号处理单元，其中，因外部振动产生并经所述光中继器返回的背向瑞利散射光lb依次经过所述光合路器、第二光放大器和光滤波器后，与所述光分束器输出的参考光lc进行外差干涉，然后依次进入所述光电探测器和信号处理单元中，所述信号处理单元对输入的信号进行解析后输出振动位置。
18.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过在作为长距离通信光缆的传感光纤链路中设置光中继器，利用光中继器的环回和放大功能，解决了背向瑞利反射光较弱无法长距离传输的问题，大大延长了光纤振动传感检测系统的传感检测距离。
附图说明
19.图1为实施例1的超长距离分布式光纤振动传感检测方法的流程图。
20.图2为实施例1的探测光ls的光功率变化示意图。
21.图3为实施例1的背向瑞利散射光lb在光链路中的各级放大示意图。
22.图4为实施例2的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的结构示意图。
23.图5为实施例2的光中继器的结构示意图。
24.图6为实施例3的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的结构示意图。
25.图7为实施例4的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的结构示意图。
26.其中，1-光中继器，101-环回链路，102-光放大器，2-光纤振动传感检测系统，201-光源，202-光分束器，203-环形器，204-光合路器，205-脉宽光调制器，206-信号发生器，207-第一光放大器，3-检测模块，301-第二光放大器，302-光滤波器，303-光电探测器，304-信号处理单元。
具体实施方式
27.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
28.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
29.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
30.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
31.实施例1
32.本实施例提出一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法，如图1所示，为本实施例的超长距离分布式光纤振动传感检测方法的流程图。
33.本实施例提出的超长距离分布式光纤振动传感检测方法中，包括以下步骤：
34.s1、在传感光纤链路中以一定间距设置有n个光中继器1。
35.本实施例中，相邻设置的光中继器1的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器1的放大增益系数确定。
36.s2、向传感光纤输入探测光ls，探测光ls在下行光传输链路中传输。
37.本步骤中输入的探测光ls在作为通信光缆的传感光纤链路中传输，经过一段传感光纤链路l
(n-1)
的传输衰减后，经第n个光中继器1放大，再进入下一段传感光纤l
(n)
。本实施例中的传感光纤链路上设置有n个光中继器1，探测光ls每经过一个光中继器1，探测光脉冲ls的光功率会被放大一次，其光功率变化示意图如图2所示。
38.当传感光纤受到振动影响时，因振动产生的背向瑞利散射光lb经上行方向背向传输，所述背向瑞利散射光lb经过与其最邻近的光中继器1中的环回链路101进入上行光传输链路。背向瑞利散射光lb经过上行光传输链路中的光中继器1中的放大器进行光功率放大后返回光纤振动传感检测系统2中进行振动传感检测。
39.如图3所示，为本实施例的背向瑞利散射光lb在光链路中的各级放大示意图。
40.s3、所述光纤振动传感检测系统2对所述背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。
41.在一实施例中，传感光纤链路中设置的光中继器1满足以下条件：相邻设置的光中继器1之间的传感光纤链路段的衰减系数小于下一级光中继器1的放大增益系数，能够有效保证通信光缆中光的长距离稳定传输。
42.在另一实施例中，传感光纤链路中设置的n个光中继器1满足条件：
43.(n-1)
×
a》b
44.其中，a表示光中继器1的光增益，b表示传感光纤链路的传感衰减；此时背向瑞利散射光lb信号能被光纤振动传感检测系统2准确采集。
45.本实施例通过在作为长距离通信光缆的传感光纤链路中设置光中继器1，利用光中继器1的环回和放大功能，克服了传统分布式光纤系统无法实现远距离传感的困难，同时也克服了通信业务和振动传感信息无法同时进行的问题。本实施例能够快速获取光纤传感中震动源的位置和相关信息，方法简单、灵活，可在常用的通信光缆应用场景中大面积应用。
46.实施例2
47.本实施例提出一种超长距离分布式光纤振动传感检测装置，应用实施例1提出的超长距离分布式光纤振动传感检测方法。如图4所示，为本实施例的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的结构示意图。
48.本实施例提出的超长距离分布式光纤振动传感检测装置中，包括n个光中继器1和光纤振动传感检测系统2。
49.其中，n个光中继器1以一定间距设置在待检测的传感光纤链路中，且相邻设置的光中继器1的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器1的放大增益系数确定。
