基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括：一窄線寬激光器；一調(diào)制器，其輸入端與窄線寬激光器的輸出端連接；一光隔離器，其輸入端與調(diào)制器的輸出端連接；一摻鉺光纖放大器，其輸入端與光隔離器的輸出端連接；一環(huán)行器，其端口a與摻鉺光纖放大器的輸出端連接；一光纖光柵，其與環(huán)行器的端口b連接；一傳感光纖，其與環(huán)行器的端口c連接；一邁克爾遜干涉儀，其輸入端與環(huán)行器的端口d連接；一載波電路，其輸出端與連接邁克爾遜干涉儀的電學(xué)接口連接；一光電探測器，其輸入端與邁克爾遜干涉儀的輸出端連接；一數(shù)據(jù)采集卡，其一輸入端與光電探測器的輸出端連接，另一輸入端與載波電路的輸出端連接；一信號處理機(jī)，其輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接；一脈沖發(fā)生器，其輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)輸入端連接，輸出端與調(diào)制器的電學(xué)接口連接。
【專利說明】基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分布式光纖傳感領(lǐng)域，特別是用于測量動態(tài)振動或聲信號的分布式光纖傳感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感的一個(gè)重要分支,利用光波在光纖中傳輸時(shí)相位、偏振、幅度、波長等對外界敏感的特性，可以連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測光纖附近的溫度、應(yīng)變、振動和聲音等物理量，具有很好的應(yīng)用前景，在光纖傳感市場占據(jù)主要地位。
[0003]根據(jù)傳感原理，分布式光纖傳感技術(shù)主要可分為基于干涉原理和基于后向散射探測技術(shù)兩類。前者利用M-Z型、Sagnac型以及復(fù)合型結(jié)構(gòu)通過定位算法和解調(diào)算法得到相關(guān)位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光強(qiáng)、頻移和相位等變化來測量外界物理量。常用類型包括相位敏感光時(shí)域反射型(Φ-OTDR)，偏振光時(shí)域反射型(P-OTDR)、布里淵光時(shí)域反射型(B-OTDR)、拉曼光時(shí)域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR適合長距離高空間分辨率的分布式振動或聲傳感，在周界安全、地震勘探、管道監(jiān)測等方面有著顯著優(yōu)勢。
[0004]Φ-OTDR技術(shù)是通過檢測傳感光纖中背向瑞利散射光的相位信號來實(shí)現(xiàn)分布式振動或聲傳感。當(dāng)外界振動或聲音作用于傳感光纖某一位置時(shí)，該位置處的光纖將會感受到外界應(yīng)力或應(yīng)變的作用，引起光纖拉伸和折射率變化，進(jìn)而引起導(dǎo)致背向散射光在傳輸時(shí)的相位發(fā)生變化，因此可以通過檢測相位變化來實(shí)現(xiàn)對外界振動或聲音的測量。一種常用的相位檢測方法是采用外差正交相位解調(diào)技術(shù)。雙平衡探測器將接收到的瑞利散射光與本地光的拍頻信號轉(zhuǎn)化為電流信號，通過數(shù)字相干檢測瑞利信號的相位和幅度(“分布式光纖傳感器及信息解調(diào)方法”，申請?zhí)?01210099835.8)。本地光的穩(wěn)定性對結(jié)果至關(guān)重要，特別是本地光的相位漂移，因此需要高穩(wěn)定的窄相干光源作為本地光，或者采用濾波技術(shù)來減小相位漂移帶來的影響(梁可楨等人，一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的多參量振動傳感器，中國激光，2012年)。另外，由于采用的是正交相位解調(diào)，因此要求外界振動信號引起的相位幅度變化不能高過2 π弧度，所以外差正交解調(diào)技術(shù)對大信號的相位擾動探測能力有限，同時(shí)面臨干涉相消衰落問題。此外，為了能有效檢測外差信號，需要高速的數(shù)據(jù)采集設(shè)備(GS / s量級的采樣率)，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，解決干涉相消衰落問題，能夠?qū)崿F(xiàn)幾十弧度的大信號相位檢測。
