CN115839762A - 基于ofdr原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，包括窄线宽激光光源和待测干涉仪，本发明还包括辅助干涉仪和相位噪声解调与消除机构，窄线宽激光光源包括NLL激光器和第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的的第一输出通道和第二输出通道分别与待测干涉仪和辅助干涉仪相连，待测干涉仪和辅助干涉仪均与相位噪声解调与消除机构相连。本发明采用上述结构的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，利用两个同源脉冲进行瑞利散射探测，配合辅助干涉仪进行混频，实现相位噪声的消除，突破相干长度对量程的限制，实现长量程、频率响应高的振动信号检测，且光路中仅需做两次混频，解调算法简单，相位校正速度快。

Description

基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置及检测 方法

技术领域

本发明涉及一种振动测量技术，尤其涉及一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置及检测方法。

背景技术

分布式光纤传感***相对于传统传感***而言，由于具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量精度较高、能够实现多点检测等优点，被广泛应用于光纤线路范围内的振动检测方面。

目前，分布式光纤传感技术主要存在的几个发展方向包括：相位敏感型光时域反射技术(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry,

-OTDR)、啁啾脉冲光学时域反射技术(Chirped-pulse Optical Time Domain Reflectometry,CP-OTDR)和时间门控光学频域反射技术(Time-gated Digital Optical Time Domain Reflectometry,TGD-OFDR)。

其中，

-OTDR技术的基本原理是利用高度相干的光脉冲注入到待测器件中，然后由光探测器检测待测器件中产生的背向瑞利散射信号，这一基本原理最早在1993年由Taylor提出，但后来为了提高/>

-OTDR***的信噪比和探测距离，将相干技术引入***中，最后把瑞利散射的相位信息以干涉强度的方式体现出来。具体原理如下：

图1为传统

-OTDR的工作原理图，如图1所示，由窄线宽激光光源51发出的扫频脉冲激光通过输出通道注入98：2光纤耦合器52，经此光纤耦合器分光，分别从第一、第二输出通道52A、52B输出进入参考臂和测量臂，其中，第一输出通道52A输出光功率占输入光总功率的98％，第二输出通道52B输出光功率占输入光总功率的2％。第一输出通道52A的输出光注入声光调制器(AOM)53，经过声光调制器53的移频，与参考光产生一定的频差。此带有一定频移的激光从光环形器54的第一通道54A注入，并从第二通道54B输出，注入待测器件55。在待测器件55中，由于菲涅尔反射或背向瑞利散射形成的信号光从光环形器54的第二通道54B输入，从第三通道54C输出。从98：2光纤耦合器第二输出通道52B输出的参考光和从光环形器54的第三通道54C中输出的信号光分别由50：50光纤耦合器56的第一、第二输入通道(56A、56B)注入，并于50：50光纤耦合器56中发生干涉，形成的干涉信号由第一、第二输出通道(56C、56D)分别注入平衡探测器57，将光信号转换为电信号，并输入信号解调电路58spu进行解调后进入计算机59中。

由上述可知，50：50光纤耦合器56中从第一、二输入通道56A、56B输入的两路光信号来自同一窄线宽激光光源51，其中一路信号振幅为E_s(t)，来自测量臂中待测器件55中的菲涅尔反射或背向瑞利散射，即：

式中w₀为窄线宽激光器输出光的中心频率，Δw_AOM为AOM产生的频移量，R为光纤的后向散射系数，

为光源所携带的相位信息，τ_d表示两路光之间的时延。/>

另一路信号振幅为E_f(t)，来自由98：2光纤耦合器52第二输出通道52B产生的参考光，可表示为：

式中w₀和

表示的物理含义与测量臂中相同。

因此，上述两信号发生的干涉信号交流成分强度可以表示为：

式中e(t)-e(t-τ)是干涉信号中的相位噪声或非线性相位。

光时域反射***中干涉产生的相位噪声或非线性相位会导致背向散射光能量扩散，反射峰强度降低，引起探测空间分辨率降低。因此，为了保证探测***具有较高空间分辨率，应对***中的相位噪声和非线性相位进行抑制和消除。

CP-OTDR技术的光路结构依赖于直接探测的

-OTDR，但与/>

-OTDR不同的是，此技术利用一系列的线性啁啾光脉冲作为探测光，极大的改变了简化了光路结构，对激光的相位噪声具有较好的鲁棒性，但其空间分辨率会受到脉冲宽度的限制。

