CN107389106A - 一种φ‑OTDR正交相位解调***及相位解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种φ‑OTDR正交相位解调***及相位解调方法，窄线宽激光器的激光经光纤耦合器分束，较大束作为传感光接入声光调制器，调制移频fc送入传感光纤，较小束作为参考光，与经环形器返回的传感光在2×2光纤耦合器进行外差相干后，再分为相等的两束信号光经平衡探测器转换为电信号，经带通滤波后由功分器分为两路，一路经过电可调延时芯片进行延时后，两路电信号分别在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，获取传感光信号的相位信息。本发明无需引入干涉仪，不会引入额外的环境噪声；也不需要复杂的高速数据采集和处理，***相对简单、价格便宜，更适合工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感***，具体涉基于平衡探测器和电延时的一种φ-OTDR(相位敏感光时域反射计)正交相位解调***及相位解调方法。
背景技术
相位敏感光时域反射计φ-OTDR是一种分布式光纤传感技术。同常规的光时域反射计OTDR相比，相同的是当光脉冲从光纤的一端注入，均通过探测器探测后向瑞利散射光。不同的是，Φ-OTDR中注入光纤一端的光是强相干的。因此φ-OTDR***的输出就是脉冲宽度范围内后向散射瑞利光相干涉的结果。当光纤线路受到外界干扰时，对应受干扰位置处光纤折射率将会发生变化，从而导致该位置处光相位的变化。通过测量输入脉冲与接收到信号的时间延迟即可判断干扰点的位置。此方法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。
较早的研究多为直接探测后向散射光的强度，无法获得散射光的相位信息，因此不能准确获得外界振动的波形特征和频率信息。所以φ-OTDR的相位解调技术就成为了研究热点，目前有主要的三种φ-OTDR相位解调方式；3×3耦合器解调法、相位产生载波(PGC)解调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，并且由此引入了额外的噪声。数字相干解调法需要复杂的高速数据采集和处理机构，所以价格昂贵，实现困难，且较难实现实时测量。
发明内容
本发明的目的是设计一种φ-OTDR正交相位解调***及相位解调方法，窄线宽激光器发出的强相干激光经光纤耦合器分成两束，较大的一束分作传感光，经调制移频fc后送入传感光纤，较小一束光作为参考光，与经环形器返回的传感光后向散射光在耦合器外差相干，再分为相等的两束信号光，经平衡探测器转换为电信号，经带通滤波后由1×2功分器分为两路，一路经过电可调延时芯片进行延时，两路电信号分别在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，进行微分交叉相乘相减(DCM)操作或进行反正切运算和解卷绕算法得到传感光信号的相位信息。
本发明所设计的一种φ-OTDR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，信号发生模块发出的频率为fc的正弦信号接入声光调制器；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，光纤耦合器将激光束分为两束，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或传感光缆连接。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，
2×2光纤耦合器内两束输入光外差相干后分为相等的两束信号光接入平衡探测器，平衡探测器转换所得的电信号进入中心频率为fc的带通滤波器进行滤波，然后接入1×2功分器，1×2功分器将滤波后的电信号分成两路，其中一路电信号接入一号电混频器，另一路电信号先接入电可调延时芯片延时1/4fc的时间，再接入二号电混频器，所述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，与两路电信号混频；
一号电混频器的输出经一号低通滤波器和一号模数转换模块接入控制中心，二号电混频器的输出经二号低通滤波器和二号模数转换模块接入控制中心；所述一号、二号电混频器的规格参数相同、一号、二号低通滤波器的规格参数相同，一号、二号模数转换模块规格参数相同。
所述光纤耦合器的分光比为(9:1)～(7:3)。
所述窄线宽激光器经连续光放大器和前置光纤滤波器再接入所述光纤耦合器。
所述声光调制器后接脉冲光放大器和后置光纤滤波器再接入环形器。
所述平衡探测器为PIN管或雪崩二极管。
所述平衡探测器后接放大电路进行放大后再接入所述带通滤波器。
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。
