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1、(10)申请公布号 CN 103575379 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575379 A (21)申请号 201310536683.8 (22)申请日 2013.11.04 G01H 9/00(2006.01) G01S 17/06(2006.01) (71)申请人 山东省科学院激光研究所 地址 272073 山东省济宁市海川路 9 号高新 区产学研基地 A3-B (72)发明人 王晨 刘小会 尚盈 王昌 彭纲定 郭士生 (74)专利代理机构 济南舜源专利事务所有限公 司 37205 代理人 曲志波 (54) 发明名称 随机位置点光纤分布式声波传感器 (57) 。
2、摘要 一种随机位置点光纤分布式声波传感器， 它 包括 DFB 光纤激光器， 声光调制器， 第一光放大 器， 环形器， 探测光纤 ； 由探测光纤返回的光信号 经环形器的 C3 端输出并经第二光放大器送至第 三光滤波器， 第三光滤波器输出光信号至第一光 电探测器 ； 穿过探测光纤继续传送的正向入射脉 冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器， 第二光 滤波器输出光信号到耦合器并连接第一法拉第旋 转镜， 耦合器通过相位调制器连接第二法拉第旋 转镜， 耦合器输出光信号至第二光电探测器， 第一 光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光 纤信号解调系统。采用基于背相瑞利散射的声波 位置测量装置与基于迈克耳逊干。
3、涉的声波相位测 量装置通过同一根探测光纤互相结合的方案， 无 需时分复用技术。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103575379 A CN 103575379 A 1/1 页 2 1.一种随机位置点光纤分布式声波传感器， 它包括DFB光纤激光器， 接收DFB光纤激光 器输出正向入射光信号的声光调制器， 接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光 放大器， 第一光放大器输出正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器 C1 端， 。
4、再从环 形器 C2 端送至探测光纤 ； 由探测光纤返回的光信号经环形器的 C3 端输出并经第二光放大 器送至第三光滤波器， 第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器 ； 穿过探测光纤继续传 送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器， 第二光滤波器输出光信号到 22 耦合器的 P1 端， 22 耦合器的 P2 端通过光纤连接第一法拉第旋转镜， 22 耦合器的 P4 端 通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜， 22 耦合器的 P2 端输出光信号至第二光电探测 器， 第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信号解调系统。 2. 根据权利要求 1 所述的随机位置点光纤分布式声波传感器， 其。
5、特征是从 22 耦合 器 P3 端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从 22 耦合器 P4 端到第二法拉第旋转镜的光 纤长度的差 s 为系统空间分辨率的整数倍。 3. 根据权利要求 1 所述的随机位置点光纤分布式声波传感器， 其特征是第一光放大器 是指第一脉冲掺铒光纤放大器。 权 利 要 求 书 CN 103575379 A 2 1/4 页 3 随机位置点光纤分布式声波传感器 技术领域 0001 本发明涉及一种光纤传感器， 尤其涉及一种随机位置点光纤分布式声波传感器。 背景技术 0002 声波测量技术在海洋油气资源勘探开发， 井下的微地震、 声速、 流量等方面均有着 广泛的应用。 而传统的声波测量。
