专利名称：光频分复用相位敏感光时域反射计的制作方法
技术领域：
本发明涉及光时域反射计，特别是ー种光频分复用相位敏感光时域反射计。
背景技术：
相位敏感光时域反射计(Phasesensitive optical time domainreflectometry,以下简称Phase-OTDR)是ー种基于瑞利散射的新型分布式光纤传感计，能对沿光纤线路范围内的外界动态物理量进行远程实时监測。与常规的光时域反射计(optical time domain reflectometry,简称为 0TDR)不同的是，Phase-OTDR 米用窄线宽(约为KHz)和极小频率漂移的激光器作为光源，通过探测脉冲宽度区域内后向瑞利散射光的干渉信号而获得扰动位置处的各种特征物理量(振幅、频率、相位等)，并通过回波时间对事件进行定位。因此，它除了常规分布式光纤传感诸多特点外，还具有隐蔽性、定位精度高、数据处理简单等优点，特别适合于天然气、石油管道等安全监控，以及民用设施如桥梁、大型建筑等土木工程的健康监控。自1993年H. F. Taylor提出Phase-OTDR以来，该技术的问世极大提高了分布式光纤传感技术的灵敏度。但是当时多采用的是直接探測的方法，只能定性测量发生扰动的位置信息，无法定量測量扰动信号的振幅、频率和相位信息，具体參见札F. Taylor andし E.Lee. Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing.U. Patent 5，1993 :194847.。为了提高Phase-OTDR的性能，研究者们进行了广泛而深入的研究在先技术一參见Lidong Lu, Yuejiang Song, Fan Zhu, Xuping Zhang, Dualirequency probe based conerent optical time reflectometry, Opt. Commun. ,2012, mpress利用相位调制器在激光器中心频率附近产生许多边带，同时控制调制深度(I. 44)，使其0级，±1级占其主要成分，然后将包含有三种频率的光脉冲注入到光纤，采用相干检测的方法，研究表明，该技术可以有效減少相干瑞利噪声，提高了 3dB的动态范围，但是受到带通滤波器和脉冲宽度的相互制约(脉冲宽度为Ius)，因此不能有很好的定位精度，只适合于长距离的海底光缆传输线的监測。更重要的是，该技术只停留在定性測量上，没有实现对扰动信号的定量測量，包括振幅、频率以及相位信息。在先技术ニ參见 Y. L. Lu, T. Zhu, L. A. Chen, and X. Y. Bao, Distributedvioration sensor based on coherent detection of phase—OTDR, J. Ligntw. Tecnnol., 2010,28(22) ,3243-3249.首次提出利用Phase-OTDR相干检测的方法去测量外界声场的扰动频率，使其拓展至分布式振动传感领域。但是还仅仅局限于定性測量扰动信号的振幅和频率信息，没有定量获得光纤链路及扰动位置的相位信息。另ー方面，由于受到采样率的制约，最高可探測扰动频率小于lKHz，空间分辨率为5m左右，对于更高频率的扰动信息则无法测量。这就大大限制了这种新型传感技术的应用范围，比如扰动频率为MHz以上的超声波监测，从而在一定程度上也无法体现这种技术的先进性和优越性
发明内容
为了克服上述在先技术的缺点，本发明提出一种光频分复用相位敏感光时域反射计，以期突破目前相关分布式光纤传感领域发展所面临的低信噪比、低采样速率、非定量检测等若干瓶颈问题。