本发明设计的φ-OTDR正交相位解调***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，小部分光作为参考光经偏振控制器进行偏振控制，大部分光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，偏振控制后的参考光也接入2×2光纤耦合器，在2×2光纤耦合器内二者进行外差相干后分成相等的两束信号光，进入平衡探测器转换为电信号，经带通滤波后再由1×2功分器分为两路电信号，其中一路电信号接入一号电混频器，另一路电信号先接入电可调延时芯片延时1/4fc的时间，再接入二号电混频器，两路电信号分别在一号、二号混频器与信号发生模块发出的频率为fc的正弦信号混频，得到的两路正交的电信号分别通过一号、二号低通滤波器滤波、滤除外差频率信号以及其高次谐波分量，然后各经一号、二号模数模块转换成数字信号，送入控制中心获取传感光信号的相位信息。
所述控制中心获取传感光信号的相位信息的方法是将两束正交电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信息；或者是将两束正交电信号进行反正切运算，再通过相位解卷绕算法得到传感光信号的相位信息。
与现有技术相比，本发明一种φ-OTDR正交相位解调***及相位解调方法的优点为：1、无需引入一个干涉仪结构，不会引入额外的环境噪声，相干接收加平衡探测器接收的结构大大提高了传感光信号的信噪比达10dB以上，增加了探测距离；2、采用电延时的方式产生两路正交电信号，避免了直接接收在数字上相干所需要的百兆量级的数据采集和运算，***相对简单、易于实现，且降低了成本，更适合工程应用。
附图说明
图1为本φ-OTDR正交相位解调***实施例1的结构示意图；
图2为本φ-OTDR正交相位解调***实施例2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、环形器，5、平衡探测器，6、传感光纤/光缆，7、信号发生模块，8、一号电混频器，9、一号低通滤波器，10、一号模数转换模块，11、控制中心，12、二号模数转换模块，13、二号低通滤波器，14、二号电混频器，15、电可调延时芯片16、1×2功分器，17、带通滤波器，18、2×2光纤耦合器，19、偏振控制器，20、脉冲光放大器，21、后置光纤滤波器，22，放大电路。
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。
φ-OTDR正交相位解调***实施例1
本φ-OTDR正交相位解调***实施例1如图1所示，图内实线连线表示光路，虚线连接表示电路。波长为C波段的窄线宽激光器1接光纤耦合器2，本例光纤耦合器2的分光比为90:10。该光纤耦合器2将激光束分为两束，90％的光作为传感光接入声光调制器3，信号发生模块7发出的频率为fc的正弦信号接入声光调制器3；声光调制器3对传感光进行调制并移频fc后经环形器4接入传感光纤6。
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，传感光纤6散射回来的传感光信号经环形器4接入2×2光纤耦合器18另一个输入端。2×2光纤耦合器18对偏振控制后的参考光和散射返回的传感光信号进行外差相干后分成相等的两束信号光接入平衡探测器5，平衡探测器5转换所得的电信号进入中心频率为fc的带通滤波器17进行滤波，然后通过1×2功分器16将电信号分成两路，其中一路电信号接入一号电混频器8，另一路电信号先通过电可调延时芯片15延时1/4fc的时间，再接入二号电混频器14，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、14，与两路电信号混频，一号、二号电混频器8、14各经一号、二号低通滤波器9、13和一号、二号模数转换模块10、12转换成数字信号接入控制中心11，本例一号、二号电混频器8、14的规格参数相同、一号、二号低通滤波器9、13的规格参数相同，一号、二号模数转换模块10、12的规格参数相同。
本例控制中心11为计算机。
φ-OTDR正交相位解调***实施例2
本φ-OTDR正交相位解调***实施例2如图2所示，本例的窄线宽激光器1、光纤耦合器2、声光调制器3、信号发生模块7、环形器4、传感光纤6、偏振控制器19、2×2光纤耦合器18、平衡探测器5、带通滤波器17、1×2功分器16、一号电混频器8、一号低通滤波器9、一号模数转换模块10、电可调延时芯片15、二号电混频器14、二号低通滤波器13、二号模数转换模块12以及控制中心11及连接方式与实施例1相同，本例声光调制器3后接脉冲光放大器20和后置光纤滤波器21再接入环形器4。
本例中窄线宽激光器1后可连接连续光放大器和前置光纤滤波器再接入光纤耦合器2。
本例平衡探测器5为PIN管，其后接放大电路22进行放大后再接入带通滤波器17。
φ-OTDR正交相位解调***的相位解调方法实施例一
本φ-OTDR正交相位解调***的相位解调方法实施例一在上述φ-OTDR正交相位解调***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4进入传感光纤6，散射回来的传感光信号经环形器4接入2×2光纤耦合器18，偏振控制后的参考光也接入2×2光纤耦合器18，在2×2光纤耦合器18内二者进行外差相干后分成相等的两束信号光接入平衡探测器5，转换为电信号进入中心频率为fc的带通滤波器17进行滤波，然后通过1×2功分器16分成两路电信号，其中一路电信号接入一号电混频器8，另一路先接入电可调延时芯片15延时1/4fc的时间，再接入二号电混频器14，然后两路电信号分别进入一号、二号电混频器8、14，信号发生模块7发出的频率为fc的正弦信号分别接入两个电混频器8、14，与两路电信号混频，得到的两路正交的电信号分别通过一号、二号低通滤波器9、13和一号、二号模数转换模块10、12转换成数字信号接入控制中心11获取传感光信号的相位信息。
