CN106500742A - 一种相位敏感光时域反射计相位解调***和相位解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种相位敏感光时域反射计相位解调***和相位解调方法，窄线宽激光器接光纤耦合器，大部为传感光接入声光调制器调制移频后经环形器接传感光纤。小部分光作为参考光接入偏振控制器，与环形器一起接入2×2光纤耦合器分为两束信号光，一束先接光纤延时线，两束各经光电转换模块得电信号在电混频器与fc信号混频，再各经低通滤波器和模数转换模块接入控制中心。本方法传感光和参考光外差相干后分成两束信号光，经光电转化、与fc信号混频、滤波、模数转换送入控制中心对两束正交的参考光操作得到传感光信号的相位解调。本发明消除了额外电子噪声与环境温度的相位漂移，信噪比及稳定性好，增加探测距离，能同时解调出信号光相位变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感***，具体涉及一种相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)相位解调***和相位解调方法。
背景技术
光时域反射计OTDR(英文名称：optical time-domain reflect meter)根据光的后向散射与菲涅耳反向原理制作，利用光在光纤中传播时产生的后向散射光来获取衰减的信息，可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等，是光缆施工、维护及监测中必不可少的工具。一般光时域反射计是基于光纤折射率的测量，在光纤通信中已经广泛应用于探测光纤线路的损耗、熔接点和接通的损耗和弯折点，但由于测量时间较长只能测量静态的事件。
相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)技术可以快速探测到入侵行为的位置和类型，问世以来就被广泛关注.φ-OTDR可以应用于边境、油气管道、油井测井、交通监测及重点区域入侵监测等多个领域。
目前有两种φ-OTDR的光信号探测结构，一种是用高灵敏度的探测器直接探测后向瑞利散射光的强度信号，虽然结构简单但探测距离有限。另一种是利用本地光与后向瑞利散射光相干的相干探测结构，可以同时解调出强度信号和相位信号，并大大提高传感信号的信噪比，延长探测距离。目前有三种φ-OTDR相干探测的光信号解调方式；3×3耦合器解调法、光零差法和数字相干解调法。前两种需要引入一个干涉仪结构，容易受到环境的影响，并由此引入额外的噪声。数字相干解调法需要大量高速的数据接收和处理，所以价格昂贵，实现困难。
发明内容
本发明的目的是设计一种相位敏感光时域反射计相位解调***和相位解调方法，光纤耦合器将激光束较大的一束分作传感光，调制移频fc送入传感光纤，较小一束光作为参考光，与经环形器返回的传感光在耦合器耦合，再分为相等的两束信号光，其中一束延时，之后两束经过相同的光电转换模块，转换为电信号，分别混频器与信号发生模块发出的频率为fc的正弦信号混频，再各经低通滤波器和模数转换模块送入控制中心，得到传感光信号的相位解调结果。
本发明所设计的一种相位敏感光时域反射计相位解调***包括激光光源，声光调制器和传感光纤依次经光纤连接，信号驱动器经信号线连接声光调制器；本发明的激光光源为窄线宽激光器，窄线宽激光器接光纤耦合器，光纤耦合器的分光比为(9:1)～(7:3),大部分光为传感光接入声光调制器，声光调制器对其进行调制并移频fc后经环形器和传感光纤连接。光纤耦合器将小部分光作为参考光接入偏振控制器，偏振控制器的输出端接2×2光纤耦合器一个输入端，环形器的另一端接入2×2光纤耦合器另一个输入端，耦合后的光分为两束信号光，其中一束光先接光纤延时线，两束光分别接入一号、二号光电转换模块，转换的电信号分别进入混频器，信号发生模块发出的频率为fc的正弦信号也分别接入一号、二号电混频器，与两束信号光转换的电信号混频，再各经一号、二号低通滤波器和一号、二号模数转换模块接入控制中心。所述两束信号光的一号、二号光电转换模块、一号、二号电混频器、一号、二号低通滤波器和一号、二号模数转换模块规格参数相同。