TGD-OFDR技术是一种在2015年由liu等人提出的一种分布式光纤传感技术，相较于传统的OFDR***而言，该***利用声光调制器进行调制产生的扫频激光作为信号光仅在一个较窄的时间窗口内被选通，与参考路径中的波长稳定的连续激光及进行干涉，由于测试路径中的输入脉冲具有较短的脉冲持续时间，因此可以在不影响测量距离得情况下，将激光调谐速率调得很高，然而此种技术目前会受到频率调谐的非线性等噪声因素的限制。

当前，分布式振动检测测装置的大部分设计主要是基于相位敏感型光时域反射技术即

-OTDR的方法。然而，此种方法存在探测结果会受到***中的相位噪声限制的问题，相位噪声的限制会使得***在进行长距离振动测量时，瑞利散射会被相位噪声掩盖，这一现象限制了/>

-OTDR***的测量距离。因此，解决这一问题也是此领域进行技术突破的重中之重。近年来，一些学者提出了部分提升/>

-OTDR***测试距离的方法。2010年，上海华魏光纤传感技术有限公司的张大成等人公开了一种高信噪比大动态范围光采集***(CN101660944A)，该***从探测器探测方式的角度出发，提出了一种分时接收的方法，将一个脉冲周期内的散射光按时间段进行拆分，利用不同的性能的探测器来对散射光信号进行探测，最后再将获得的光信号进行整合，得到所需的测量结果。

2012年，杭州安远科技有限公司的林彦国提出了一种相位敏感式光时域反射传感***及方法(CN201210060043.X)，该方法基于直接探测的

-OTDR方法，通过双光源的方法，通过不同功率光束的探测不同距离，在不增加处理时间的前提下增大分布式光纤传感器的探测距离。

2020年，上海工程技术大学的王振伟等人公开了一种基于

-OTDR的复合光纤振动传感***(CN202011420563.8)，这种***以单模光纤为传感介质，同时使用单模光纤和多模光纤作为传感元件，利用多模光纤作为模式转换器将高功率激光脉冲注入单模光纤，有效的避免了由于高功率探测脉冲直接注入单模光纤的非线性效应，从而在不影响空间分辨率的情况下增加了探测距离。

从目前已经被研究者提出的成果中来看，这些方法虽然从一定程度上提升了分布式振动检测仪器的性能，但却在测试时间或测试成本上做出了牺牲，或者受到光源功率引发的非线性效应限制，存在不足。因此需要提出一种新的分布式振动检测方法，既能保证***具有较高空间分辨率，也能保有较长测试距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，利用两个同源脉冲进行瑞利散射探测，配合辅助干涉仪进行混频，实现相位噪声的消除，突破相干长度对量程的限制，实现长量程、频率响应高的振动信号检测，且光路中仅需做两次混频，解调算法简单，相位校正速度快。

为实现上述目的，本发明提供了基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，包括窄线宽激光光源和待测干涉仪，本发明还包括辅助干涉仪和相位噪声解调与消除机构，所述窄线宽激光光源包括NLL激光器和与所述NLL激光器相连的第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的的第一输出通道和第二输出通道分别与所述待测干涉仪和所述辅助干涉仪相连，所述待测干涉仪和所述辅助干涉仪均与所述相位噪声解调与消除机构相连。

优选的，所述待测干涉仪包括与所述第一光纤耦合器的第一输出通道相连的第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别连接同源脉冲调制机构和90°光桥接器；

所述同源脉冲调制机构包括声光调制器，所述声光调制器的输出通道与第三光纤耦合器的输入通道相连，所述第三光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别与第一延时光纤和单边带调制器，所述第一延时光纤和所述单边带调制器分别与第四光纤耦合器的第一输入通道和第二输入通道相连，所述第四光纤耦合器的输出通道与光环形器的输入端口相连，所述光环形器的第一输出通道和第二输出通道分别连接待测器件和所述90°光桥接器；

所述90°光桥接器的第一输出通道和第二输出通道分别经第一平衡探测器和第二平衡探测器连接所述相位噪声解调与消除机构；

所述声光调制器和所述单边带调制器均与任意波形发生器相连。

优选的，所述辅助干涉仪包括与所述第一光纤耦合器的第二输出通道相连的第五光纤耦合器，所述第五光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别与第二延时光纤和第六光纤耦合器的第二输入通道相连，所述第二延时光纤与所述第六光纤耦合器的第一输入通道相连，所述第六光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道均与第三平衡探测器相连，所述第三平衡探测器与所述相位噪声解调与消除机构相连。