本发明的技术解决方案如下一种光频分复用相位敏感光时域反射计，其特点在于包括窄线宽激光器、光纤耦合器、相位调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、声光调制器、光纤环形器、信号发生器模块、触发源、双平衡探測器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤，上述元件的位置关系如下所述的窄线宽激光器发出的光经所述的光纤耦合器分成信号光和本地光，沿信号光方向通过光纤依次连接所述的相位调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、声光调制器和光纤环形器，该光纤环形器的第二端ロ接所述的长距离传感光纤的一端，该光纤环形器的第三端ロ经光纤接所述的双平衡探測器的输入端，所述的信号发生器模块的输出端接所述的相位调制器的控制端； 所述的本地光经光纤输入所述的双平衡探測器的另ー输入端，该双平衡探測器的输出端经所述的低通滤波器、数据采集卡接所述的计算机，该计算机具有维纳滤波及其正交相位解调的数据处理模块，所述的触发源的输出端分别与所述的声光调制器、信号发生器模块和数据采集卡的控制端相连，进行同步触发控制。窄线宽激光器发出的光首先通过光纤耦合器分成两路，一路为信号光，另一路为本地光。信号光首先进入相位调制器，所述信号发生器模块去驱动相位调制器，从而实现信号光频率的步进式扫频。接着相位调制器输出的光进入到扰偏器，从而消除偏振对系统的影响。紧接着通过掺铒光纤放大器放大后进入到声光调制器。声光调制器将连续光调制成脉冲光，同时在光频上引入了ー个恒定的频移。然后通过三端ロ环形器的第二端ロ注入到长距离传感光纤。后向散射的瑞利光返回经过环形器第三端ロ输出进入到双平衡探測器。另外本地光直接进入到双平衡探測器。由于相位调制器会在激光器输出中心频率附近产生许多边带(0级，±1级，±2级…)，因此双平衡探测器输出的拍频信号首先通过低通滤波器的作用，滤除其他边带。然后进入到数据采集卡，将其转换为数字信号后，最后在计算机上进行实时数据处理和显示。另外在该系统中，触发源同时连接着声光调制器、信号发生器模块和数据采集卡，使其三者输出信号同歩。本发明的特点和优点是(I)本发明采用一种基于数字相干检测的Phase-OTDR，不仅可以提高整个系统的动态范围，解决瑞利后向散射光太弱导致的灵敏度低的问题，而且整个后续的信号处理均用计算机软件实现，不需要繁琐的硬件设备。同时在信号处理过程中，为了降低各种随机噪声，包括激光器弓I入的相位噪声，放大器EDFA和探测器弓I入的ASE噪声和热噪声,我们米用了数字滤波(维纳滤波)技术，从而实现在低信噪比下的相位准确估计。(2)本发明采用了正交相位解调技术，为现有的Phase-OTDR增加了相位解调功能，完成了从定性測量到定量测量的突破。由于散射光相位与外界扰动一一对应，通过解调相位变化可以获取外界微弱扰动信息，大大提高了整个系统的灵敏度。同时为了克服系统中采样率与測量距离的相互制约关系，采用光频分复用技术来提高系统的采样率，从而实现更远距离或更高扰动频率的检测。


图I是本发明光频分复用相位敏感光时域反射计实施例的结构示意图；图2是基于光频分复用信号的调制方式结构示意图；图3是本发明中所使用的维纳滤波及其正交相位解调的流程具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进ー步说明。先请參阅图1，图I是本发明光频分复用相位敏感光时域反射计实施例的结构示意图，由图可见，本发明光频分复用相位敏感光时域反射计的结构包括窄线宽激光器I、光纤率禹合器2、相位调制器3、扰偏器4、掺铒光纤放大器5、声光调制器6、光纤环形器7、信号发生器模块8、触发源9、双平衡探測器10、低通滤波器11、数据采集卡12、计算机13和长距 离传感光纤14。窄线宽激光器I发出的光首先通过光纤耦合器2分成两路，一路为信号光，另一路为本地光。信号光沿着光纤201进入相位调制器3，信号发生器模块8输出的电信号通过801去调制相位调制器3，从而实现信号光频率的步进式扫频，具体可參见图2(a)。相位调制器3输出的连续光沿着光纤301进入到扰偏器4，从而消除偏振对系统的影响。接着沿着光纤401进入掺铒光纤放大器5放大后，沿着光纤501进入到声光调制器6。声光调制器6将连续光调制成脉冲光，同时在光频上引入了ー个恒定的频移，具体可參见图2(b)。然后顺着光纤601进入到环形器7，经过环形器7的第二端ロ 701注入到所述的长距离传感光纤14。该长距离传感光纤14的后向散射的瑞利光返回经过所述的环形器7的第三端ロ 702输出进入到所述的双平衡探測器10。另外本地光直接通过光纤202进入到双平衡探測器10。由于相位调制器会在激光器输出中心频率附近产生许多边带(0级，±1级，±2级…)。