所述窄线宽激光器接光放大器和光纤滤波器再接入光纤耦合器。
所述声光调制器后接光放大器和光纤滤波器再接入环形器。
所述的声光调制器换为移频器和电光调制器，光纤耦合器分光的大部分作为传感光接入移频器，信号驱动器接入电光调制器，移频器连接电光调制器，电光调制器连接环形器。
所述的声光调制器换为电光调制器，光纤耦合器分光的大部分作为传感光接入电光调制器，，电光调制器连接环形器；光纤耦合器分光的小部分接移频器再接偏振控制器。
所述光纤延时线可换用一段长L的光纤代替，L＝(c×π)/(2n×fc)，式中c为真空中的光速，n为光纤的折射率。
所述一号、二号光电转换模块为PIN管或雪崩二极管。
所述控制中心为计算机，数字信号处理器，现场可编程门阵列(FPGA)和工控机中的任一种。
采用本发明设计的相位敏感光时域反射计相位解调***的相位解调方法如下：窄线宽激光器发出的激光束由光纤耦合器分成两部分，小部分光作为本地参考光经偏振控制器进行偏振控制，大部分经过声光调制器进行调制并移频fc后经环形器进入传感光纤，散射回来的传感光信号经环形器接入2×2光纤耦合器，偏振控制后的本地参考光也接入2×2光纤耦合器，二者进行外差相干后分成两束信号光，一束经光纤延时线延时后，两束信号光的相位相差π/2形成正交。两束信号光各经光电转换模块进行光电转化，得到的电信号分别通过电混频器与信号发生模块发出的频率为fc的正弦信号进行混频，得到的电信号分别通过低通滤波器滤波、滤除外差频率信号以及其高次谐波分量，然后各经模数模块转换成数字信号，送入控制中心，控制中心接收两束正交的信号光的转换信号进行微分交叉相乘相减(DCM)操作，得到传感光信号的相位解调。
与现有技术相比，本发明的相位敏感光时域反射计的相位解调***和相位解调方法的优点为：消除了电子移相元件所带来的额外电子噪声与环境温度变化引起的相位漂移，使位敏感光时域反射计(φ-OTDR)***具有更好的信噪比及稳定性，增加探测距离，并能同时解调出信号光的相位变化。
附图说明
图1为本相位敏感光时域反射计相位解调***实施例1的结构示意图；
图2为本相位敏感光时域反射计相位解调***实施例2的结构示意图；
图3为本相位敏感光时域反射计相位解调***实施例3的结构示意图。
图内标号为：
1、窄线宽激光器，2、光纤耦合器,3、声光调制器，4、信号驱动器，5、环形器，6、一号光电转换模块，7、信号发生模块，8、一号电混频器，9、传感光纤/光缆，10、一号低通滤波器11、一号模数转换模块，12、控制中心，13、二号模数转换模块，14、二号低通滤波器，15、二号电混频器，16、二号光电转换模块，17、光纤延时线，18、2×2光纤耦合器，19、偏振控制器，20、电光调制器，21、移频器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
本相位敏感光时域反射计相位解调***实施例1
本相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)相位解调***实施例1如图1所示，波长为C波段的窄线宽激光器1接光纤耦合器2，光纤耦合器2的分光比为
90:10。90％的光作为传感光接入声光调制器3，信号驱动器4连接声光调制器3，声光调制器3对接入的传感光进行调制并移频fc后经环形器5和传感光纤9连接。
光纤耦合器2将10％的光作为参考光接入偏振控制器19，偏振控制器19的输出端接2×2光纤耦合器18一个输入端，环形器5的另一端接入2×2光纤耦合器18另一个输入端，耦合后的光分为两束信号光，其中一束光先接光纤延时线17，两束光各接入一号、二号光电转换模块6、16，转换的电信号分别进入一号、二号电混频器8、15，信号发生模块7发出的频率为fc的正弦信号也分别接入两个电混频器8、15，与两束信号光转换的电信号混频，再各经一号、二号低通滤波器10、14和一号、二号模数转换模块11、13接入控制中心12；所述两束信号光的一号、二号光电转换模块6、16、一号、二号电混频器8、15、一号、二号低通滤波器10、14和一号、二号模数转换模块11、13的规格参数相同。
