專利名稱：光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光時(shí)域反射計(jì)，特別是ー種光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)。
背景技術(shù)：
相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Phasesensitive optical time domainreflectometry,以下簡稱Phase-OTDR)是ー種基于瑞利散射的新型分布式光纖傳感計(jì)，能對沿光纖線路范圍內(nèi)的外界動(dòng)態(tài)物理量進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。與常規(guī)的光時(shí)域反射計(jì)(optical time domain reflectometry,簡稱為 0TDR)不同的是，Phase-OTDR 米用窄線寬(約為KHz)和極小頻率漂移的激光器作為光源，通過探測脈沖寬度區(qū)域內(nèi)后向瑞利散射光的干渉信號而獲得擾動(dòng)位置處的各種特征物理量(振幅、頻率、相位等)，并通過回波時(shí)間對事件進(jìn)行定位。因此，它除了常規(guī)分布式光纖傳感諸多特點(diǎn)外，還具有隱蔽性、定位精度高、數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于天然氣、石油管道等安全監(jiān)控，以及民用設(shè)施如橋梁、大型建筑等土木工程的健康監(jiān)控。自1993年H. F. Taylor提出Phase-OTDR以來，該技術(shù)的問世極大提高了分布式光纖傳感技術(shù)的靈敏度。但是當(dāng)時(shí)多采用的是直接探測的方法，只能定性測量發(fā)生擾動(dòng)的位置信息，無法定量測量擾動(dòng)信號的振幅、頻率和相位信息，具體參見札F. Taylor andし E.Lee. Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing.U. Patent 5，1993 :194847.。為了提高Phase-OTDR的性能，研究者們進(jìn)行了廣泛而深入的研究在先技術(shù)一參見Lidong Lu, Yuejiang Song, Fan Zhu, Xuping Zhang, Dualirequency probe based conerent optical time reflectometry, Opt. Commun. ,2012, mpress利用相位調(diào)制器在激光器中心頻率附近產(chǎn)生許多邊帶，同時(shí)控制調(diào)制深度(I. 44)，使其0級，±1級占其主要成分，然后將包含有三種頻率的光脈沖注入到光纖，采用相干檢測的方法，研究表明，該技術(shù)可以有效減少相干瑞利噪聲，提高了 3dB的動(dòng)態(tài)范圍，但是受到帶通濾波器和脈沖寬度的相互制約(脈沖寬度為Ius)，因此不能有很好的定位精度，只適合于長距離的海底光纜傳輸線的監(jiān)測。更重要的是，該技術(shù)只停留在定性測量上，沒有實(shí)現(xiàn)對擾動(dòng)信號的定量測量，包括振幅、頻率以及相位信息。在先技術(shù)ニ參見 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相干檢測的方法去測量外界聲場的擾動(dòng)頻率，使其拓展至分布式振動(dòng)傳感領(lǐng)域。但是還僅僅局限于定性測量擾動(dòng)信號的振幅和頻率信息，沒有定量獲得光纖鏈路及擾動(dòng)位置的相位信息。另ー方面，由于受到采樣率的制約，最高可探測擾動(dòng)頻率小于lKHz，空間分辨率為5m左右，對于更高頻率的擾動(dòng)信息則無法測量。這就大大限制了這種新型傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，比如擾動(dòng)頻率為MHz以上的超聲波監(jiān)測，從而在一定程度上也無法體現(xiàn)這種技術(shù)的先進(jìn)性和優(yōu)越性