优选的，所述相位噪声解调与消除机构包括分别与所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器和所述第三平衡探测器相连的光电转换与信号处理单元以及上位机。

优选的，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器的分光比均为98:2；

所述第三光纤耦合器、所述第四光纤耦合器、所述第五光纤耦合器以及所述第六光纤耦合器的分光比为50:50。

优选的，所述第一延迟光纤与所述第二延迟光纤的长度相同。

基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、窄带宽激光光源的输出光经过第一光纤耦合器的分光，按照98：2的分光比分别输入第二光纤耦合器和第五光纤耦合器；

S2、激光信号进入第二光纤耦合器后，按照98：2的分光比分别输入声光调制器和90°光桥接器；经过声光调制器的激光信号被切波处理后，形成矩形脉冲激光信号，被第三光纤耦合器均匀分光后分别注入第一延迟光纤和单边带调制器，任意波形发生器控制单边带调制器将矩形脉冲激光信号转换为扫频脉冲信号，与第一延迟光纤中经过延迟处理的另一束矩形脉冲激光信号一起注入第四光纤耦合器，第四光纤耦合器输出光在经过光环形器后进入待测器件的部分光纤，由于振动引起的压电效应会使光纤中发生的瑞利散射，产生的相位信息会被输出光携带，通过光环形器后进入90°光桥接器，与被第二光纤耦合器分出的占比2％的激光信号一起被第一平衡探测器和第二平衡探测器探测；

进入第五光纤耦合器的激光信号被均匀分光，分别注入第二延迟光纤和第六光纤耦合器，注入第二延迟光纤的激光信号经过延迟，同样被注入第六光纤耦合器，两束激光信号在第六光纤耦合器中发生干涉，被均匀分光后注入第三平衡探测器；

S3、由第一平衡探测器、第二平衡探测器和第三平衡探测器输出的激光信号，经过相位噪声解调与消除机构中的相位噪声消除和信号解调算法处理后，即可得到待测器件振动产生的信息。

优选的，在步骤S2中：

窄带宽激光光源进入声光调制器，由任意波形发生器控制其进行切波，形成持续一定时间的矩形脉冲信号，此信号由第三光纤耦合器均匀分光，形成一对波长、频率和相位均相同的同源脉冲，分别由第三光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道进入第一延迟光纤的上路和单边带调制器的下路；

在第一延迟光纤的上路中，第一延迟光纤对其增加了微秒级别的延时，将其与单边带调制器的下路脉冲信号在时域上分开；

在单边带调制器的下路中，单边带调制器由任意波形发生器控制，对输入的矩形脉冲信号进行波形调制，形成脉冲频率在周期内线性变化的扫频脉冲信号；

上下两路脉冲在经过调制后，分别由第四光纤耦合器的第一输入通道和第二输入通道输入第四光纤耦合器，从而得到同源双脉。

优选的，在步骤S3中：

假设同源双脉冲之间的延时为τ_D，待测器件中产生的延迟为τ_i；所以，注入单边带调制器中产生的扫频脉冲与参考臂发生干涉的结果应满足：

而注入第一延迟光纤的脉冲与参考臂发生干涉的结果应满足：

/>

式(1)和式(2)中包含相同的相位项

经过τ_D的延时后，将两式混频即可消除/>

得到结果：

可知，尽管光路中的相位噪声在经过同源双脉冲结构后被部分消除，然而(3)式中仍然存在两个相位项，一项是残余的相位噪声

即窄带宽激光光源在τ_D时间内累积的相位噪声，此处利用延时同样为τ_D的辅助干涉仪，将其测试结果与上式进行第二次混频，即可完全消除测试结果中的相位噪声；另一项是Φ(τ_i,t+τ_D)-Φ(τ_i,t)，能够表征同一点瑞利散射相位在时间τ_D内的变化量，进而实现某点振动信号频率与幅值的解调。