50.进一步的，在一实施例中，相邻设置的光中继器1之间的传感光纤链路段的衰减系数小于下一级光中继器1的放大增益系数。
51.在另一实施例中，传感光纤链路中设置的n个光中继器1满足以下条件：
52.(n-1)
×
a》b
53.其中，a表示光中继器1的光增益，b表示传感光纤链路的传感衰减。
54.本实施例中光纤振动传感检测系统2与传感光纤链路的一端连接，用于向传感光纤链路输入探测光ls，以及对因外部振动产生并经所述光中继器1返回的背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。
55.在具体实施过程中，光纤振动传感检测系统2向传感光纤输入探测光ls，探测光ls在传感光纤链路中的下行光传输链路传输。当传感光纤受到振动影响时，因振动产生的背向瑞利散射光lb经上行方向背向传输，背向瑞利散射光lb经过与其最邻近的光中继器1中的环回链路101进入上行光传输链路，并经过上行光传输链路中的光中继器1的放大器进行光功率放大后，输入光纤振动传感检测系统2中进行检测，光纤振动传感检测系统2对所述背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。
56.如图5所示，为本实施例的光中继器的结构示意图。
57.本实施例利用了光中继器1的环回和放大功能，解决了分布式光纤传感中超过40km后的光纤传感产生瑞利散射光信号太弱，衰减太大，信噪比太低，无法解调而无法使用的问题。
58.实施例3
59.本实施例在实施例2提出的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的基础上作出改进。
60.本实施例中的光纤振动传感检测系统2包括光源201、光分束器202、环形器203、光合路器204和检测模块3。
61.如图6所示，为本实施例的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的结构示意图。
62.进一步的，本实施例中的光源201采用窄线宽光源，其中，采用的光源201的线宽越窄，光源201的相干性更好，相位噪声更小，有效提高长距离检测的信噪比。
63.此外，本实施例中的窄线宽的光源201的波长应符合通信光缆的探测光的波长要求，满足不影响通信光缆的正常通信业务，又能利用整条光缆做为光纤传感系统的使用要求。
64.进一步的，本实施例中的光中继器1中设置的环回链路101包括窄带通光链路，满足本实施例所采用的窄线宽光源的通过，有利于提高长距离检测的信噪比。
65.在具体实施过程中，光纤振动传感检测系统2中的光源201输出的光信号经过所述光分束器202后分为探测光ls和参考光lc，其中探测光ls通过环形器203进入传感光纤链路，参考光lc传输至检测模块3的输入侧，用于与背向瑞利散射光lb进行外差干涉，实现振动传感信号解调。
66.因外部振动产生并经所述光中继器1返回的背向瑞利散射光lb经过所述光合路器204后，与所述光分束器202输出的参考光lc进行外差干涉，然后进入所述检测模块3中，所述检测模块3对输入的信号进行解析并输出振动位置。
67.进一步的，本实施例中的检测模块3包括第二光放大器301、光滤波器302、光电探测器303和信号处理单元304，其中，因外部振动产生并经所述光中继器1返回的背向瑞利散射光lb依次经过所述光合路器204、第二光放大器301和光滤波器302后，与所述光分束器202输出的参考光lc进行外差干涉，然后依次进入所述光电探测器303和信号处理单元304中，所述信号处理单元304对输入的信号进行解析后输出振动位置。
68.进一步的，本实施例中的光合路器204设置有兼容性的光合路器204接口，在传感光缆长度不长没有光中继器1时，上行的光反射接收接口rx可以不使用。
69.实施例4
70.本实施例在实施例2或3提出的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的基础上作出改进。
71.本实施例中的光纤振动传感检测系统2还包括脉宽光调制器205和信号发生器206，用于对经光分束器202输出的探测光ls进行脉冲宽度调整。
72.其中，由所述光分束器202输出的探测光ls经过所述脉宽光调制器205，所述脉宽光调制器205通过信号发生器206对探测光ls的脉冲宽度进行调整，再通过环形器203进入传感光纤链路。
73.如图7所示，为本实施例的超长距离分布式光纤振动传感检测装置的结构示意图。
74.本实施例采用信号发生器206和脉宽调制器调整窄线宽的光源201的脉冲宽度，针对不同长度的光纤选择不同光源201的脉冲宽度，有利于提升瑞利反射的信号强度，可有效提升长距离检测的信噪比。
75.进一步的，所述光纤振动传感检测系统2还包括第一光放大器207，用于对探测光ls的光功率进行调整。
76.其中，经所述脉宽光调制器205调制后的探测光ls经过所述第一光放大器207调整输出功率后，再通过环形器203进入传感光纤链路。
77.本实施例中，针对不同长度的光纤选择不同的光源201功率，有利于提升背向瑞利散射光的信号强度，有效提升长距离检测的信噪比。
78.相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
79.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