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述在先技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)，以期突破目前相關(guān)分布式光纖傳感領(lǐng)域發(fā)展所面臨的低信噪比、低采樣速率、非定量檢測等若干瓶頸問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)，其特點(diǎn)在于包括窄線寬激光器、光纖耦合器、相位調(diào)制器、擾偏器、摻鉺光纖放大器、聲光調(diào)制器、光纖環(huán)形器、信號發(fā)生器模塊、觸發(fā)源、雙平衡探測器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和長距離傳感光纖，上述元件的位置關(guān)系如下所述的窄線寬激光器發(fā)出的光經(jīng)所述的光纖耦合器分成信號光和本地光，沿信號光方向通過光纖依次連接所述的相位調(diào)制器、擾偏器、摻鉺光纖放大器、聲光調(diào)制器和光纖環(huán)形器，該光纖環(huán)形器的第二端ロ接所述的長距離傳感光纖的一端，該光纖環(huán)形器的第三端ロ經(jīng)光纖接所述的雙平衡探測器的輸入端，所述的信號發(fā)生器模塊的輸出端接所述的相位調(diào)制器的控制端； 所述的本地光經(jīng)光纖輸入所述的雙平衡探測器的另ー輸入端，該雙平衡探測器的輸出端經(jīng)所述的低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡接所述的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有維納濾波及其正交相位解調(diào)的數(shù)據(jù)處理模塊，所述的觸發(fā)源的輸出端分別與所述的聲光調(diào)制器、信號發(fā)生器模塊和數(shù)據(jù)采集卡的控制端相連，進(jìn)行同步觸發(fā)控制。窄線寬激光器發(fā)出的光首先通過光纖耦合器分成兩路，一路為信號光，另一路為本地光。信號光首先進(jìn)入相位調(diào)制器，所述信號發(fā)生器模塊去驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)信號光頻率的步進(jìn)式掃頻。接著相位調(diào)制器輸出的光進(jìn)入到擾偏器，從而消除偏振對系統(tǒng)的影響。緊接著通過摻鉺光纖放大器放大后進(jìn)入到聲光調(diào)制器。聲光調(diào)制器將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，同時(shí)在光頻上引入了ー個(gè)恒定的頻移。然后通過三端ロ環(huán)形器的第二端ロ注入到長距離傳感光纖。后向散射的瑞利光返回經(jīng)過環(huán)形器第三端ロ輸出進(jìn)入到雙平衡探測器。另外本地光直接進(jìn)入到雙平衡探測器。由于相位調(diào)制器會在激光器輸出中心頻率附近產(chǎn)生許多邊帶(0級，±1級，±2級…)，因此雙平衡探測器輸出的拍頻信號首先通過低通濾波器的作用，濾除其他邊帶。然后進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集卡，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，最后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示。另外在該系統(tǒng)中，觸發(fā)源同時(shí)連接著聲光調(diào)制器、信號發(fā)生器模塊和數(shù)據(jù)采集卡，使其三者輸出信號同歩。本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是(I)本發(fā)明采用一種基于數(shù)字相干檢測的Phase-OTDR，不僅可以提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，解決瑞利后向散射光太弱導(dǎo)致的靈敏度低的問題，而且整個(gè)后續(xù)的信號處理均用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，不需要繁瑣的硬件設(shè)備。同時(shí)在信號處理過程中，為了降低各種隨機(jī)噪聲，包括激光器弓I入的相位噪聲，放大器EDFA和探測器弓I入的ASE噪聲和熱噪聲,我們米用了數(shù)字濾波(維納濾波)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在低信噪比下的相位準(zhǔn)確估計(jì)。(2)本發(fā)明采用了正交相位解調(diào)技術(shù)，為現(xiàn)有的Phase-OTDR增加了相位解調(diào)功能，完成了從定性測量到定量測量的突破。由于散射光相位與外界擾動(dòng)一一對應(yīng)，通過解調(diào)相位變化可以獲取外界微弱擾動(dòng)信息，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。同時(shí)為了克服系統(tǒng)中采樣率與測量距離的相互制約關(guān)系，采用光頻分復(fù)用技術(shù)來提高系統(tǒng)的采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離或更高擾動(dòng)頻率的檢測。