本例中窄线宽激光器1后可连接光放大器和光纤滤波器再接入光纤耦合器2。
本例声光调制器3后可接光放大器和光纤滤波器再接入环形器5。
本例光纤延时线17可换为一段长L的光纤，L＝(c×π)/(2n×fc)，式中c为真空中的光速，n为光纤的折射率。
本例一号、二号光电转换模块6、19为PIN管、或雪崩二极管。
本例控制中心12为计算机，数字信号处理器，现场可编程门阵列和工控机中的任一种。
相位敏感光时域反射计相位解调***实施例2
本相位敏感光时域反射计相位解调***实施例2如图2所示，与上述相位解调***实施例2结构相似，但实施例1中的声光调制器3换为移频器21和电光调制器20，信号驱动器4接入电光调制器20，光纤耦合器2分光的90％作为传感光接入移频器21，移频器21连接电光调制器20，电光调制器20连接环形器5。相位敏感光时域反射计相位解调***实施例3
本相位敏感光时域反射计相位解调***实施例3如图3所示，与上述相位解调***实施例1结构相似，但实施例1中的声光调制器3换为电光调制器20，光纤耦合器2分光的90％作为传感光接入电光调制器20，再连接环形器5；光纤耦合器2分光的10％作为传感光接入移频器21，再接偏振控制器19。
相位敏感光时域反射计相位解调***的相位解调方法实施例1
本相位解调方法实施例1在上述相位敏感光时域反射计相位解调***实施例1上进行。
窄线宽激光器1发出的激光束由光纤耦合器2分成两部分，小部分光作为本地参考光经偏振控制器19进行偏振控制，大部分经过声光调制器3进行调制并移频fc后经环形器5进入传感光纤9，散射回来的传感光信号经环形器5接入2×2光纤耦合器18，偏振控制后的本地参考光也接入2×2光纤耦合器18，二者进行外差相干后分成两束信号光，一束经光纤延时线17延时后，两束信号光的相位相差π/2形成正交；两束信号各经一号、二号光电转换模块6、16进行光电转化，得到的电信号分别通过一号、二号电混频器8、15与信号发生模块7发出的频率为fc的正弦信号进行混频，得到的电信号分别通过一号、二号低通滤波器10、14滤波、滤除外差频率信号以及其高次谐波分量，然后各经一号、二号模数转换模块11、13转换成数字信号，送入控制中心12，控制中心12接收两束正交的信号信号进行微分交叉相乘相减操作，得到传感光信号的相位解调。
相位敏感光时域反射计相位解调***的相位解调方法实施例2
本相位解调方法实施例2在上述相位敏感光时域反射计相位解调***实施例2上进行。本实施例2与上述相位解调方法实施例1相似，只是传感光的先在移频器21上完成移频fc，再进入电光调制器20完成信号调制。
相位敏感光时域反射计相位解调***的相位解调方法实施例3
本相位解调方法实施例3在上述相位敏感光时域反射计相位解调***实施例3上进行。本实施例3与上述相位解调方法实施例1相似，但传感光不进行移频，只是在电光调制器20完成调制。参考光则先在移频器21上完成移频fc，再进入偏振控制器19之后的处理。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种相位敏感光时域反射计相位解调***，包括激光光源，声光调制器和传感光纤依次经光纤连接，信号驱动器经信号线连接声光调制器；其特征在于：
所述激光光源为窄线宽激光器(1)，窄线宽激光器(1)接光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)的分光比为(9:1)～(7:3),大部分光作为传感光接入声光调制器(3)，声光调制器(3)对其进行调制并移频fc后经环形器(5)和传感光纤(9)连接；光纤耦合器(2)将小部分光作为参考光接入偏振控制器(19)，偏振控制器(19)的输出端接2×2光纤耦合器(18)一个输入端，环形器(5)的另一端接入2×2光纤耦合器(18)另一个输入端，耦合后的光分为两束信号光，其中一束光先接光纤延时线(17)，两束光各接入一号、二号光电转换模块(6、16)，转换的电信号分别进入一号、二号电混频器(8、15)，信号发生模块(7)发出的频率为fc的正弦信号也分别接入两个电混频器(8、15)，与两束信号光转换的电信号混频，再各经一号、二号低通滤波器(10、14)和一号、二号模数转换模块(11、13)接入控制中心(12)；所述两束信号光的一号、二号光电转换模块(6、16)、一号、二号电混频器(8、15)、一号、二号低通滤波器(10、14)和一号、二号模数转换模块(11、13)的规格参数相同。