本例一号、二号电混频器8、14的规格参数相同、一号、二号低通滤波器9、13的规格参数相同，一号、二号模数转换模块10、12的规格参数相同。
本例传感光信号的信噪比至少提高了10dB以上。
本例控制中心11获取传感光信号相位信息的方法有两种，其一为将两束正交电信号进行微分交叉相乘相减操作，得到传感光信号的相位信息；另一为将两束正交电信号进行反正切运算，再通过相位解卷绕算法得到传感光信号的相位信息。
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 (9)
1.一种φ-OTDR正交相位解调***，包括激光光源，声光调制器和传感光纤依次经光纤连接，信号发生模块(7)发出的频率为fc的正弦信号接入声光调制器(3)；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)，该光纤耦合器(2)将激光束分为两束，大部分光经过声光调制器(3)进行调制并移频fc后经环形器(4)接入传感光纤(6)或传感光缆；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光纤耦合器一个输入端，传感光纤(6)或传感光缆散射回来的传感光信号经环形器(4)接入2×2光纤耦合器(18)另一个输入端，其特征在于：
所述2×2光纤耦合器对偏振控制后的参考光和散射返回的传感光信号进行外差相干后分成相等的两束信号光接入平衡探测器(5)，平衡探测器转换所得的电信号进入中心频率为fc的带通滤波器(17)进行滤波，然后通过1×2功分器(16)将电信号分成两路，其中一路电信号接入一号电混频器，另一路电信号先接入电可调延时芯片(15)延时1/4fc的时间，再接入二号电混频器，信号发生模块(7)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(8、14)，与两路电信号混频；一号电混频器(8)的输出经一号低通滤波器(9)和一号模数转换模块(10)接入控制中心，二号电混频器(14)的输出经二号低通滤波器(13)和二号模数转换模块(12)接入控制中心；所述一号、二号电混频器(8、14)的规格参数相同、所述一号、二号低通滤波器(9、13)的规格参数相同，所述一号、二号模数转换模块(10、12)的规格参数相同。
2.根据权利要求1所述的φ-OTDR正交相位解调***，其特征在于：
所述光纤耦合器(2)的分光比为(9:1)～(7:3)。
3.根据权利要求1所述的φ-OTDR正交相位解调***，其特征在于：
所述窄线宽激光器(1)接连续光放大器和前置光纤滤波器再接入所述光 纤耦合器(2)。
4.根据权利要求1所述的φ-OTDR正交相位解调***，其特征在于：
所述声光调制器(3)后接脉冲光放大器和后置光纤滤波器再接入所述环形器(4)。
5.根据权利要求1所述的φ-OTDR正交相位解调***，其特征在于：
所述平衡探测器(5)为PIN管或雪崩二极管。
6.根据权利要求1所述的φ-OTDR正交相位解调***，其特征在于：
所述平衡探测器(5)后接放大电路进行放大后再接入所述带通滤波器(17)。
7.根据权利要求1所述的φ-OTDR正交相位解调***，其特征在于：
所述控制中心(11)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至7中任一项所述的φ-OTDR正交相位解调***的相位解调方法，其特征在于：
所述窄线宽激光器(1)发出的激光束由光纤耦合器(2)分成两部分，小部分光作为参考光经偏振控制器(19)进行偏振控制，大部分光经过声光调制器(3)进行调制并移频fc后经环形器(4)进入传感光纤(6)，散射回来的传感光信号经环形器(4)接入2×2光纤耦合器(18)，偏振控制后的参考光也接入2×2光纤耦合器(18)，在2×2光纤耦合器(18)内二者进行外差相干后分成相等的两束信号光进入平衡探测器(5)转换为电信号，进入中心频率为fc的带通滤波器(17)进行滤波，然后通过1×2功分器(16)分成两路电信号，其中一路电信号接入一号电混频器(8)，另一路先接入电可调延时芯片(15)延时1/4fc的时间，再接入二号电混频器(14)，信号发生模块(7)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(8、 14)，两路电信号分别在一号、二号混频器(8、14)与信号发生模块(15)发出的频率为fc的正弦信号混频，得到的两路正交的电信号分别通过一号、二号低通滤波器(9、13)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、二号模数模块(10、12)转换成数字信号，送入控制中心获取传感光信号的相位信息。
9.根据权利要求8所述的φ-OTDR正交相位解调***的相位解调方法，其特征在于：
所述控制中心获取传感光信号的相位信息的方法是将两束正交电信号进行微分交叉相乘相减操作，得到传感光信号的相位信息；或者是将两束正交电信号进行反正切运算，再通过相位解卷绕算法得到传感光信号的相位信息。
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