因此，本发明具有以下有益效果：

1、利用同源双脉冲结构对探测结果进行相位噪声的补偿，通过与辅助干涉仪输出的信号进行混频，突破相干长度对量程的限制，实现相干长度外振动信号的获取。

2、采用同源双脉冲结构进行探测，提高测试的频率响应；双脉冲测试结果中的拍频信号仅需通过频域滤波即可分离；频率响应仅取决于双脉冲注入间隔(微秒级)。

3、仅需做两次混频，解调算法复杂度较低，相位校正速度快，易于硬件适配。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为传统

-OTDR的工作原理图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明的实施例1的结构图；

图4为本发明的实施例1的同源脉冲模块激光信号调制图。

其中：1、窄线宽激光光源；11、NLL激光器；12、第一光纤耦合器的输入通道；13、第一光纤耦合器；13A、第一光纤耦合器的第一输出通道；13B、第一光纤耦合器的第二输出通道；

2、待测干涉仪；21、第二光纤耦合器的输入通道；22、第二光纤耦合器；22A、第二光纤耦合器的第一输出通道；22B、第二光纤耦合器的第二输出通道；23、同源脉冲调制机构；231、声光调制器；232、声光调制器的输出通道；233、第三光纤耦合器；233A、第三光纤耦合器的第一输出通道；233B、第三光纤耦合器的第二输出通道；234、第一延时纤维；235、单边带调制器；236、任意波形发生器；237、第四光纤耦合器；237A、第四光纤耦合器的第一输入通道；237B、第四光纤耦合器的第二输入通道；238、第四光纤耦合器的输出通道；24、光环形器；24A、光环形器的输入通道；24B、光环形器的第一输出通道；24C、光环形器的第二输出通道；25、待测器件；26、90°光桥接器；27、第一平衡探测器；28、第二平衡探测器；

3、辅助干涉仪；31、第五光纤耦合器的输入通道；32、第五光纤耦合器；32A、第五光纤耦合器第一输出通道；32B、第五光纤耦合器第二输出通道；33、第二延时光纤；34、第六光纤耦合器；34A、第六光纤耦合器的第一输入通道；34B、第六光纤耦合器的第二输入通道；34C、第六光纤耦合器的第一输出通道；34D、第六光纤耦合器的第一输出通道；35、第三平衡探测器；

4、相位噪声解调与消除机构；41、光电转换与信号处理单元；42、上位机。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

图2为本发明的原理图，如图2所示，本发明的结构包括窄线宽激光光源1和待测干涉仪2，本发明还包括辅助干涉仪3和相位噪声解调与消除机构4，所述窄线宽激光光源1包括NLL激光器11和与所述NLL激光器11相连的第一光纤耦合器13，所述第一光纤耦合器13的第一输出通道13A和第二输出通道13B分别与所述待测干涉仪2和所述辅助干涉仪3相连，所述待测干涉仪2和所述辅助干涉仪3均与所述相位噪声解调与消除机构4相连。

其中，所述待测干涉仪2包括与所述第一光纤耦合器13的第一输出通道13A相连的第二光纤耦合器22，第二光纤耦合器22的输入通道21与所述第一光纤耦合器13的第一输出通道13A相连，所述第二光纤耦合器22的第一输出通道22A和第二输出通道22B分别连接同源脉冲调制机构23和90°光桥接器26；所述同源脉冲调制机构23包括声光调制器231，所述声光调制器的输出通道232与第三光纤耦合器233的输入通道相连，所述第三光纤耦合器233的第一输出通道233A和第二输出通道233B分别与第一延时光纤234和单边带调制器235，所述第一延时光纤234和所述单边带调制器235分别与第四光纤耦合器237的第一输入通道237A和第二输入通道237B相连，所述第四光纤耦合器的输出通道238与光环形器24的输入端口相连，所述光环形器24的第一输出通道24A和第二输出通道24B分别连接待测器件25和所述90°光桥接器26；所述90°光桥接器26的第一输出通道和第二输出通道分别经第一平衡探测器27和第二平衡探测器28连接所述相位噪声解调与消除机构4；所述声光调制器231和所述单边带调制器235均与任意波形发生器相连。

优选的，所述辅助干涉仪3包括与所述第一光纤耦合器13的第二输出通道13B相连的第五光纤耦合器32，所述第五光纤耦合器32的第一输出通道32A和第二输出通道32B分别与第二延时光纤33和第六光纤耦合器34的第二输入通道34B相连，所述第二延时光纤33与所述第六光纤耦合器34的第一输入通道34A相连，所述第六光纤耦合器34的第一输出通道34C和第二输出通道34D均与第三平衡探测器35相连，所述第三平衡探测器35与所述相位噪声解调与消除机构4相连。

