一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是分布式光纖傳感技術(shù)——相位敏感光時域反射技術(shù)中的解調(diào)技術(shù)，具體是將其應(yīng)用于一種相位敏感光時域反射系統(tǒng)中，形成了一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感技術(shù)在近年來，隨著油氣管道、高鐵、大型建筑等的高速發(fā)展，其安全越來越受到各界關(guān)注，而分布式光纖傳感技術(shù)由于其本身大量的優(yōu)點，使得其成為長距離、惡劣環(huán)境下進(jìn)行外界信息感知的關(guān)鍵技術(shù)。而相位敏感的光時域反射技術(shù)正是分布式光纖傳感技術(shù)大家庭中的一員，其主要功能是用來測量外界擾動、入侵等，不僅能對其進(jìn)行定位還能測量其擾動頻率。雖然該技術(shù)目前已經(jīng)處于比較成熟的階段，但其探測技術(shù)主要有兩類:1、直接探測；該探測技術(shù)對光電探測器的靈敏度要求很高，且傳感范圍一般較小。2、相干探測；該探測技術(shù)是目前主流的探測技術(shù)，該技術(shù)能實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳感距離，且對探測器的靈敏度要求不是特別高。但該技術(shù)電信號需要再進(jìn)行一次解調(diào)，目前主要有兩類電上面的解調(diào)技術(shù)應(yīng)用與該技術(shù):A、相干解調(diào)、正交解調(diào)；兩種解調(diào)技術(shù)都需要產(chǎn)生一個本地信號，同時這個本地信號并不能跟隨本地光信號頻率漂移所引起的寬帶信號的頻率漂移，因此在解調(diào)時并不能很好地將信號解調(diào)出來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于現(xiàn)有技術(shù)在對相位解調(diào)上的不足，本發(fā)明的目的是提供一種簡單有效的解調(diào)方法將調(diào)制在光相位上的擾動信號解調(diào)出來?；谧曰祛l方式的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，利用相干探測的方式解調(diào)光信號，提高傳感距離。
[0004]本發(fā)明的目的是基于如下分析和方案提出和實現(xiàn)的:
[0005]—種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，光路采用信號光和本地光進(jìn)行相干解調(diào)，電路則采用自混頻的方式解調(diào)信號，采用混頻器將兩路信號混頻便能將外界加載在光纖上的信號解調(diào)出來，其具體結(jié)構(gòu)為:
[0006]窄線寬激光器I輸出的連續(xù)光經(jīng)光親合器2后分為兩路，一路由與脈沖發(fā)生器4相連的聲光調(diào)制器3調(diào)制為脈沖光之后經(jīng)環(huán)形器5注入到傳感光纖6 ;另一路通過偏振控制器7與耦合器8連接；脈沖光在光纖中傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射光通過環(huán)形器5從另一端口輸出，輸出的散射光與本地光在耦合器8處合成一束光，然后經(jīng)平衡探測器9進(jìn)行拍頻，拍頻信號頻率由聲光調(diào)制器3引入的頻移決定，拍頻信號經(jīng)過電帶通濾波器10、低噪放大器11濾波放大后，平衡光電探測器輸出的電信號分成兩路，即被功分比為50:50的功分器12分為相同的兩個信號，再用混頻器13進(jìn)行解調(diào)，最后經(jīng)過低通濾波器14之后用數(shù)據(jù)采集卡15采集并用數(shù)據(jù)處理機(jī)16處理。
[0007]在本發(fā)明裝置中，由于激光器具有線寬，且本地光具有頻率漂移，故拍頻之后的電?目號為個寬帶?目號，可表不為:S (t) =A cos (ω jt+ Φ ^ +B cos (ω 2t+Φ 2) +…+Nοο8(ωη?+Φη) ο 從兩個頻率分量開始分析，S1 (t) = A οο8(ω1?+Φ1)+Β cos(o2t+<})2)，則經(jīng)過自混頻之后通過低通濾波器變可以得到信號S12(t) = A2/2+B2/2+AB cos[ (CO1-CO2)?+(Φ1-Φ2)1 ;因為光譜不同頻率的強(qiáng)度不同，呈洛倫茲型；故拍頻之后的電譜同樣呈洛倫茲型，則對于某一時刻的S2(t)，頻率為一變量，則可以通過對頻率的積分來獲取該位置所有頻率信號的疊加值，而積分的最終結(jié)果將會由余弦函數(shù)的初始相位決定，即相位的變化將會反映到積分值上面，因此可以通過解積分值來獲得相位的信息，而積分過程只需要所采用的硬件設(shè)備能響應(yīng)電信號的帶寬便能實現(xiàn)，因此可以直接獲取其解調(diào)結(jié)果。
[0008]采用自混頻的方式，由于本振信號采用的是本身，則能避免混頻時本地信號頻率與射頻信號頻率不匹配的問題。本裝置工作穩(wěn)定，在多次測量中都能較準(zhǔn)確的測量出振動的位置和頻率。
[0009]在本發(fā)明中，采用平衡光電探測器拍頻產(chǎn)生的RF —分為二然后進(jìn)行混頻，混頻之后再經(jīng)過低通濾波器便能獲取到解調(diào)之后的信號，再經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理便能解調(diào)出擾動位置和頻率。這種自混頻解調(diào)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，不必產(chǎn)生一個穩(wěn)定的本地信號，并且可以消除由于本地光信號頻率漂移引起的寬帶信號不穩(wěn)所導(dǎo)致的解調(diào)效果不好的現(xiàn)象，解調(diào)效果很好。
【附圖說明】
:
