CN103900623A - 基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法，其中方法包括以下步骤：激光器输出光信号；将光信号分为两路光信号，分别进行调制；对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声，生成参考信号；第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光与第二路光信号经过拍频后得到测量信号；采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。本发明采用两个声光调制器，通过引入参考信号进行共模抑制的方法降低了相位敏感型光时域反射仪中激光器频率噪声、声光调制器频率噪声对测量结果的影响。

Description

基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法

技术领域

本发明涉及光时域反射仪，尤其涉及一种基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法。

背景技术

相位敏感型光时域反射仪(以下简称Phase-OTDR)是一种基于瑞利散射的分布式光纤传感器，能对传感光纤沿线的外界动态物理量进行远程监测。Phase-OTDR 需要采用窄线宽(小于10KHz)和极小频率漂移的激光器作为光源，通过探测光脉冲宽度区域内光纤中背向瑞利散射光的干涉信号的变化进而获得扰动位置处的环境参量信息(温度、压力、 振动、声音等)，并通过测量光脉冲返回时间对事件进行定位。它除了拥有分布式光纤传感器的典型优点外，还具有测量信号频带宽、定位精度指标高、探测灵敏高等特点，特别适合于长距离周界安防、石油石化天然气输送管道的安全预警、电力电缆及城市供水供气管道防挖掘监控等分布式周界安全和结构健康监测领域。 

为了不断提高Phase-OTDR 的性能，研究者们进行了广泛深入的研究：

Xiaoyi Bao等人于2010 年[参见 Y.L.Lu，T.Zhu，L.A.Chen，and X.Y.Bao，Distributed vibration sensor based on coherent detection of phase-OTDR，J.Lightw.Technol.2010，28(22)，3243-3249. ]提出了在Phase-OTDR 基础上引入相干探测及外差检测的方法对宽带振动或者声音信号进行定位和频谱响应测试，提升了Phase-OTDR的信噪比，***空间分辨率为5m，频率响应可以到1kHz。该光路***中仅使用了一个声光调制器进行移频和探测脉冲生成，实验测试局限于定性测量扰动信号的振幅和频率信息，没有定量获得光纤扰动位置的相位信息。

饶云江等人于2007年 [参见 基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的Φ-OTDR 光纤分布式传感*** [J]. 光学学报, 2007, 28(3): 569-572.]提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的Phase-OTDR 传感***，该传感***定位精度可达到50m，定位范围14km，信噪比为12dB。由于该传感***采用直接探测的方法，空间分辨率较低，也无法实现相位信息的定量测量。

周俊等人于2011年[参见 光频分复用相位敏感光时域反射计，发明专利，申请号：201210124995.3]提出了基于光频分复用和数字相干检测的Phase-OTDR技术，可以提取瑞利散射信号的振幅和相位信息，进而获得光纤沿线的扰动。该专利技术方案利用相位调制器产生多个频率分量进行复用测量，并使用了一个声光调制器进行移频和光脉冲生成，对于数据采集及信号后处理的采样率及数据并行处理硬件性能指标要求较高，采集卡的采样率需要高达500MHz以上，这对硬件电路的设计提出了十分苛刻的要求，不利于相位测量***的噪声抑制。

发明内容

本发明的目的在于进一步提升相位敏感型光时域反射仪的***性能指标，降低测量信号中的相位噪声。

本发明为达到发明目的所采用的技术方案是：

提供一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法，包括以下步骤：

激光器输出频率为ω+Δω的光信号，其中激光器产生的频率噪声为Δω；

将激光器输出的光信号分为两路光信号，将第一路光信号经过一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f1+Δf1，第二路光信号经过另一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f2+Δf2；

对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声Δω，生成频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)的参考信号；

第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光的频率为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，其与第二路光信号经过拍频后得到频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ的测量信号；

采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号ΔΦ。

本发明还提供了一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，包括：

激光器，输出光信号，该光信号中包含激光器产生的频率噪声；

分光器件，将激光其产生的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，其中第一路光信号注入传感光纤；

第一声光调制器，与分光器件连接，对第一路光信号进行声光调制；

第二声光调制器，与分光器件连接，对第二路光信号进行声光调制；

第一拍频电路，将经过第一声光调制器和第二声光调制器调制的信号进行拍频，生成参考信号，以消除激光器的频率噪声；

第二拍频电路，将传感光纤的背向散射光与第二路光信号进行拍频，得到测量信号；

多通道同步数据采集电路，与第一拍频电路和第二拍频电路连接，采集参考信号和测量信号；

数字信号并行计算单元，将多通道同步数据采集电路采集的数字信号进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。