因此双平衡探測器10输出的拍频信号首先通过1001进入到低通滤波器11，滤除其他边带。然后沿着1101进入到数据采集卡12，将其转换为数字信号后，通过1201进入计算机13，该计算机具有维纳滤波及其正交相位解调的数据处理模块，从而进行后续的数字信号处理。另外在该系统中，触发源9通过901连接着声光调制器6，通过902连接着信号发生器模块，通过903连接着数据采集卡，使其三者信号输出同歩。各器件的说明如下窄线宽激光器I是本发明光频分复用相位敏感光时域反射计的光源，本发明实例中采用的光源为短腔磷酸盐DBR结构的单频光纤激光器，也可以采用其他类型的窄线宽、极小频率漂移的激光器。光纤I禹合器2,是普通单模光纤，1550nm波段,端ロ 2X2,分光比为I : 9。相位调制器3，主要用于实现信号光频率的步进式扫频，本发明实例中采用的相位调制器为偏振无关相位调制器，也可以采用其他的移频器，例如电光调制器，声光移频器
坐寸o扰偏器4，主要用于消除偏振噪声对系统的影响。掺铒光纤放大器5，采用商用的光电一体EDFA模块或自己搭建的EDFA均可。声光调制器6用于将激光器输出的连续光调制成脉冲光，本发明实例中采用的声光调制器为AA公司生产的声光调制器，也可以选用其他类型的声光调制器或者电光调制器。光纤环行器7，是ー个三端ロ光纤环行器，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到等同于光纤环行器效果的方案。信号发生器模块8，产生用于相位调制器上施加的射频调制信号，本发明实例中采用的是AD公司生产的信号发生器模块，也可以选用其他可以步进式扫频的信号发生器或者信号发生电路。 触发源9，用于实现信号发生器模块、声光调制器和数据采集卡使其三者同歩。双平衡探測器10，是将光信号转换为电信号的高速探測器，本发明实例中采用的光电探测器是Newport公司生产的探測器，可以实现高速光脉冲信号探測，当然也可以选用其他类型的高速光电探测器。低通滤波器11，主要滤除电信号的高频成分。数据采集卡12，主要进行数据触发采集。为了获得高时间分辨率，需要采用高速数据采集卡。本发明中采用的数据采集卡是Gage公司生产的数字化仪，也可以采用其他公司的高速采集卡。计算机13，主要是对数据采集卡12采集到的数据进行实时处理和显示。该计算机具有维纳滤波及其正交相位解调的数据处理模块，其流程图參见图3。本发明实例中編写的系统处理软件是基于数据采集卡和LabVIEW进行编程，也可以基于其他的平台如Matlab或者C语言进行编程实现。长距离传感光纤14，是普通通信的单模光纤，波长为1550nm。本发明的基本原理如下I、相位调制器的边带效应当角频率为CO的光波入射到相位调制器，它将会在光频段附近产生许多等间隔的边带，可以表示为
COE = ^fP0 exp(jwt) Yj Jq (Am )exp(jqcomt)
^ = -CO其中表不未调制时相位调制器输出光的振幅，和Am表不相位调制器的调制信号的角频率和调制深度，q表示各级边带频率级数，可取0，±1，±2，…。本发明实例中，我们只选用其中-I级边带，通过控制调制深度Am = I. 8，使其达到最大值，而其他边带较小。2、光频分复用调制參数的选取由于我们只是使用相位调制器的-I级边带，所以应该设法考虑信号发生器模块的扫频范围，从而避免各级边带的光发生混叠，最終通过低通滤波器滤除其他边带的光。另外在图2中，给出了三个物理參数步进式频率间隔(△ )、时间周期(T)和脉冲宽度(T )。T决定了空间分辨率，T越小，空间分辨率越高；T决定了时间分辨率，!'越小，代表可探测的频率越高。从理论上来说，在扫频范围一定的情况下，步进式频率间隔(△ CO)越小，代表步进式扫频个数n越大。但是要想获得高的空间分辨率，T越小，最終通过快速傅里叶变换获得拍频信号的功率谱，其相邻频率会发生部分重叠。因此，我们必须选择合理调制參数，使其达到最优化。通常地，相邻频率间隔Aco必须大于入射到光纤中脉冲宽度T的倒数。
3、后续的数字信号处理不同时刻不同频率的光脉冲入射到长距离传感光纤14，返回的瑞利散射光在所述的双平衡探測器10与本地光混合后，得到的拍频信号通过数据采集卡采集，获得不同频
率的拍频数字信号エもメ 03(—ノ +外》。然后通过快速傅里叶变换(FFT)和窗函数