[0006]本發(fā)明提供一種基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括:
[0007]一窄線寬激光器；
[0008]一調(diào)制器，其輸入端與窄線寬激光器的輸出端連接；
[0009]一光隔離器，其輸入端與調(diào)制器的輸出端連接；[0010]—摻鉺光纖放大器,其輸入端與光隔離器的輸出端連接；
[0011]—環(huán)行器,其端口 a與摻鉺光纖放大器的輸出端連接；
[0012]—光纖光柵,其與環(huán)行器的端口 b連接；
[0013]一傳感光纖，其與環(huán)行器的端口 c連接；
[0014]一邁克爾遜干涉儀，其輸入端與環(huán)行器的端口 d連接；
[0015]一載波電路，其輸出端與連接邁克爾遜干涉儀的電學(xué)接口連接；
[0016]一光電探測器，其輸入端與邁克爾遜干涉儀的輸出端連接；
[0017]—數(shù)據(jù)米集卡，其一輸入端與光電探測器的輸出端連接，另一輸入端與載波電路的輸出端連接；
[0018]一信號處理機(jī)，其輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接；
[0019]一脈沖發(fā)生器，其輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)輸入端連接，輸出端與調(diào)制器的電學(xué)接口連接。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用相位生成載波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式光纖振動或聲信號的測量，可有效實(shí)現(xiàn)大相位信號的動態(tài)測量，且能夠消除相位相消衰落問題，無需GS / s采樣率的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)例和附圖對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中:
[0022]圖1是本發(fā)明提供的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是相位生成載波解調(diào)技術(shù)的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]請參考圖1，圖1是本發(fā)明提供的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括:窄線寬激光器1、調(diào)制器2、光隔離器3、摻鉺光纖放大器4、環(huán)行器5、光纖光柵6、傳感光纖7、邁克爾遜干涉儀100、載波電路12、光電探測器13、數(shù)據(jù)采集卡14、信號處理機(jī)15和脈沖發(fā)生器16，其中窄線寬激光器I的輸出端與調(diào)制器2的輸入端連接，調(diào)制器2的輸出端與光隔離器3的輸入端相連,光隔離器3的輸出端與摻鉺光纖放大器4的輸入端相連,摻鉺光纖放大器4的輸出端與環(huán)行器5的a端口相連,環(huán)行器5的b端口與光纖光柵6相連，環(huán)行器5的c端口與傳感光纖7相連，環(huán)行器5的d端口與邁克爾遜干涉儀100的輸入端相連，邁克爾遜干涉儀100的輸出端與光電探測器13的輸入端口相連，光電探測器13的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡14的一輸入端口相連，載波電路12的輸出端同時(shí)連接邁克爾遜干涉儀100的電學(xué)接口和數(shù)據(jù)采集卡14的一輸入端口，數(shù)據(jù)采集卡14的輸出端口與信號處理機(jī)15相連，脈沖發(fā)生器16的輸出端口與調(diào)制器2的電學(xué)接口相連，脈沖發(fā)生器16的觸發(fā)輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡14的觸發(fā)輸入端口相連。