圖I是本發(fā)明光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于光頻分復(fù)用信號的調(diào)制方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中所使用的維納濾波及其正交相位解調(diào)的流程具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。先請參閱圖1，圖I是本發(fā)明光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的結(jié)構(gòu)包括窄線寬激光器I、光纖率禹合器2、相位調(diào)制器3、擾偏器4、摻鉺光纖放大器5、聲光調(diào)制器6、光纖環(huán)形器7、信號發(fā)生器模塊8、觸發(fā)源9、雙平衡探測器10、低通濾波器11、數(shù)據(jù)采集卡12、計(jì)算機(jī)13和長距 離傳感光纖14。窄線寬激光器I發(fā)出的光首先通過光纖耦合器2分成兩路，一路為信號光，另一路為本地光。信號光沿著光纖201進(jìn)入相位調(diào)制器3，信號發(fā)生器模塊8輸出的電信號通過801去調(diào)制相位調(diào)制器3，從而實(shí)現(xiàn)信號光頻率的步進(jìn)式掃頻，具體可參見圖2(a)。相位調(diào)制器3輸出的連續(xù)光沿著光纖301進(jìn)入到擾偏器4，從而消除偏振對系統(tǒng)的影響。接著沿著光纖401進(jìn)入摻鉺光纖放大器5放大后，沿著光纖501進(jìn)入到聲光調(diào)制器6。聲光調(diào)制器6將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，同時(shí)在光頻上引入了ー個(gè)恒定的頻移，具體可參見圖2(b)。然后順著光纖601進(jìn)入到環(huán)形器7，經(jīng)過環(huán)形器7的第二端ロ 701注入到所述的長距離傳感光纖14。該長距離傳感光纖14的后向散射的瑞利光返回經(jīng)過所述的環(huán)形器7的第三端ロ 702輸出進(jìn)入到所述的雙平衡探測器10。另外本地光直接通過光纖202進(jìn)入到雙平衡探測器10。由于相位調(diào)制器會在激光器輸出中心頻率附近產(chǎn)生許多邊帶(0級，±1級，±2級…)。因此雙平衡探測器10輸出的拍頻信號首先通過1001進(jìn)入到低通濾波器11，濾除其他邊帶。然后沿著1101進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集卡12，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過1201進(jìn)入計(jì)算機(jī)13，該計(jì)算機(jī)具有維納濾波及其正交相位解調(diào)的數(shù)據(jù)處理模塊，從而進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號處理。另外在該系統(tǒng)中，觸發(fā)源9通過901連接著聲光調(diào)制器6，通過902連接著信號發(fā)生器模塊，通過903連接著數(shù)據(jù)采集卡，使其三者信號輸出同歩。各器件的說明如下窄線寬激光器I是本發(fā)明光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的光源，本發(fā)明實(shí)例中采用的光源為短腔磷酸鹽DBR結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器，也可以采用其他類型的窄線寬、極小頻率漂移的激光器。光纖I禹合器2,是普通單模光纖，1550nm波段,端ロ 2X2,分光比為I : 9。相位調(diào)制器3，主要用于實(shí)現(xiàn)信號光頻率的步進(jìn)式掃頻，本發(fā)明實(shí)例中采用的相位調(diào)制器為偏振無關(guān)相位調(diào)制器，也可以采用其他的移頻器，例如電光調(diào)制器，聲光移頻器
