CN110231085A - 相位调制型光时域反射仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相位调制型光时域反射仪，包括Φ‑OTDR主机和单模光纤，所述Φ‑OTDR主机由Φ‑OTDR解调模块、光纤拉曼激光器、双向等功率拉曼分光模块、隔离器、光分路器和光开关构成。将Φ‑OTDR解调模块通过光开关与多个双向等功率拉曼分光模块连接，扩大了扰动检测范围、实现多通道测量；通过一阶或二阶双向等功率拉曼放大技术改善了测试光纤中探测脉冲光分布的均匀度、提高信噪比；将光纤拉曼激光器、隔离器与分路器相连接来为多个双向等功率拉曼分光模块提供泵浦源提高了仪器集成度、降低成本。该发明方法有助于Φ‑OTDR技术广泛应用于铁路线路监控、电力***线缆监测、油气管道非法开挖检测、重要设施周界安防和矿难救援定位等振动检测方案中。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种相位调制型光时域反射仪。
背景技术
相位调制型光时域反射仪（φ-OTDR）基于后向瑞利散射光的干涉作用，当单模光纤沿线某处发生扰动时，由于弹光原理该处的纤芯折射率会发生改变从而促成光相位调制，最终影响后向瑞利散射光的干涉现象即光强的大小，通过注入脉冲光并探测后向瑞利散射光强就可以定位外界的振动。它的多通道分布式测量范围、信噪比和空间分辨率均优于其他的传感测量技术使之广泛应用于铁路线路监控、电力***线缆监测、油气管道非法开挖检测、重要设施周界安防、城市管网智能监控和矿难救援定位等振动检测方案中。
传统的φ-OTDR设备测量范围的扩大是通过延长测量距离来实现的，而延长测量距离的解决方案一般基于增强测试脉冲光在光纤中的功率、采用光放大技术。而通常采用的基于EDFA集中放大式φ-OTDR的探测脉冲光随光纤距离的增加而减弱，是通过提高泵浦功率增强掺铒光纤的光放大作用来提升入纤脉冲光功率，但会造成光纤前端功率远大于后端随之引出以下三个设计缺陷：光纤前端容易发生非线性效应，若入纤功率大于受激布里渊阈值会引发受激布里渊散射作用；光功率在光纤中分布不均匀则前端信噪比高于后端造成仪器误报率升高；增强影响性能的自发辐射噪声。
所以如何扩大相位调制型光时域反射仪的测量范围，进一步改善测试光纤中探测脉冲光分布的均匀度、提高信噪比，提高相位调制型光时域反射仪性能开发利用程度、降低成本，依旧是一个亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种相位调制型光时域反射仪，其能扩大扰动检测范围、实现多通道测量，提高φ-OTDR的性能开发利用程度，改善测试光纤中探测脉冲光分布的均匀度、提高信噪比，实现真正意义上的全分布式大范围振动定位和测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
相位调制型光时域反射仪包括Φ-OTDR主机和单模光纤，所述Φ-OTDR主机由Φ-OTDR解调模块、光纤拉曼激光器、双向等功率拉曼分光模块、隔离器、光分路器和光开关构成。
进一步所述Φ-OTDR解调模块由窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、波形发生器、数据采集模块、光电探测器、带通滤波器、环形器和上位机构成。
进一步所述双向等功率拉曼分光模块分为一阶双向等功率拉曼分光模块和二阶双向等功率拉曼分光模块。
进一步所述一阶双向等功率拉曼分光模块由50/50耦合器和波分复用器构成，所述二阶双向等功率拉曼分光模块由50/50耦合器、波分复用器和光纤布拉格光栅构成。
进一步所述二阶双向等功率拉曼分光模块中的光纤布拉格光栅与波分复用器的光出射端相连接。
进一步单模光纤的首端和尾端分别与双向等功率拉曼分光模块的两个光出射端相连接，构成环形腔。
进一步Φ-OTDR解调模块连接光开关的光入射端，光开关的光出射端连接双向等功率拉曼分光模块中波分复用器的光入射端。
进一步光纤拉曼激光器、隔离器和光分路器的光入射端依次相连接，光分路器的光出射端和双向等功率拉曼放大模块中50/50耦合器的光入射端相连接，实现多通道测量。
本发明的有益效果：将Φ-OTDR解调模块通过光开关与多个双向等功率拉曼分光模块连接，扩大了扰动检测范围、实现多通道测量，提高φ-OTDR的性能开发利用程度；通过一阶或二阶双向等功率拉曼放大技术改善了测试光纤中探测脉冲光分布的均匀度、提高信噪比；将光纤拉曼激光器、隔离器与分路器相连接来为多个双向等功率拉曼分光模块提供泵浦源提高了仪器集成度、降低成本。该发明方法有助于Φ-OTDR技术广泛应用于铁路线路监控、电力***线缆监测、油气管道非法开挖检测、重要设施周界安防、城市管网智能监控和矿难救援定位等振动检测方案中。
附图说明
图1为基于一阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪结构图；