优选的，所述相位噪声解调与消除机构4包括分别与所述第一平衡探测器27、所述第二平衡探测器28和所述第三平衡探测器35相连的光电转换与信号处理单元41以及上位机42。

优选的，所述第一光纤耦合器13和所述第二光纤耦合器22的分光比均为98:2；所述第三光纤耦合器233、所述第四光纤耦合器237、所述第五光纤耦合器32以及所述第六光纤耦合器34的分光比为50:50。

优选的，所述第一延迟光纤234与所述第二延迟光纤33的长度相同。

基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、窄带宽激光光源1的输出光经过第一光纤耦合器13的分光，按照98：2的分光比分别输入第二光纤耦合器22和第五光纤耦合器32；

S2、激光信号进入第二光纤耦合器22后，按照98：2的分光比分别输入声光调制器231和90°光桥接器26；经过声光调制器231的激光信号被切波处理后，形成矩形脉冲激光信号，被第三光纤耦合器233均匀分光后分别注入第一延迟光纤234和单边带调制器235，任意波形发生器236控制单边带调制器235将矩形脉冲激光信号转换为扫频脉冲信号，与第一延迟光纤234中经过延迟处理的另一束矩形脉冲激光信号一起注入第四光纤耦合器237，第四光纤耦合器237输出光在经过光环形器24后进入待测器件25的部分光纤，由于振动引起的压电效应会使光纤中发生的瑞利散射，产生的相位信息会被输出光携带，通过光环形器24后进入90°光桥接器26，与被第二光纤耦合器22分出的占比2％的激光信号一起被第一平衡探测器27和第二平衡探测器28探测；

进入第五光纤耦合器32的激光信号被均匀分光，分别注入第二延迟光纤33和第六光纤耦合器34，注入第二延迟光纤33的激光信号经过延迟，同样被注入第六光纤耦合器34，两束激光信号在第六光纤耦合器34中发生干涉，被均匀分光后注入第三平衡探测器35；

优选的，在步骤S2中：

窄带宽激光光源1进入声光调制器231，由任意波形发生器236控制其进行切波，形成持续一定时间的矩形脉冲信号，此信号由第三光纤耦合器233均匀分光，形成一对波长、频率和相位均相同的同源脉冲，分别由第三光纤耦合器233的第一输出通道233A和第二输出通道233B进入第一延迟光纤234的上路和单边带调制器的下路；

在第一延迟光纤234的上路中，第一延迟光纤234对其增加了微秒级别的延时，将其与单边带调制器235的下路脉冲信号在时域上分开；

在单边带调制器235的下路中，单边带调制器235由任意波形发生器236控制，对输入的矩形脉冲信号进行波形调制，形成脉冲频率在周期内线性变化的扫频脉冲信号；

上下两路脉冲在经过调制后，分别由第四光纤耦合器237的第一输入通道237A和第二输入通道237B输入第四光纤耦合器，从而得到同源双脉。

S3、由第一平衡探测器27、第二平衡探测器28和第三平衡探测器35输出的激光信号，经过相位噪声解调与消除机构中的相位噪声消除和信号解调算法处理后，即可得到待测器件振动产生的信息。

优选的，在步骤S3中：

假设同源双脉冲之间的延时为τ_D，待测器件中产生的延迟为τ_i；所以，注入单边带调制器中产生的扫频脉冲与参考臂发生干涉的结果应满足：

而注入第一延迟光纤的脉冲与参考臂发生干涉的结果应满足：

式(1)和式(2)中包含相同的相位项

经过τ_D的延时后，将两式混频即可消除/>

得到结果：

可知，尽管光路中的相位噪声在经过同源双脉冲结构后被部分消除，然而(3)式中仍然存在两个相位项，一项是残余的相位噪声

即窄带宽激光光源在τ_D时间内累积的相位噪声，此处利用延时同样为τ_D的辅助干涉仪，将其测试结果与上式进行第二次混频，即可完全消除测试结果中的相位噪声；另一项是Φ(τ_i,t+τ_D)-Φ(τ_i,t)，能够表征同一点瑞利散射相位在时间τ_D内的变化量，进而实现某点振动信号频率与幅值的解调。