6、方法都存在装置体积大、 测量范围受放大器件限制等问题， 并且传统的声波测量方法只能进行点式测量， 在实际运用中受到限制， 因此研制高性能的 声波测量系统势在必行。 0003 现有技术中基于光纤技术的声波传感系统研究已经非常广泛， 对于声波相位多采 用光纤光栅探头或电探头的点声波传感器， 此种传感系统只能测量探头附近位置的声波相 位信息 ； 对于声波位置多采用基于光时域反射技术的光纤分布式传感器， 此种传感系统只 能确定声源在传感光纤上的位置， 对声源本身的信息却难以得知。综上现有的测量手段一 般都存在声波相位测量和声波位置测量难以兼顾的问题。 如果要同时对随机位置声源的声 波相位和位置进行监测。
7、， 则必须在测量空间内布置两套系统， 一套用于声波相位测量， 另一 套用于声波位置测量， 不仅需要铺设一条位置传感光纤， 还需要在测量范围内搭配大量的 声波相位传感器以覆盖整个测量范围， 对于在背向反射光中解调声波相位， 系统普遍还需 采用复杂的时分复用技术， 造成系统成本大量增加。 现有技术中， 在具体应用前述两种测量 手段时， 两种测量装置均需要分别搭设， 即为配合测量声波位置， 不仅需要铺设一条位置传 感光纤， 还需要在测量范围内搭配大量的声波相位传感器以覆盖整个测量范围， 才能获得 此声波的相位信息 ； 对于在背向反射光中解调声波相位， 系统普遍还需采用复杂的时分复 用技术 ； 另外，。
8、 相应的光源提供装置、 滤波装置、 混频装置等设备也均需为两种测量装置分 别单独设置。 发明内容 0004 针对现有技术中存在的问题， 本发明提出了一种随机位置点光纤分布式声波传感 器。 0005 一种随机位置点光纤分布式声波传感器， 它包括分布反馈式 （Distributed Feedback， DFB） 光纤激光器 （以下简称 DFB 光纤激光器） ， 接收 DFB 光纤激光器输出正向入 射光信号的声光调制器， 接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一光放大器， 第一 光放大器输出的正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送至环形器 C1 端， 从环形器 C2 端送 至探测光纤 ； 由探测光纤返。
9、回的光信号经环形器的 C3 端输出并经第二光放大器送至第三光滤波 器， 第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器 ； 穿过探测光纤继续传送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器， 第二光 滤波器输出光信号到 22 耦合器的 P1 端， 22 耦合器的 P2 端通过光纤连接第一法拉第 旋转镜， 22 耦合器的P4端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜， 22 耦合器的P2端 说 明 书 CN 103575379 A 3 2/4 页 4 输出光信号至第二光电探测器， 第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信 号解调系统。 0006 本方案的具体特点还有， 从 22 耦合器 P3 端到。
10、第一法拉第旋转镜的光纤长度与 从 22 耦合器 P4 端到第二法拉第旋转镜的光纤长度的差 s 为系统空间分辨率的整数倍。 0007 第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器， 第二光放大器是指第二脉冲掺铒光 纤放大器。 0008 前述结构的工作原理是 ： 1） 声波位置信息测量 ： 采用窄线宽、 低噪声的 DFB 光纤激光器作为光源， 然后经声光调 制器成正向入射脉冲， 再经第一光放大器和第一光滤波器后入射到环行器 C1 端。环行器 C2 端连接探测光纤， 探测光纤的后向瑞利散射信号通过环行器 C3 端， 经第二光放大器和第 三光滤波器后直接进入第一光电探测器， 后由光纤信号解调系统进行级差叠加。