[0026]邁克爾遜干涉儀100，包括:3dB耦合器8、法拉第旋轉(zhuǎn)器9、10和相位調(diào)制器11，3dB稱合器8的a端與摻鉺光纖放大器4的輸出端相連,3dB稱合器8的b端和的第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡9相連，3dB耦合器8的c端與相位調(diào)制器11的輸入端相連，相位調(diào)制器11的輸出端與第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡10相連，3dB稱合器8的d端與光電探測器13的輸入端口相連，兩位調(diào)制器11的電學(xué)接口與載波電路12的輸出端相連。
[0027]窄線寬激光器的輸出波長與光纖光柵的中心波長一致，光纖光柵的3dB帶寬小于
0.2nm。
[0028]脈沖發(fā)生器發(fā)射重復(fù)脈沖電壓信號作用于調(diào)制器，產(chǎn)生脈沖光信號，脈沖電壓信號的脈沖寬寬在IOns-1OOns之間。
[0029]相位調(diào)制器用于產(chǎn)生正弦相位調(diào)制，調(diào)制幅度在2rad_4rad之間。
[0030]數(shù)據(jù)采集卡接受到的mxn矩陣數(shù)據(jù)，每列數(shù)據(jù)對應(yīng)同一位置的干涉信號，通過數(shù)字生成載波技術(shù)來解析干涉信號進(jìn)而解調(diào)出相位信號。
[0031]在本實(shí)施例中，窄線寬激光器采用連續(xù)輸出的RIO半導(dǎo)體激光器，線寬小于2kHz，工作波長為1550.12nm。連續(xù)輸出的窄線寬激光經(jīng)調(diào)制器產(chǎn)生周期性重復(fù)脈沖光，調(diào)制器采用聲光調(diào)制器，通過脈沖發(fā)生器加載脈沖電壓信號，脈沖寬度受限于聲光調(diào)制器的上升下降時(shí)間，通常采用IOns?IOOns的脈沖寬度，脈沖重復(fù)頻率與傳輸光纖長度有關(guān)，當(dāng)光纖長度為IOkm時(shí)，脈沖重復(fù)頻率最大為10kHz。脈沖光經(jīng)光隔離器后進(jìn)入摻鉺光纖放大器進(jìn)行光功率放大，通過環(huán)行器和光纖光柵對放大后的光信號進(jìn)行濾波，光纖光柵的中心波長與窄線寬激光器的工作波長一致，光纖光柵的3dB帶寬小于0.2nm,以保證進(jìn)入傳感光纖的脈沖光不包含過多的自發(fā)輻射光，保證脈沖光的相干性。
[0032]脈沖光沿傳感光纖傳播過程中產(chǎn)生背向瑞利散射，不同位置產(chǎn)生不同的瑞利散射光，當(dāng)窄線寬激光器的相干長度大于傳輸光纖長度時(shí)，瑞利散射光是相干的。傳感光纖的背向瑞利散射光通過環(huán)行器的d端口進(jìn)入由3dB耦合器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和相位調(diào)制器組成的邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉儀由于存在臂長差即時(shí)延，因此在某一時(shí)刻光電探測器接收到的是兩個(gè)相隔距離等于臂長差一半的兩瑞利散射光的干涉光信號。單個(gè)脈沖發(fā)出后，不同時(shí)刻對應(yīng)于不同位置的雙瑞利散射光干涉信號，干涉信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化為一時(shí)間序列的電信號，并數(shù)據(jù)采集卡接收。
[0033]數(shù)據(jù)采集卡接收到的電信號序列儲存在信號處理機(jī)上，形成一行數(shù)據(jù)。每行數(shù)據(jù)的取樣點(diǎn)數(shù)(m)取決于數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和脈沖重復(fù)頻率。當(dāng)采集η個(gè)光脈沖產(chǎn)生的干涉信號序列后，將形成mxn的矩陣數(shù)據(jù)。由于采用脈沖發(fā)生器的觸發(fā)采集功能，因此每列數(shù)據(jù)對應(yīng)的采集位置是相同的。
[0034]對于同一位置的干涉信號，由于邁克爾遜干涉儀的一臂上添加了相位調(diào)制器，因此在同列數(shù)據(jù)中的干涉信號中存在一相位調(diào)制，其干涉條紋的表達(dá)式為:
[0035]V=A+Bcos (Ccos (2 π f0t) + Φ (t))
[0036]其中，A是與干涉儀輸入光強(qiáng)、耦合器插入損耗等相關(guān)的直流項(xiàng)，B是與干涉儀輸入光強(qiáng)、耦合器分光比、干涉儀消光比相關(guān)等有關(guān)，B=kA，k為干涉條紋可見度，k〈l，C是干涉儀的調(diào)制幅度，取值在2rad-4rad之間，為載波調(diào)制頻率，Φ⑴為待解調(diào)的相位信號。