[0010]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2為1Km光纖上加載振動測量的振動定位和頻率效果圖，其中:a)為定位曲線圖山)為振動位置時域曲線圖；0為振動頻譜圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0013]圖1為本發(fā)明的一種基于自混頻方式的相位敏感光時域反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，系統(tǒng)由光路和電路兩部分組成。窄線寬激光器I輸出的連續(xù)光經(jīng)聲光調(diào)制器3調(diào)制為脈沖光之后經(jīng)環(huán)形器5注入到傳感光纖6，脈沖光在光纖中傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射光通過環(huán)形器5從另一端口輸出，輸出的散射光與本地光在親合器8處合成一束光，然后經(jīng)平衡探測器9進(jìn)行拍頻，拍頻信號頻率由聲光調(diào)制器3引入的頻移決定，拍頻信號經(jīng)過濾波放大后，被功分比為50:50的功分器12分為相同的兩個信號，再用混頻器13進(jìn)行解調(diào)，最后經(jīng)過低通濾波之后用數(shù)據(jù)采集卡15采集并用數(shù)據(jù)處理機(jī)16處理得到最后結(jié)果。
[0014]實施時，平衡光電探測器9電域帶寬大于聲光調(diào)制器3引入的頻移值。電帶通濾波器10中心頻率與聲光調(diào)制器3引入的頻移相同，帶寬與超窄線寬激光器I頻率漂移引入的頻移值相同。電功分器12的功率比為50:50。電混頻器13的RF端和LO端輸入與聲光調(diào)制器3引入的頻移值相同，IF端為DC至電帶通濾波器10的帶寬值。
[0015]圖2為采用本發(fā)明裝置測試效果圖，如圖所示采用1Km光纖進(jìn)行振動測試，采用自混頻解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)得到結(jié)果，a圖為振動定位曲線，b圖為測試所得振動時域曲線，c圖為振動信號的頻譜圖。從上面測試結(jié)果可以看見，采用自混頻解調(diào)方式能夠有效地將外界調(diào)制信號解調(diào)。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1.該裝置適用于采用相干探測方式的相位敏感光時域反射系統(tǒng)。采用自混頻解調(diào)方式，優(yōu)點在于:(I)能夠采用簡單的實驗裝置和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對調(diào)制在相位上的信號進(jìn)行解調(diào)；(2)消除激光器頻率漂移所引起的本振信號和拍頻信號的失配導(dǎo)致的解調(diào)效果不好問題。本裝置工作穩(wěn)定，在多次測量中都能較準(zhǔn)確的測量出振動的位置和頻率。
【主權(quán)項】
1.一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，其特征在于:光路采用信號光和本地光進(jìn)行相干解調(diào)，電路則采用自混頻的方式解調(diào)信號，采用混頻器將兩路信號混頻便能將外界加載在光纖上的信號解調(diào)出來，其具體結(jié)構(gòu)為: 窄線寬激光器(I)輸出的連續(xù)光經(jīng)光耦合器(2)后分為兩路，一路由與脈沖發(fā)生器(4)相連的聲光調(diào)制器(3)調(diào)制為脈沖光之后經(jīng)環(huán)形器(5)注入到傳感光纖(6);另一路通過偏振控制器(7)與耦合器(8)連接；脈沖光在光纖中傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射光通過環(huán)形器(5)從另一端口輸出，輸出的散射光與本地光在親合器(8)處合成一束光，然后經(jīng)平衡探測器(9)進(jìn)行拍頻，拍頻信號頻率由聲光調(diào)制器(3)引入的頻移決定，拍頻信號經(jīng)過電帶通濾波器(10)、低噪放大器(11)濾波放大后，平衡光電探測器輸出的電信號分成兩路，SP被功分比為50:50的功分器(12)分為相同的兩個信號，再用混頻器(13)進(jìn)行解調(diào)，最后經(jīng)過低通濾波器(14)之后用數(shù)據(jù)采集卡(15)采集并用數(shù)據(jù)處理機(jī)(16)處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，其特征在于，平衡光電探測器(9)電域帶寬大于聲光調(diào)制器(3)引入的頻移值。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，其特征在于，電帶通濾波器(10)中心頻率與聲光調(diào)制器(3)引入的頻移相同，帶寬與超窄線寬激光器(I)頻率漂移引入的頻移值相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，其特征在于，電功分器(12)的功率比為50:50。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)，其特征在于，電混頻器(13) RF端和LO端輸入與聲光調(diào)制器(3)引入的頻移值相同，IF端為DC至電帶通濾波器(10)的帶寬值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自混頻技術(shù)的相位敏感光時域反射系統(tǒng)。由光路檢測和電路解調(diào)兩部分組成；光路由窄線寬激光器(1)，光耦合器(2)，聲光度調(diào)制器(3)，脈沖函數(shù)發(fā)生器(4)，環(huán)形器(5)，光纖(6)，偏振控制器(7)組成；電路由電帶通濾波器(10)，低噪聲電放大器(11)，功分器(12)，混頻器(13)，低通濾波器(14)組成；采用自混頻這樣簡單結(jié)構(gòu)不僅能實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，還能消除由于本地光信號的頻率漂移引起的解調(diào)不便。在采用相干探測方式的相位敏感光時域反射技術(shù)系統(tǒng)中，本地光的頻率漂移是必須考慮的一個問題。本發(fā)明很好地消除了本地光頻率漂移帶來的影響。本裝置工作穩(wěn)定，在多次測量中都能較準(zhǔn)確的測量出振動的位置和頻率。
【IPC分類】G01D5/353
【公開號】CN105136175
【申請?zhí)枴緾N201510446560
【發(fā)明人】邵理陽, 何海軍, 張志勇, 閆連山, 潘煒, 羅斌, 鄒喜華
【申請人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月27日