11、等相关处理 后， 即可得到振动位置信号。当脉冲脉宽为 ， 周期为 T 的脉冲激光进入探测光纤， 根据光 纤分布式测量原理可以得出激光脉宽 与系统空间分辨率 L 之间的 ： L=c/2n， c 为 光在真空中的速度 3108m/s， n 为光纤折射率约为 1.5。前述 “声波位置信息测量” 处理过 程中所涉及到的装置， 即形成本发明的第一光纤分布式传感装置 ； 2） 声波相位信息测量 ： 从探测光纤出射的正向入射脉冲光， 经过光隔离器、 第二光滤波 器之后， 进入由 22 耦合器、 相位调制器、 第一法拉第旋转镜、 第二法拉第旋转镜组成的臂 长差为 s 的迈克耳逊干涉仪 （s 为 L 的整数倍）。
12、 ， 实现不同时间处正向入射脉冲信号的干 涉， 进入 P3 端口的光未加相位调制与时延被第一法拉第旋转镜反射 （如图 2 所示） ， 进入 P4 端口的光附加相位调制与时延被第二法拉第旋转镜反射 （如图 3 所示） ， 两束光在 22 耦合 器处发生干涉如图 4 所示， 从 P2 端出射的干涉信号记录了单位长度上的声波相位信号， 输 出至第二光电探测器， 通过下面的解调算法就可以解调还原出被记录在干涉信号上的声波 相位信号。 0009 相位载波解调原理 ： 根据光的相干原理， 第二光电探测器上的光强 I 可表示为 ： I=A+Bcos(t) (1) 式 (1) 中 ： A 是干涉仪输出的平均光。
13、功率， B=A， 1 为干涉条纹可见度。(t) 是干涉仪的相位差。设 (t) =Ccos0t+(t)， 则式 (1) 可写为 : I=A+BcosCcos0t+(t) (2) 式(2)中Ccos0t是相位载波;(t) =Dcosst +(t)， Dcosst是传感光纤声场信 号引起的相位变化 ,(t) 是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式 (2) 用 Bessel 函数展开得 ： （3） 如图 5 所示， 相位载波调制示意图利用 Bessel 函数展开后的干涉仪输出探测器信号 I 进行基频、 二倍频相乘， 为了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象 , 说 明 书 CN 1。
14、03575379 A 4 3/4 页 5 对两路信号进行了微分交叉相乘 (DCM)， 微分交叉相乘后的信号经过差分放大、 积分运算处 理后转换为 B2GHJ1(C)J2(C)(t) (4) 将 (t) =Dcosst + ( t) 代入式 (4) 有 B2GHJ1(C)J2(C)Dcosst+(t) (5) 可见 , 积分后得到的信号包含了待测信号 Dcosst 和外界的环境信息 . 后者通常是 个慢变信号 , 且幅度可以很大 , 可通过高通滤波器加以滤除 . 系统的最后输出为 B2GHJ1(C)J2(C)Dcosst (6) 由公式 (6) 可以求解出传感光纤声场信号引起的相位变化的 Dco。
15、sst 信号。 0010 前述 “声波相位信息测量” 处理过程中所涉及到的装置， 即形成本发明的第二光纤 分布式传感装置 ； 本发明的有益效果是 ： 由于使用了基于后向瑞利散射原理的第一光纤分布式传感装置 和基于迈克耳逊干涉原理的第二光纤分布式传感装置， 第一光纤分布式传感装置通过对应 的传感光纤获取被测空间内的声波位置信息， 第二光纤分布式传感装置通过对应的传感光 纤获取被测空间内的声波相位信息， 其特征在于 ： 所述第一光纤分布式传感装置和第二光 纤分布式传感装置共用同一条探测光纤， 第一光纤分布式传感装置利用探测光纤返回的背 向瑞利散射光， 而第二光纤分布式传感装置利用探测光纤出射的正向。
16、入射脉冲光， 两装置 同时工作， 使用相位载波解调方案、 无需时分复用。 所述发明将探测光纤中的正向入射信号 与背相瑞利散射信号全部利用起来， 采用背相瑞利散射光进入声波位置测量装置与正向入 射脉冲光进入声波相位测量装置、 两装置结构上共用同一根探测光纤的方案， 同时记录下 传感信号的位置、 频率、 相位等信息， 相位信息测量使用相位载波解调方案， 无需时分复用 技术， 实现了对传感范围内点声波的位置和相位信息的同时监测， 使得在不增加探测光纤 长度的前提下极大的减少了原来单一声波相位传感器所需数量， 同时也降低了系统实现的 技术难度， 大大降低系统成本， 并且使单套系统即可完成对随机点声波全。