2.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述窄线宽激光器(1)接光放大器和光纤滤波器再接入光纤耦合器(2)。
3.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述声光调制器(3)后接光放大器和光纤滤波器再接入环形器(5)。
4.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述的声光调制器(3)换为换为移频器(21)和电光调制器(20)，光纤耦合器(2)分光的大部分作为传感光接入移频器(21)，信号驱动器(4)接入电光调制器(20)，移频器(21)连接电光调制器(20)，电光调制器(20)连接环形器(5)。
5.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述光纤延时线(17)换为一段长L的光纤，L＝(c×π)/(2n×fc)，式中c为真空中的光速，n为光纤的折射率。
6.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述一号、二号光电转换模块(6、19)为PIN管、或雪崩二极管。
7.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述控制中心(12)为计算机，数字信号处理器，现场可编程门阵列和工控机中的任一种。
8.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计相位解调***，其特征在于：
所述的声光调制器(3)换为电光调制器(20)，信号驱动器(4)接入电光调制器(20)，电光调制器(20)连接环形器(5)；光纤耦合器(2)分光的大部分作为传感光接入电光调制器(20)，光纤耦合器(2)分光的小部分接移频器(21)再接偏振控制器(19)。
9.采用权利要求1至7中任一项所述的相位敏感光时域反射计相位解调***的相位解调方法，其特征在于：
窄线宽激光器(1)发出的激光束由光纤耦合器(2)分成两部分，小部分光作为本地参考光经偏振控制器(19)进行偏振控制，大部分经过声光调制器(3)进行调制并移频fc后经环形器(5)进入传感光纤(9)，散射回来的传感光信号经环形器(5)接入2×2光纤耦合器(18)，偏振控制后的本地参考光也接入2×2光纤耦合器(18)，二者进行外差相干后分成两束信号光，一束经光纤延时线(17)延时后，两束信号光的相位相差π/2形成正交；两束信号光各经一号、二号光电转换模块(6、16)进行光电转化，得到的电信号分别通过一号、二号电混频器(8、15)与信号发生模块(7)发出的频率为fc的正弦信号进行混频，得到的电信号分别通过一号、二号低通滤波器(10、14)滤波、滤除外差频率信号以及其高次谐波分量，然后各经一号、二号模数转换模块(11、13)转换成数字信号，送入控制中心(12)，控制中心(12)接收两束正交的信号光的转换信号进行微分交叉相乘相减操作，得到传感光信号的相位解调。
10.根据权利要求9所述的相位敏感光时域反射计相位解调***的相位解调方法，其特征在于：
所述的声光调制器(3)换为电光调制器(20)，在光纤耦合器(2)分出的参考光路上接移频器(21)再接偏振控制器(19)；
光纤耦合器(2)分出的小部分光作为本地参考光先经移频器(21)移频fc后进入偏振控制器(19)进行偏振控制，光纤耦合器(2)分出的大部分光经过电光调制器(20)进行调制后经环形器(5)进入传感光纤(9)，散射回来的传感光信号经环形器(5)接入2×2光纤耦合器(18)。
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