实施例1——利用压电陶瓷进行双脉冲探测的长距离分布式振动检测装置。

图3为本发明的实施例1的结构图；图4为本发明的实施例1的同源脉冲模块激光信号调制图，如图3和图4所示，选用压电陶瓷作为待测器件，器件选择与参数如下：

(1)窄线宽激光光源的中心波长1310nm、线宽为3MHz；

(2)98/2光纤耦合器工作波长1310nm、分光比98：2；

(3)50/50光纤耦合器工作波长1310nm、分光比50：50；

(4)声光调制器(AOM)工作波段为1300nm-1550nm，上升或下降时间为12ns；

(5)第一、第二延迟光纤长度相等，均为600m；

(6)单边带调制器工作波段为780nm-2000nm，半波电压<3V，带宽为3MHz/10GHz；

(7)光环形器工作波段为1310±30nm，***损耗小于0.6dB；

(8)选择的压电陶瓷压电电荷常数为450PC/N，压电电压常数为0.028Vm/N，杨氏模量为6×10¹⁰N/m；

(9)90°光桥接器工作波长1310nm，***损耗应小于7dB；

(10)第一、第二、第三平衡探测器的光敏材料为InGaAs，光探测范围为800nm-1650nm。

测试装置的连接如下：

第一光纤耦合器的输入通道与窄线宽激光光源连接，第一、第二输出通道与第二、第五光纤耦合器的输入通道连接。第二光纤耦合器的第一、第二输出端口分别连接同源脉冲调制机构和90°光桥接器，声光调制器输出通道连接第三光纤耦合器输入通道，第三光纤耦合器第一第二输出通道分别连接第一延迟光纤和单边带调制器，任意波形发生器分别连接声光调制器和单边带调制器以达到控制目的，单边带调制器的输出和第一延迟光纤分别接入第四光纤耦合器的第一、第二输入通道，第四光纤耦合器输出接入光环形器的第一输入通道，光环形器的第二输入通道连接选用的待测器件压电陶瓷，光环形器的第三输出通道连接90°光桥接器，90°光桥接器两输出端口分别连接第一、第二平衡探测器。第五光纤耦合器的第一、第二输出通道分别连接第二延迟光纤和第六光纤耦合器的第二输入通道，第二延迟光纤的输出端连接第六光纤耦合器的第一输入端口，第六光纤耦合器的第一、第二输出通道接入第三平衡探测器。第一、第二、第三平衡探测器输出端口均连接光电信号转换处理单元。

因此，本发明采用上述结构的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，利用两个同源脉冲进行瑞利散射探测，配合辅助干涉仪进行混频，实现相位噪声的消除，突破相干长度对量程的限制，实现长量程、频率响应高的振动信号检测，且光路中仅需做两次混频，解调算法简单，相位校正速度快。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，包括窄线宽激光光源和待测干涉仪，其特征在于：还包括辅助干涉仪和相位噪声解调与消除机构，所述窄线宽激光光源包括NLL激光器和与所述NLL激光器相连的第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的的第一输出通道和第二输出通道分别与所述待测干涉仪和所述辅助干涉仪相连，所述待测干涉仪和所述辅助干涉仪均与所述相位噪声解调与消除机构相连。

2.根据权利要求1所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述待测干涉仪包括与所述第一光纤耦合器的第一输出通道相连的第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别连接同源脉冲调制机构和90°光桥接器；

所述同源脉冲调制机构包括声光调制器，所述声光调制器的输出通道与第三光纤耦合器的输入通道相连，所述第三光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别与第一延时光纤和单边带调制器，所述第一延时光纤和所述单边带调制器分别与第四光纤耦合器的第一输入通道和第二输入通道相连，所述第四光纤耦合器的输出通道与光环形器的输入端口相连，所述光环形器的第一输出通道和第二输出通道分别连接待测器件和所述90°光桥接器；

所述90°光桥接器的第一输出通道和第二输出通道分别经第一平衡探测器和第二平衡探测器连接所述相位噪声解调与消除机构；

所述声光调制器和所述单边带调制器均与任意波形发生器相连。

3.根据权利要求2所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述辅助干涉仪包括与所述第一光纤耦合器的第二输出通道相连的第五光纤耦合器，所述第五光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道分别与第二延时光纤和第六光纤耦合器的第二输入通道相连，所述第二延时光纤与所述第六光纤耦合器的第一输入通道相连，所述第六光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道均与第三平衡探测器相连，所述第三平衡探测器与所述相位噪声解调与消除机构相连。