本发明所述的反射仪中，该反射仪还包括数据显示及存储模块，将数字信号并行计算单元的待测信号进行显示和存储。

本发明所述的反射仪中，该反射仪还包括时序同步及控制电路，与多通道同步数据采集电路连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；第一声光调制器和第二声光调制器均通过射频信号驱动源驱动。

本发明还提供一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，包括窄线宽光纤激光器、光纤耦合分束器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、光电探测器、多通道同步数据采集卡；

所述窄线宽光纤激光器发出的光经所述的光纤耦合分束器分成两路光信号，其中一路光信号经过声光调制器，另一路光信号经过声光调制器，两路光信号经过声光调制后再通过光纤耦合分束器和光纤耦合分束器；

经过光纤耦合分束器的光又被各自分为两路，其中一路经由掺铒光纤放大器、光纤环形器注入到传感光纤，传感光纤的背向散射信号光通过光纤环形器的一个端口进入光纤耦合分束器的一端，与来自声光调制器并经过光纤耦合分束器的一路光汇合，共同作用于光电探测器，形成测量信号；

经过光纤耦合分束器和光纤耦合分束器的其他两路光信号经由光纤耦合分束器汇合共同作用于光电探测器；

多通道同步数据采集卡与所述光电探测器连接，对两者的电压信号进行采集；

该反射仪还包括数字信号并行计算单元和数据显示及存储模块，数字信号并行计算单元将多通道同步数据采集卡采集的数字信号进行滤波、特征提取和事件模式识别，最后将处理结果送到数据显示及存储模块。

本发明所述的反射仪中，该反射仪还包括时序同步及控制电路、射频信号驱动源和射频信号驱动源，时序同步及控制电路与多通道同步数据采集卡连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；射频信号驱动源驱动声光调制器，射频信号驱动源驱动声光调制器。

本发明产生的有益效果是：本发明采用两个声光调制器，通过引入参考信号进行共模抑制的方法降低了相位敏感型光时域反射仪中激光器频率噪声、声光调制器频率噪声对测量结果的影响。同时还降低了拍频信号的频率，从而缓解了对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求。进一步提高了相位敏感型光时域反射仪的信号振幅及相位测量精度，避免了过高采样率条件下导致的对***性能指标的苛刻限制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法的流程图；

图2是本发明实施例共模抑制过程中光信号频率的变化流程图；

图3是本发明一个实施例基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的结构示意图；

图4是本发明另一实施例基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法，通过采用两个声光调制器，并引入参考信号进行共模抑制的方法降低了相位敏感型光时域反射仪中激光器频率噪声、声光调制器相位噪声对测量结果的影响。如图1所示，本发明的基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法包括以下步骤：

S101、激光器输出频率为ω+Δω的光信号，其中激光器产生的频率噪声为Δω；

S102、将激光器输出的光信号分为两路光信号，将第一路光信号经过一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f1+Δf1，第二路光信号经过另一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f2+Δf2；

S103、对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声Δω，生成频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)的参考信号；

S104、第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光的频率为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，其与第二路光信号经过拍频后得到频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ的测量信号；

S105采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号ΔΦ。

具体地，如图2所示，激光器的输出光信号中包含有频率噪声，设其输出频率为ω+Δω，而声光调制器受射频驱动源驱动也存在频率噪声，设两个声光调制器的包含噪声的移频频率分别为f1+Δf1和f2+Δf2，经过声光调制器后光信号的频率分别变为ω+Δω+f1+Δf1和ω+Δω+f2+Δf2，其中两路光信号进行直接拍频，生成频率为(ω+Δω+f1+Δf1)-(ω+Δω+f2+Δf2)的信号，消除了激光器频率噪声Δω的影响，输入给采集卡的参考电信号频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)，该信号中包含了声光调制器的频率噪声(Δf1-Δf2)，若仅仅使用一个声光调制器，则无法消除声光调制器及射频驱动源所引入的频移噪声；

测量光信号在经过传感光纤后获得的背向散射光的频率及相位为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，经过拍频后获得的测量信号的频率相位信息为(ω+Δω+f1+Δf1ΔΦ)-(ω+Δω+f2+Δf2)，扣掉了激光器的频率噪声Δω影响后的测量信号为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ，该测量信号输入到采集卡后，由并行计算单元进行计算与参考信号(f1-f2)+(Δf1-Δf2)进行相位解调计算，通过相位解调算法对参考信号和测量信号进行相位比较，即进行如下运算：

[(f1-f2)+(Δf1-Δf2)]-[(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ]

然后就可以获得待测信号ΔΦ，通过该方法消除了声光调制器及射频驱动源所引入的表现形式为Δf1-Δf2的频率噪声，提高了待测信号的测量精度。

基于上述方法，本发明实施例基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，如图3所示，包括：

激光器301，输出光信号，该光信号中包含激光器产生的频率噪声；

分光器件302，将激光其产生的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，其中第一路光信号注入传感光纤；