17、部信息的监测。 附图说明 0011 图 1 是本发明的系统框图 ； 图 2 是耦合器 P3 端口光波形示意图 ； 图 3 是耦合器 P4 端口光波形示意图 ； 图4是耦合器P2端口光波形示意图 ； 图5是相位载波解调算法示意图。 具体实施方式 0012 如图 1 所示， 一种随机位置点光纤分布式声波传感器， 它包括分布反馈式 （Distributed Feedback， DFB） 光纤激光器 （以下简称 DFB 光纤激光器） ， 接收 DFB 光纤激 光器输出正向入射光信号的声光调制器， 接收声光调制器输出正向入射脉冲光信号的第一 光放大器， 第一光放大器输出正向入射脉冲光信号经第一光滤波器送。
18、至环形器 C1 端， 从环 形器 C2 端送至探测光纤 ； 由探测光纤返回的光信号经环形器的 C3 端输出并经第二光放大 器送至第三光滤波器， 第三光滤波器输出光信号至第一光电探测器 ； 穿过探测光纤继续传 送的正向入射脉冲光信号经光隔离器进入第二光滤波器， 第二光滤波器输出光信号到 22 耦合器的 P1 端， 22 耦合器的 P2 端通过光纤连接第一法拉第旋转镜， 22 耦合器的 P4 端通过相位调制器连接第二法拉第旋转镜， 22 耦合器的 P2 端输出光信号至第二光电探 说 明 书 CN 103575379 A 5 4/4 页 6 测器， 第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号至光纤信。
19、号解调系统。 从22 耦合 器 P3 端到第一法拉第旋转镜的光纤长度与从 22 耦合器 P4 端到第二法拉第旋转镜的光 纤长度的差 s 为系统空间分辨率的整数倍。第一光放大器是指第一脉冲掺铒光纤放大器， 第二光放大器是指第二脉冲掺铒光纤放大器。 0013 实 施 例 1 采 用 窄 线 宽、 低 噪 声 的 DFB 光 纤 激 光 器 （RFLM-25-3-1550-1， NP Photonics， 波长1550nm） 作为光源， 然后经声光调制器 （ZY-AOM-SM-1550-10， 北京中科紫玉 光电技术有限公司） 形成正向入射脉冲， 再经第一光放大器 （PB-pluse-EDFA-M-。
20、CB-0-0-FC/ APC， 北京佰特光通科技有限公司） 和第一光滤波器后入射到环行器 C1 端。环行器 C2 端连 接探测光纤。探测光纤为普通光纤， 在此假设传感光纤的长度为 2km， 激光脉冲脉宽 为 50ns， 则据前所述空间分辨率 L 为 5m。探测光纤的后向瑞利散射信号通过环行器 C3 端， 经第二光放大器和第三光滤波器后直接进入第一光电探测器 （OP-APD-1550-D， 天津峻烽伟 业光电科技有限公司） ， 在光纤信号解调系统中进行声波信号级差叠加的定位算法， 确定声 波的位置信息。 0014 从探测光纤尾端出射的正向入射脉冲光， 经过光隔离器、 第二光滤波器之后， 进入 由。
21、 22 耦合器、 相位调制器 （KG-PM-1550-10-PS-FA， 北京康冠世纪光电科技有限公司） 、 第 一法拉第旋转镜 （MFRM-A-1550， 北京华拓光研科技有限公司） 、 第二法拉第旋转镜组成的迈 克耳逊干涉仪， 臂长差 s 设为测量精度 L （5m） ， 即可以实现相邻两个正向入射脉冲光信号 的干涉， 从 P2 端出射的干涉信号进入到第二光电探测器， 在光纤信号解调系统中进行声波 信号的相位信息的解调， 利用前述相位载波解调方案求解公式 IP2=B2GHJ1(C)J2(C)Dcosst 中传感光纤声场信号引起的相位变化的 Dcosst 信号， 进行声波信号的相位信息的解调， 确定声波的频率、 相位信息。 综上通过确定声波的位置、 频率、 相位信息， 完成对此随机点声 波全部信息的监测。 说 明 书 CN 103575379 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103575379 A 7 2/2 页 8 图 5 说 明 书 附 图 CN 103575379 A 8 。