4.根据权利要求3所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述相位噪声解调与消除机构包括分别与所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器和所述第三平衡探测器相连的光电转换与信号处理单元以及上位机。

5.根据权利要求4所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器的分光比均为98:2；

所述第三光纤耦合器、所述第四光纤耦合器、所述第五光纤耦合器以及所述第六光纤耦合器的分光比为50:50。

6.根据权利要求5所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置，其特征在于：所述第一延迟光纤与所述第二延迟光纤的长度相同。

7.基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、窄带宽激光光源的输出光经过第一光纤耦合器的分光，按照98：2的分光比分别输入第二光纤耦合器和第五光纤耦合器；

S2、激光信号进入第二光纤耦合器后，按照98：2的分光比分别输入声光调制器和90°光桥接器；经过声光调制器的激光信号被切波处理后，形成矩形脉冲激光信号，被第三光纤耦合器均匀分光后分别注入第一延迟光纤和单边带调制器，任意波形发生器控制单边带调制器将矩形脉冲激光信号转换为扫频脉冲信号，与第一延迟光纤中经过延迟处理的另一束矩形脉冲激光信号一起注入第四光纤耦合器，第四光纤耦合器输出光在经过光环形器后进入待测器件的部分光纤，由于振动引起的压电效应会使光纤中发生的瑞利散射，产生的相位信息会被输出光携带，通过光环形器后进入90°光桥接器，与被第二光纤耦合器分出的占比2％的激光信号一起被第一平衡探测器和第二平衡探测器探测；

进入第五光纤耦合器的激光信号被均匀分光，分别注入第二延迟光纤和第六光纤耦合器，注入第二延迟光纤的激光信号经过延迟，同样被注入第六光纤耦合器，两束激光信号在第六光纤耦合器中发生干涉，被均匀分光后注入第三平衡探测器；

S3、由第一平衡探测器、第二平衡探测器和第三平衡探测器输出的激光信号，经过相位噪声解调与消除机构中的相位噪声消除和信号解调算法处理后，即可得到待测器件振动产生的信息。

8.根据权利要求7所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置的检测方法，其特征在于：在步骤S2中：

窄带宽激光光源进入声光调制器，由任意波形发生器控制其进行切波，形成持续一定时间的矩形脉冲信号，此信号由第三光纤耦合器均匀分光，形成一对波长、频率和相位均相同的同源脉冲，分别由第三光纤耦合器的第一输出通道和第二输出通道进入第一延迟光纤的上路和单边带调制器的下路；

在第一延迟光纤的上路中，第一延迟光纤对其增加了微秒级别的延时，将其与单边带调制器的下路脉冲信号在时域上分开；

在单边带调制器的下路中，单边带调制器由任意波形发生器控制，对输入的矩形脉冲信号进行波形调制，形成脉冲频率在周期内线性变化的扫频脉冲信号；

上下两路脉冲在经过调制后，分别由第四光纤耦合器的第一输入通道和第二输入通道输入第四光纤耦合器，从而得到同源双脉。

9.根据权利要求8所述的基于OFDR原理的双脉冲长距离分布式振动检测装置的检测方法，其特征在于：在步骤S3中：

假设同源双脉冲之间的延时为τ_D，待测器件中产生的延迟为τ_i；所以，注入单边带调制器中产生的扫频脉冲与参考臂发生干涉的结果应满足：

而注入第一延迟光纤的脉冲与参考臂发生干涉的结果应满足：

式(1)和式(2)中包含相同的相位项

经过τ_D的延时后，将两式混频即可消除

得到结果：

可知，尽管光路中的相位噪声在经过同源双脉冲结构后被部分消除，然而(3)式中仍然存在两个相位项，一项是残余的相位噪声

即窄带宽激光光源在τ_D时间内累积的相位噪声，此处利用延时同样为τ_D的辅助干涉仪，将其测试结果与上式进行第二次混频，即可完全消除测试结果中的相位噪声；另一项是Φ(τ_i,t+τ_D)-Φ(τ_i,t)，能够表征同一点瑞利散射相位在时间τ_D内的变化量，进而实现某点振动信号频率与幅值的解调。

Images