第一声光调制器303，与分光器件302连接，对第一路光信号进行声光调制；

第二声光调制器304，与分光器件302连接，对第二路光信号进行声光调制；

第一拍频电路305，将经过第一声光调制器303和第二声光调制器304调制的信号进行拍频，生成参考信号，以消除激光器301的频率噪声；

第二拍频电路307，将传感光纤306的背向散射光与第二路光信号进行拍频，得到测量信号；

多通道同步数据采集电路308，与第一拍频电路和第二拍频电路连接，采集参考信号和测量信号；

数字信号并行计算单元309，将多通道同步数据采集电路308采集的数字信号进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。

该反射仪还包括数据显示及存储模块309，将数字信号并行计算单元308的待测信号进行显示和存储。

该反射仪还包括时序同步及控制电路，与多通道同步数据采集电路308连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；第一声光调制器303和第二声光调制器304均通过射频信号驱动源进行驱动。

本发明的另一实施例基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，如图4所示，包括窄线宽光纤激光器1、光纤耦合分束器2、5、6、10、12、声光调制器3、4、掺铒光纤放大器7、光纤环形器8、光电探测器11、13、多通道同步数据采集卡14、数字信号并行计算单元15和数据显示及存储模块16。

窄线宽光纤激光器1 发出的光经所述的光纤耦合分束器2分成两路光信号，其中一路光信号经过声光调制器3，另一路光信号经过声光调制器4，两路光信号经过声光调制器后在通过光纤耦合分束器5和光纤耦合分束器6，经过光纤耦合分束器的光又被各自分为两路，其中一路经由掺铒光纤放大器7、光纤环形器8注入到传感光纤9，光纤的背向散射信号光经过光纤环形器8 的第三端口连接到光纤耦合分束器12的一端，与来自声光调制器4，经过光纤耦合分束器6的一路光汇合，共同作用于光电探测器13，形成测量信号。经过光纤耦合分束器5和光纤耦合分束器6的其他两路光信号经由光纤耦合分束器10汇合共同作用于光电探测器11。

光电探测器11和光电探测器13形成的电压信号分别连接多通道同步数据采集卡14，然后将被采样后的数字信号并行计算单元15进行信号滤波、特征提取和事件模式识别，最后将处理结果送到数据显示及存储模块16。

本发明的一个实施例中，该反射仪还包括时序同步及控制电路17、射频信号驱动源18和射频信号驱动源19。

时序同步及控制电路17对射频信号驱动源19和多通道同步数据采集卡14进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；射频信号驱动源18驱动声光调制器4，射频信号驱动源19驱动声光调制器3。

该实施例中，窄线宽激光器作为光源，采用的光源可为DFB结构的单频光纤激光器，也可以采用其他类型的窄线宽、极小频率漂移的光纤激光器或者带有稳频机构的固体激光器。

本发明实施例中，光纤耦合分束器2采用1550nm波段单模光纤，端口2×2，分光比为1∶9。

声光调制器3用于将激光器输出的连续光调制成脉冲光，并移频。本发明实例中采用的声光调制器为ACOUSTIC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。

声光调制器4用于将激光器输出的连续光进行移频，降低拍频信号的频率；发明实例中采用的声光调制器为ACOUSTIC公司生产的声光调制器，需要选用和另一个声光调制器相同厂家相同批次的产品；

光纤耦合分束器5采用1550nm波段单模光纤，端口2×2，分光比为1∶7。

光纤耦合分束器6采用1550nm波段单模光纤，端口2×2，分光比为1∶1。

掺铒光纤放大器7采用商用的窄带低噪声EDFA模块。

光纤环形器8是一个三端口光纤环行器，其入射光和反射光从不同的端口进出。 

传感光纤9通信用1550nm单芯单模光纤，需要进行铠装保护。

光纤耦合分束器10采用1550nm波段单模光纤，端口2×2，分光比为1∶1。

光电探测器11是将光信号转换为电信号的高速探测器，本发明实例中采用的光电探测器是Thorlabs公司生产的探测器，可以实现高速光脉冲信号探测，当然也可以选用其他类型的高速光电探测器。

光纤耦合分束器12采用1550nm波段单模光纤，端口2×2，分光比为1∶1。

光电探测器13是将光信号转换为电信号的高速探测器，本发明实例中采用的光电探测器是Thorlabs公司生产的探测器，可以实现高速光脉冲信号探测，当然也可以选用其他类型的高速光电探测器。

多通道同步数据采集卡14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NI公司生产的数字化仪，也可以采用其他公司的高速采集卡。