80.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法，其特征在于，包括以下步骤：在传感光纤链路中以一定间距设置有n个光中继器(1)，且相邻设置的光中继器(1)的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器(1)的放大增益系数确定；向传感光纤输入探测光ls，探测光ls在下行光传输链路中传输；当传感光纤受到振动影响时，因振动产生的背向瑞利散射光lb经上行方向背向传输，所述背向瑞利散射光lb经过与其最邻近的光中继器(1)中的环回链路(101)进入上行光传输链路；所述背向瑞利散射光lb经过上行光传输链路中的光中继器(1)的放大器进行光功率放大后返回光纤振动传感检测系统(2)中，所述光纤振动传感检测系统(2)对所述背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。2.根据权利要求1所述的超长距离分布式光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述传感光纤链路中设置的光中继器(1)满足以下条件：相邻设置的光中继器(1)之间的传感光纤链路段的衰减系数小于下一级光中继器(1)的放大增益系数。3.根据权利要求1所述的超长距离分布式光纤振动传感检测方法，其特征在于，所述传感光纤链路中设置的n个光中继器(1)满足以下条件：(n-1)
×
a>b其中，a表示光中继器(1)的光增益，b表示传感光纤链路的传感衰减。4.一种超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，包括n个光中继器(1)和光纤振动传感检测系统(2)；其中：所述光中继器(1)以一定间距设置在待检测的传感光纤链路中，且相邻设置的光中继器(1)的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器(1)的放大增益系数确定；所述光中继器(1)中设置有环回链路(101)和光放大器(102)，所述环回链路(101)用于供因外部振动产生的背向瑞利散射光lb进入上行光传输链路，所述光放大器(102)用于对通过的探测光ls或背向瑞利散射光lb进行光功率放大；所述光纤振动传感检测系统(2)与传感光纤链路的一端连接，用于向传感光纤链路输入探测光ls，以及对因外部振动产生并经所述光中继器(1)返回的背向瑞利散射光lb进行解析得到振动位置。5.根据权利要求4所述的超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述光纤振动传感检测系统(2)包括光源(201)、光分束器(202)、环形器(203)、光合路器(204)和检测模块(3)；其中，所述光源(201)输出的光信号经过所述光分束器(202)后分为探测光ls和参考光lc；所述探测光ls通过环形器(203)进入传感光纤链路；因外部振动产生并经所述光中继器(1)返回的背向瑞利散射光lb经过所述光合路器(204)后，与所述光分束器(202)输出的参考光lc进行外差干涉，然后进入所述检测模块(3)中，所述检测模块(3)对输入的信号进行解析并输出振动位置。6.根据权利要求5所述的超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述光源(201)包括窄线宽光源。7.根据权利要求6所述的超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述光中继器(1)中设置的环回链路(101)包括窄带通光链路。
8.根据权利要求5所述的超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述光纤振动传感检测系统(2)还包括脉宽光调制器(205)和信号发生器(206)；由所述光分束器(202)输出的探测光ls经过所述脉宽光调制器(205)，所述脉宽光调制器(205)通过信号发生器(206)对探测光ls的脉冲宽度进行调整，再通过环形器(203)进入传感光纤链路。9.根据权利要求8所述的超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述光纤振动传感检测系统(2)还包括第一光放大器(207)；经所述脉宽光调制器(205)调制后的探测光ls经过所述第一光放大器(207)调整输出功率后，再通过环形器(203)进入传感光纤链路。10.根据权利要求5所述的超长距离分布式光纤振动传感检测装置，其特征在于，所述检测模块(3)包括第二光放大器(301)、光滤波器(302)、光电探测器(303)和信号处理单元(304)，其中，因外部振动产生并经所述光中继器(1)返回的背向瑞利散射光lb依次经过所述光合路器(204)、第二光放大器(301)和光滤波器(302)后，与所述光分束器(202)输出的参考光lc进行外差干涉，然后依次进入所述光电探测器(303)和信号处理单元(304)中，所述信号处理单元(304)对输入的信号进行解析后输出振动位置。

技术总结
本发明涉及光纤通信技术领域，提出一种超长距离分布式光纤振动传感检测方法和装置，其中包括以下步骤：在传感光纤链路中以一定间距设置有N个光中继器，且相邻设置的光中继器的间距以二者之间的传感光纤链路段的衰减系数及下一级光中继器的放大增益系数确定；向传感光纤输入探测光，探测光在下行光传输链路中传输；当传感光纤受到振动影响时，因振动产生的背向瑞利散射光经上行方向背向传输，背向瑞利散射光经过与其最邻近的光中继器中的环回链路进入上行光传输链路；背向瑞利散射光经过上行光传输链路中的光中继器的放大器进行光功率放大后返回光纤振动传感检测系统中，光纤振动传感检测系统对背向瑞利散射光进行解析得到振动位置。到振动位置。到振动位置。


技术研发人员：陈少义 隋琪 朱坤 李朝晖
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2022/5/25