[0037]關(guān)于上述干涉條紋中所涉及的相位信號Φ⑴的解調(diào)，采用的是相位生成載波解調(diào)技術(shù)，在信號處理機(jī)上來實(shí)現(xiàn)，具體過程請參考圖2。
[0038]邁克爾遜干涉儀的輸出信號分別和載波電路輸出電信號的一倍頻COs (2 fj)和二倍頻分量cos (4 JIfcit)相乘，然后經(jīng)過低通濾波器分別獲得含有相位信號Φα)的正弦項(xiàng)-BJ2 (C) Sin[Φ⑴]和余弦項(xiàng)-BJ1 (C) COS [Φ (t)](其中，J1(C)和J2(C)分別為第一類I階和2階貝塞爾函數(shù))，兩項(xiàng)相除后通過反正切算法計(jì)算得到帶有常系數(shù)的相位信號[J2(C) / J1(C)].Φα)，通過標(biāo)定可以確定常系數(shù)J2 (C) / J1 (C)，進(jìn)而得到相位信號(Mt)。當(dāng)C=2.63rad時(shí)，J2(C)/J2(C) = 1，無需進(jìn)行常系數(shù)標(biāo)定就可直接得到相位信號Φ (t)，因此相位生成載波解調(diào)技術(shù)通常選擇C=2.63rad作為優(yōu)化值。
[0039]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括: 一窄線寬激光器； 一調(diào)制器，其輸入端與窄線寬激光器的輸出端連接； 一光隔離器，其輸入端與調(diào)制器的輸出端連接； 一摻鉺光纖放大器，其輸入端與光隔離器的輸出端連接； 一環(huán)行器，其端口 a與摻鉺光纖放大器的輸出端連接； 一光纖光柵，其與環(huán)行器的端口 b連接； 一傳感光纖，其與環(huán)行器的端口 c連接； 一邁克爾遜干涉儀，其輸入端與環(huán)行器的端口 d連接； 一載波電路，其輸出端與連接邁克爾遜干涉儀的電學(xué)接口連接； 一光電探測器，其輸入端與邁克爾遜干涉儀的輸出端連接； 一數(shù)據(jù)米集卡，其一輸入端與光電探測器的輸出端連接，另一輸入端與載波電路的輸出端連接； 一信號處理機(jī)，其輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接； 一脈沖發(fā)生器，其輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)輸入端連接，輸出端與調(diào)制器的電學(xué)接口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其中邁克爾遜干涉儀包括: 一 3dB耦合器，其為4端口的3dB耦合器，其端口 a為輸入端，端口 d為輸出端； 一第一法拉第旋轉(zhuǎn)器，其與3dB稱合器的端口 b連接； 一第二法拉第旋轉(zhuǎn)器，其通過一相位調(diào)制器與3dB耦合器的端口 c連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其中窄線寬激光器的輸出波長與光纖光柵的中心波長一致，光纖光柵的3dB帶寬小于0.2nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其中脈沖發(fā)生器發(fā)射重復(fù)脈沖電壓信號作用于調(diào)制器，產(chǎn)生脈沖光信號，脈沖電壓信號的脈沖寬寬為lOnslOOns。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其中調(diào)制器用于產(chǎn)生正弦相位調(diào)制，調(diào)制幅度為2rad-4rad。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位生成載波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)米集卡接受到的mxn矩陣數(shù)據(jù)，每列數(shù)據(jù)對應(yīng)同一位置的干涉信號，通過數(shù)字生成載波技術(shù)來解析干涉信號進(jìn)而解調(diào)出相位信號。
【文檔編號】G01H9/00GK103759750SQ201410032610
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】徐團(tuán)偉, 方高升, 李芳 , 劉育梁 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所