(Blackman-Harris)，分离出各个频率的拍频数字信号。对于某个频率的拍频数字信号(例如EujEk (t) cos ( A Co kt+ Mt)))，图3已经给出了基于维纳滤波及其正交相位解调的流程图。其具体步骤如下首先拍频数字信号通过数字平滑滤波，滤除不必要的毛刺信息；紧接着计算机13提供一个标准的eXp(i A cokt)信号，使其与拍频数字信号相乘(/L)cos(A^^/L + ^(ZlI)X exp(zA^^/L)= L Louk I,) [cos(外))—/ sin(外))]+ ^L°^k (り[cos(2A^yJ + 外))+ /+ sin(2A^/ + 外))]然后通过数字低通滤波器，滤除上面表达式中的高频项，得到m (,) cos^t) - i El°Ek の sin 外)(I)将式(I)中虚部项除以实部项，然后取反正切，就可以求得其相位信息ホ(t)。
LO “,)sin 沴(/)tan外)=-ヰ t /V--(2)
LO ky )COS沴(り
』“,)sin 外)= -arctan-—/ \--(3)
COS^t)在本发明实例中，我们采用MATLAB工具箱中的Angle函数，求得的相位小⑴在[-]之间，通过相位展开Unwrap函数，将其在[-⑴，+⑴]展开，就可以求得真实的相位信息小(t)。当然，在该系统中存在着各种随机噪声，包括激光器引入的相位噪声，放大器EDFA和探測器引入的ASE噪声和热噪声等。因此我们采用维纳滤波(Wiener)技术对所述的小⑴进行滤波，降低各种噪声，从而获得准确相位信息外)。本发明实例中，我们采用的是
无延迟的维纳滤波传递函数
^iz)= x_ a-iAz)⑷其中，(j5 (z)为包含各种随机噪声小⑴的Z变换，为经过维纳滤波后外)的Z变换，a由加性噪声方差和相位噪声方差ぴ〗共同决定，具体表不如下び=びユ+2び卜び人+4び”(5)
2び 2
激光器的相位噪声方差可以表示为
权利要求
1.一种光频分复用相位敏感光时域反射计，其特征在于包括窄线宽激光器(I)、光纤耦合器(2)、相位调制器(3)、扰偏器(4)、掺铒光纤放大器(5)、声光调制器￠)、光纤环形器(7)、信号发生器模块(8)、触发源(9)、双平衡探測器(10)、低通滤波器(11)、数据采集卡(12)、计算机(13)和长距离传感光纤(14)，上述元件的位置关系如下 所述的窄线宽激光器(I)发出的光经所述的光纤耦合器(2)分成信号光和本地光，沿信号光方向通过光纤依次连接所述的相位调制器(3)、扰偏器(4)、掺铒光纤放大器(5)、声光调制器(6)和光纤环形器(7)，该光纤环形器(7)的第二端ロ接所述的长距离传感光纤 (14)的一端，该光纤环形器(7)的第三端ロ经光纤接所述的双平衡探測器(10)的输入端，所述的信号发生器模块(8)的输出端接所述的相位调制器(3)的控制端；所述的本地光经光纤输入所述的双平衡探測器(10)的另ー输入端，该双平衡探測器(10)的输出端经所述的低通滤波器(11)、数据采集卡(12)接所述的计算机(13)，该计算机具有维纳滤波及其正交相位解调的数据处理模块，所述的触发源(9)的输出端分别与所述的声光调制器(6)、信号发生器模块(8)和数据采集卡(12)的控制端相连，进行同步触发控制。
全文摘要
一种光频分复用相位敏感光时域反射计，其构成包括窄线宽激光器、光纤耦合器、相位调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、声光调制器、光纤环形器、信号发生器模块、触发源、双平衡探测器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤，本发明不仅可以解决分布式传感系统中测量距离与采样率的根本矛盾，实现更远距离或更高频振动(＞MHz)的检测，而且可以通过振幅和相位信息，第一时间判断出振动源的特征，即时提供预警。
文档编号G01H9/00GK102645268SQ20121012499
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者叶青, 周俊, 梁可桢, 潘政清, 瞿荣辉, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所