坐寸o擾偏器4，主要用于消除偏振噪聲對系統(tǒng)的影響。摻鉺光纖放大器5，采用商用的光電一體EDFA模塊或自己搭建的EDFA均可。聲光調(diào)制器6用于將激光器輸出的連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，本發(fā)明實(shí)例中采用的聲光調(diào)制器為AA公司生產(chǎn)的聲光調(diào)制器，也可以選用其他類型的聲光調(diào)制器或者電光調(diào)制器。光纖環(huán)行器7，是ー個(gè)三端ロ光纖環(huán)行器，也可采用接入光纖耦合器和隔離器的辦法，起到等同于光纖環(huán)行器效果的方案。信號發(fā)生器模塊8，產(chǎn)生用于相位調(diào)制器上施加的射頻調(diào)制信號，本發(fā)明實(shí)例中采用的是AD公司生產(chǎn)的信號發(fā)生器模塊，也可以選用其他可以步進(jìn)式掃頻的信號發(fā)生器或者信號發(fā)生電路。 觸發(fā)源9，用于實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器模塊、聲光調(diào)制器和數(shù)據(jù)采集卡使其三者同歩。雙平衡探測器10，是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的高速探測器，本發(fā)明實(shí)例中采用的光電探測器是Newport公司生產(chǎn)的探測器，可以實(shí)現(xiàn)高速光脈沖信號探測，當(dāng)然也可以選用其他類型的高速光電探測器。低通濾波器11，主要濾除電信號的高頻成分。數(shù)據(jù)采集卡12，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)觸發(fā)采集。為了獲得高時(shí)間分辨率，需要采用高速數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明中采用的數(shù)據(jù)采集卡是Gage公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀，也可以采用其他公司的高速采集卡。計(jì)算機(jī)13，主要是對數(shù)據(jù)采集卡12采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示。該計(jì)算機(jī)具有維納濾波及其正交相位解調(diào)的數(shù)據(jù)處理模塊，其流程圖參見圖3。本發(fā)明實(shí)例中編寫的系統(tǒng)處理軟件是基于數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW進(jìn)行編程，也可以基于其他的平臺如Matlab或者C語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。長距離傳感光纖14，是普通通信的單模光纖，波長為1550nm。本發(fā)明的基本原理如下I、相位調(diào)制器的邊帶效應(yīng)當(dāng)角頻率為CO的光波入射到相位調(diào)制器，它將會在光頻段附近產(chǎn)生許多等間隔的邊帶，可以表示為
COE = ^fP0 exp(jwt) Yj Jq (Am )exp(jqcomt)
^ = -CO其中表不未調(diào)制時(shí)相位調(diào)制器輸出光的振幅，和Am表不相位調(diào)制器的調(diào)制信號的角頻率和調(diào)制深度，q表示各級邊帶頻率級數(shù)，可取0，±1，±2，…。本發(fā)明實(shí)例中，我們只選用其中-I級邊帶，通過控制調(diào)制深度Am = I. 8，使其達(dá)到最大值，而其他邊帶較小。2、光頻分復(fù)用調(diào)制參數(shù)的選取由于我們只是使用相位調(diào)制器的-I級邊帶，所以應(yīng)該設(shè)法考慮信號發(fā)生器模塊的掃頻范圍，從而避免各級邊帶的光發(fā)生混疊，最終通過低通濾波器濾除其他邊帶的光。另外在圖2中，給出了三個(gè)物理參數(shù)步進(jìn)式頻率間隔(△ )、時(shí)間周期(T)和脈沖寬度(T )。T決定了空間分辨率，T越小，空間分辨率越高；T決定了時(shí)間分辨率，!'越小，代表可探測的頻率越高。從理論上來說，在掃頻范圍一定的情況下，步進(jìn)式頻率間隔(△ CO)越小，代表步進(jìn)式掃頻個(gè)數(shù)n越大。但是要想獲得高的空間分辨率，T越小，最終通過快速傅里葉變換獲得拍頻信號的功率譜，其相鄰頻率會發(fā)生部分重疊。因此，我們必須選擇合理調(diào)制參數(shù)，使其達(dá)到最優(yōu)化。通常地，相鄰頻率間隔Aco必須大于入射到光纖中脈沖寬度T的倒數(shù)。
3、后續(xù)的數(shù)字信號處理不同時(shí)刻不同頻率的光脈沖入射到長距離傳感光纖14，返回的瑞利散射光在所述的雙平衡探測器10與本地光混合后，得到的拍頻信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集，獲得不同頻
率的拍頻數(shù)字信號エもメ 03(—ノ +外》。然后通過快速傅里葉變換(FFT)和窗函數(shù)