图2为基于二阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
作为本发明的实施例一，基于一阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪如附图1所示，由Φ-OTDR解调模块16、1*N光开关5、一阶双向等功率拉曼分光模块14、单模光纤15、1*N分路器11、隔离器12和光纤拉曼激光器13组成。所述Φ-OTDR解调模块16由窄线宽激光器1、声光调制器2、掺铒光纤放大器3、环形器4、波形发生器6、上位机7、数据采集模块8、光电探测器9和1550nm带通滤波器10组成。所述一阶双向等功率拉曼分光模块14由50/50耦合器19、1455nm/1550nm1*2波分复用器17和18和隔离器20组成。其中Φ-OTDR解调模块16的光出射端连接1*N光开关5的光入射端，1*N光开关5的N个光出射端分别连接N个一阶双向等功率拉曼分光模块14中1455nm/1550nm 1*2波分复用器17的光入射端，单模光纤15的首端和尾端分别与一阶双向等功率拉曼分光模块14的两个光出射端相连接、构成环形腔，光纤拉曼激光器13、隔离器12和1*N光分路器11的光入射端依次相连接，1*N光分路器11的N个光出射端和一阶双向等功率拉曼放大模块14中50/50耦合器19的光入射端相连接，实现多通道测量。
所述窄线宽激光器1输出1550nm的连续光到声光调制器2中被调制成脉冲光，声光调制器2由波形发生器6驱动；脉冲光经过掺铒光纤放大器3集中式光放大后通过环形器4的21端口耦合进1*N光开关5的光入射端，然后脉冲光被耦合进一阶双向等功率拉曼分光模块14中1455nm/1550nm 1*2波分复用器17的光入射端；光纤拉曼激光器13输出波长为1455nm的泵浦光首先经隔离器12保护（防止反射光损坏光纤拉曼激光器13）后，通过50/50耦合器19分为双向等功率的两路，然后这两路光分别经1455nm/1550nm 1*2波分复用器17和18耦合进单模光纤15。从单模光纤15传输回来的后向瑞利散射光经环形器4的22端口入射、23端口出射后经过1550nm带通滤波器10消除多余的1455nm一阶斯托克斯光和1455nm后向瑞利散射光后进入光电探测器9。数据采集模块8采集光电探测器9的输出电信号并送入上位机7中完成数据处理、根据脉冲光探测曲线随空间的变化对外界扰动进行定位和测量，其中波形发生器6同步触发数据采集模块8采集信号，隔离器20的作用是防止端面反射。
所述光纤拉曼激光器13输出波长为1455nm的泵浦光，当泵浦光功率超过受激拉曼散射阈值时会产生1455nm的一阶斯托克斯光；单模光纤15中同时存在1550nm脉冲光和1455nm一阶斯托克斯光，而两种光的频率差位于拉曼增益谱的增益带宽内所以脉冲光就会由于拉曼增益而被分布式放大。
基于一阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪在单模光纤15中可以获得较为平坦的信号增益效果，其中在光纤拉曼激光器13输出的泵浦光功率固定情况下若改变窄线宽激光器1的输出连续光功率，入纤光功率过强会削弱单模光纤15后端的后向瑞利散射光干涉强度、降低传感距离；而在窄线宽激光器1的输出连续光功率固定情况下若改变光纤拉曼激光器13输出的泵浦光功率，泵浦光功率过低无法放大光纤后端的信号光，泵浦光功率过高则会使得后端后向瑞利散射光干涉信号的信噪比降低，所以需要同时改变优化窄线宽激光器1的输出连续光功率和光纤拉曼激光器13输出的泵浦光功率，使仪器工作在最佳状态。
作为本发明的实施例二，基于二阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪如附图2所示，由Φ-OTDR解调模块16、1*N光开关5、二阶双向等功率拉曼分光模块14、单模光纤15、1*N分路器11、隔离器12和光纤拉曼激光器13组成。所述Φ-OTDR解调模块16由窄线宽激光器1、声光调制器2、掺铒光纤放大器3、环形器4、波形发生器6、上位机7、数据采集模块8、光电探测器9和1550nm带通滤波器10组成。所述二阶双向等功率拉曼分光模块14由50/50耦合器19、1366nm/1550nm 1*2波分复用器17和18、隔离器20和两个光纤布拉格光栅24组成。其中Φ-OTDR解调模块16的光出射端连接1*N光开关5的光入射端，1*N光开关5的N个光出射端分别连接N个二阶双向等功率拉曼分光模块14中1366nm/1550nm 1*2波分复用器17的光入射端，单模光纤15的首端和尾端分别与二阶双向等功率拉曼分光模块14的两个光出射端相连接、构成环形腔，光纤拉曼激光器13、隔离器12和1*N光分路器11的光入射端依次相连接，1*N光分路器11的N个光出射端和二阶双向等功率拉曼放大模块14中50/50耦合器19的光入射端相连接，实现多通道测量。