并行计算单元15用来进行多探测点数据的滤波降噪及特征提取等同步运算，本实施例中采用的是NVIDIA公司的GPU。

数据显示及存储模块16用来进行数据的图形展示及数据备份存储，用户可以进行交互控制，本实施例中采用的是DELL公司的服务器。

时序同步及控制电路17用来对声光调制器、数据采集卡进行同步脉冲触发，实现数据同步采集，本实施例中采用的是基于FPGA技术开发的自研电路板。

射频信号驱动源18和射频信号驱动源19用于驱动声光调制器，跟声光调制器配套提供。

本发明采用两个声光调制器，通过引入参考信号进行共模抑制的方法降低了相位敏感型光时域反射仪中激光器频率噪声、声光调制器频率噪声对测量结果的影响；同时还降低了拍频信号的频率，从而缓解了对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求。进一步提高了相位敏感型光时域反射仪的信号振幅及相位测量精度，避免了过高采样率条件下导致的对***性能指标的苛刻限制。

本发明还提升了Phase-OTDR***的探测灵敏度水平，使得***能够尽量真实的还原外界环境扰动信息，便于后续信号处理及模式识别算法的开发，使之能够在更加复杂的环境下进行应用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

激光器输出频率为ω+Δω的光信号，其中激光器产生的频率噪声为Δω；

将激光器输出的光信号分为两路光信号，将第一路光信号经过一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f1+Δf1，第二路光信号经过另一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f2+Δf2；

对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声Δω，生成频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)的参考信号；

第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光的频率为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，其与第二路光信号经过拍频后得到频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ的测量信号；

采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号ΔΦ。

2.一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，其特征在于，包括：

激光器，输出光信号，该光信号中包含激光器产生的频率噪声；分光器件，将激光器产生的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，其中第一路光信号注入传感光纤；

第一声光调制器，与分光器件连接，对第一路光信号进行声光调制；

第二声光调制器，与分光器件连接，对第二路光信号进行声光调制；

第一拍频电路，将经过第一声光调制器和第二声光调制器调制的信号进行拍频，生成参考信号，以消除激光器的频率噪声；

第二拍频电路，将传感光纤的背向散射光与第二路光信号进行拍频，得到测量信号；

多通道同步数据采集电路，与第一拍频电路和第二拍频电路连接，采集参考信号和测量信号；

数字信号并行计算单元，将多通道同步数据采集电路采集的数字信号进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。

3.根据权利要求2所述的反射仪，其特征在于，该反射仪还包括数据显示及存储模块，将数字信号并行计算单元的待测信号进行显示和存储。

4.根据权利要求2所述的反射仪，其特征在于，该反射仪还包括时序同步及控制电路，与多通道同步数据采集电路连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；第一声光调制器和第二声光调制器均通过射频信号驱动源驱动。

5.一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，其特征在于，包括窄线宽光纤激光器（1）、光纤耦合分束器（2、5、6、10、12）、声光调制器（3、4）、掺铒光纤放大器（7）、光纤环形器（8）、光电探测器（11、13）、多通道同步数据采集卡（14）；

所述窄线宽光纤激光器(1) 发出的光经所述的光纤耦合分束器（2）分成两路光信号，其中一路光信号经过声光调制器（3），另一路光信号经过声光调制器（4），两路光信号经过声光调制后再通过光纤耦合分束器（5）和光纤耦合分束器（6）；

经过光纤耦合分束器的光又被各自分为两路，其中一路经由掺铒光纤放大器（7）、光纤环形器（8）注入到传感光纤（9），传感光纤（9）的背向散射信号光通过光纤环形器(8)的一个端口进入光纤耦合分束器（12）的一端，与来自声光调制器（4）并经过光纤耦合分束器（6）的一路光汇合，共同作用于光电探测器（13），形成测量信号；

经过光纤耦合分束器（5）和光纤耦合分束器（6）的其他两路光信号经由光纤耦合分束器（10）汇合共同作用于光电探测器（11）；

多通道同步数据采集卡（14）与所述光电探测器（11、13）连接，对两者的电压信号进行采集；

该反射仪还包括数字信号并行计算单元（15）和数据显示及存储模块（16），数字信号并行计算单元（15）将多通道同步数据采集卡（14）采集的数字信号进行滤波、特征提取和事件模式识别，最后将处理结果送到数据显示及存储模块（16）。

6.根据权利要求5所述的反射仪，其特征在于，该反射仪还包括时序同步及控制电路（17）、射频信号驱动源（18）和射频信号驱动源（19），时序同步及控制电路（17）与多通道同步数据采集卡（14）连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；射频信号驱动源（18）驱动声光调制器（4），射频信号驱动源（19）驱动声光调制器（3）。

Images