(Blackman-Harris)，分離出各個(gè)頻率的拍頻數(shù)字信號。對于某個(gè)頻率的拍頻數(shù)字信號(例如EujEk (t) cos ( A Co kt+ Mt)))，圖3已經(jīng)給出了基于維納濾波及其正交相位解調(diào)的流程圖。其具體步驟如下首先拍頻數(shù)字信號通過數(shù)字平滑濾波，濾除不必要的毛刺信息；緊接著計(jì)算機(jī)13提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的eXp(i A cokt)信號，使其與拍頻數(shù)字信號相乘(/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))]然后通過數(shù)字低通濾波器，濾除上面表達(dá)式中的高頻項(xiàng)，得到m (,) cos^t) - i El°Ek の sin 外)(I)將式(I)中虛部項(xiàng)除以實(shí)部項(xiàng)，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)在本發(fā)明實(shí)例中，我們采用MATLAB工具箱中的Angle函數(shù)，求得的相位?、旁赱-]之間，通過相位展開Unwrap函數(shù)，將其在[-⑴，+⑴]展開，就可以求得真實(shí)的相位信息小(t)。當(dāng)然，在該系統(tǒng)中存在著各種隨機(jī)噪聲，包括激光器引入的相位噪聲，放大器EDFA和探測器引入的ASE噪聲和熱噪聲等。因此我們采用維納濾波(Wiener)技術(shù)對所述的?、胚M(jìn)行濾波，降低各種噪聲，從而獲得準(zhǔn)確相位信息外)。本發(fā)明實(shí)例中，我們采用的是
無延遲的維納濾波傳遞函數(shù)
^iz)= x_ a-iAz)⑷其中，(j5 (z)為包含各種隨機(jī)噪聲?、诺腪變換，為經(jīng)過維納濾波后外)的Z變換，a由加性噪聲方差和相位噪聲方差ぴ〗共同決定，具體表不如下び=びユ+2び卜び人+4び”(5)
2び 2
激光器的相位噪聲方差可以表示為
權(quán)利要求
1.一種光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)，其特征在于包括窄線寬激光器(I)、光纖耦合器(2)、相位調(diào)制器(3)、擾偏器(4)、摻鉺光纖放大器(5)、聲光調(diào)制器￠)、光纖環(huán)形器(7)、信號發(fā)生器模塊(8)、觸發(fā)源(9)、雙平衡探測器(10)、低通濾波器(11)、數(shù)據(jù)采集卡(12)、計(jì)算機(jī)(13)和長距離傳感光纖(14)，上述元件的位置關(guān)系如下 所述的窄線寬激光器(I)發(fā)出的光經(jīng)所述的光纖耦合器(2)分成信號光和本地光，沿信號光方向通過光纖依次連接所述的相位調(diào)制器(3)、擾偏器(4)、摻鉺光纖放大器(5)、聲光調(diào)制器(6)和光纖環(huán)形器(7)，該光纖環(huán)形器(7)的第二端ロ接所述的長距離傳感光纖 (14)的一端，該光纖環(huán)形器(7)的第三端ロ經(jīng)光纖接所述的雙平衡探測器(10)的輸入端，所述的信號發(fā)生器模塊(8)的輸出端接所述的相位調(diào)制器(3)的控制端；所述的本地光經(jīng)光纖輸入所述的雙平衡探測器(10)的另ー輸入端，該雙平衡探測器(10)的輸出端經(jīng)所述的低通濾波器(11)、數(shù)據(jù)采集卡(12)接所述的計(jì)算機(jī)(13)，該計(jì)算機(jī)具有維納濾波及其正交相位解調(diào)的數(shù)據(jù)處理模塊，所述的觸發(fā)源(9)的輸出端分別與所述的聲光調(diào)制器(6)、信號發(fā)生器模塊(8)和數(shù)據(jù)采集卡(12)的控制端相連，進(jìn)行同步觸發(fā)控制。
全文摘要
一種光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)，其構(gòu)成包括窄線寬激光器、光纖耦合器、相位調(diào)制器、擾偏器、摻鉺光纖放大器、聲光調(diào)制器、光纖環(huán)形器、信號發(fā)生器模塊、觸發(fā)源、雙平衡探測器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和長距離傳感光纖，本發(fā)明不僅可以解決分布式傳感系統(tǒng)中測量距離與采樣率的根本矛盾，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離或更高頻振動(dòng)(＞MHz)的檢測，而且可以通過振幅和相位信息，第一時(shí)間判斷出振動(dòng)源的特征，即時(shí)提供預(yù)警。
文檔編號G01H9/00GK102645268SQ20121012499
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者葉青, 周俊, 梁可楨, 潘政清, 瞿榮輝, 蔡海文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所