所述窄线宽激光器1输出1550nm的连续光到声光调制器2中被调制成脉冲光，声光调制器2由波形发生器6驱动；脉冲光经过掺铒光纤放大器3集中式光放大后通过环形器4的21端口耦合进1*N光开关5的光入射端，然后脉冲光被耦合进二阶双向等功率拉曼分光模块14中1366nm/1550nm 1*2波分复用器17的光入射端；光纤拉曼激光器13输出波长为1366nm的泵浦光首先经隔离器12保护（防止反射光损坏光纤拉曼激光器13）后，通过50/50耦合器19分为双向等功率的两路，然后这两路光分别经1366nm/1550nm 1*2波分复用器17与18和光纤布拉格光栅对24耦合进单模光纤15。从单模光纤15传输回来的后向瑞利散射光经环形器4的22端口入射、23端口出射后经过1550nm带通滤波器10消除多余的1366nm泵浦光、1455nm二阶斯托克斯光和1455nm后向瑞利散射光后进入光电探测器9。数据采集模块8采集光电探测器9的输出电信号并送入上位机7中完成数据处理、根据脉冲光探测曲线随空间的变化对外界扰动进行定位和测量，其中波形发生器6同步触发数据采集模块8采集信号，隔离器20的作用是防止端面反射。
所述光纤拉曼激光器13输出波长为1366nm的泵浦光，当泵浦光功率超过受激拉曼散射阈值时会产生1455nm的一阶斯托克斯光；光纤布拉格光栅对24中心反射波长1455nm，分别熔接在1366nm/1550nm 1*2波分复用器17与18的光出射端，而单模光纤15的首端和尾端又分别与二阶双向等功率拉曼分光模块14的两个光出射端相连接，这样就形成了一个分布式环形激光谐振腔，用来激射1455nm二阶斯托克斯光。单模光纤15中同时存在1550nm脉冲光和1455nm二阶斯托克斯光，而两种光的频率差位于拉曼增益谱的增益带宽内所以脉冲光就会由于拉曼增益而被分布式放大。
基于二阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪在单模光纤15中可以获得比一阶双向等功率拉曼放大的多通道相位调制型光时域反射仪更为平坦的信号增益效果且信号强度更大，其中在光纤拉曼激光器13输出的泵浦光功率固定情况下若改变窄线宽激光器1的输出连续光功率，入纤光功率过强会削弱单模光纤15后端的后向瑞利散射光干涉强度、降低传感距离；而在窄线宽激光器1的输出连续光功率固定情况下若改变光纤拉曼激光器13输出的泵浦光功率，泵浦光功率过低无法放大光纤后端的信号光，泵浦光功率过高则会使得后端后向瑞利散射光干涉信号的信噪比降低，所以需要同时改变优化窄线宽激光器1的输出连续光功率和光纤拉曼激光器13输出的泵浦光功率，使仪器工作在最佳状态。
Claims (8)
1.相位调制型光时域反射仪包括Φ-OTDR主机和单模光纤，其特征在于：所述Φ-OTDR主机由Φ-OTDR解调模块、光纤拉曼激光器、双向等功率拉曼分光模块、隔离器、光分路器和光开关构成。
2.根据权利要求1所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：所述Φ-OTDR解调模块由窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、波形发生器、数据采集模块、光电探测器、带通滤波器、环形器和上位机构成。
3.根据权利要求2所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：所述双向等功率拉曼分光模块分为一阶双向等功率拉曼分光模块和二阶双向等功率拉曼分光模块。
4.根据权利要求3所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：所述一阶双向等功率拉曼分光模块由50/50耦合器和波分复用器构成，所述二阶双向等功率拉曼分光模块由50/50耦合器、波分复用器和光纤布拉格光栅构成。
5.根据权利要求4所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：所述二阶双向等功率拉曼分光模块中的光纤布拉格光栅与波分复用器的光出射端相连接。
6.根据权利要求5所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：单模光纤的首端和尾端分别与双向等功率拉曼分光模块的两个光出射端相连接，构成环形腔。
7.根据权利要求6所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：Φ-OTDR解调模块连接光开关的光入射端，光开关的光出射端连接双向等功率拉曼分光模块中波分复用器的光入射端。
8.根据权利要求7所述的相位调制型光时域反射仪，其特征在于：光纤拉曼激光器、隔离器和光分路器的光入射端依次相连接，光分路器的光出射端和双向等功率拉曼放大模块中50/50耦合器的光入射端相连接，实现多通道测量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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