CN116112070A - 一种基于相位敏感的光时域反射仪及一种消除偏振相关损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于相位敏感的光时域反射仪，至少包括偏振分集接收模块、放大电路以及信号采集处理单元，偏振分集接收模块的控制器可根据信号采集处理单元发送的第一光电探测器等信息调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得放大电路输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号的总增益一致，从保证响应度和放大倍率的角度克服了原来输出功率不均衡的问题，然后还按预设规则生成偏振补偿系数，以弥补由于偏振分集接收模块工艺制造原因导致的功率不均衡。本发明还公开了一种消除偏振相关损耗的方法。

Description

一种基于相位敏感的光时域反射仪及一种消除偏振相关损耗的方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其是涉及一种基于相位敏感的光时域反射仪及一种消除偏振相关损耗的方法。

背景技术

分布式光纤声波传感器(Distributed Fiber-optic Acoustic Sensor，DAS)可以实时检测传感并定位发生在分布式光纤上任意位置的应变信号，具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感等优点，被广泛应用于油气管道、安防定界等领域。目前绝大部分的分布式光纤声波传系统采用了基于相位敏感的光时域反射仪(PhaseSensitive Optical Time Domain Reflectometry，

)相关技术，具体的：基于相位敏感的光时域反射仪

一般采用相干探测技术，将窄线宽的光源调制成脉冲信号注入到传感光纤中，利用反射回来的瑞利背向散射光(Rayleigh Backscattering，RBS)信号与本征信号混频进行相干检测，再进行解调获得瑞利背向散射光RBS的强度和相位信息。

现有技术中通常采用如下技术手段以消除分布式光纤声波传系统中偏振相关损耗：在基于相位敏感的光时域反射仪

的接收机将瑞利背向散射光RBS分成两个正交的偏振态：X态和Y态，分别对两路信号进行处理解调后平均得到最终的强度和相位信息，即可消除偏振相关噪声。但是，由于该基于相位敏感的光时域反射仪

中需要采用分偏振器件，且不同偏振态信号会分别经过独立的光电检测装置和电信号放大电路，因此X态与Y态两路信号经过处理的强度不一致，导致最终解调的强度信息出现波动，偏振相关损耗无法消除。

发明内容

鉴于上述问题，有必要提出一种基于相位敏感的光时域反射仪

及一种消除偏振相关损耗的方法以解决或部分解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

基于相位敏感的光时域反射仪包括偏振分集接收模块、放大电路、信号采集处理单元，其中：

所述偏振分集接收模块包括偏振分光器、第一保偏耦合器、第二保偏耦合器、第三保偏耦合器、第四保偏耦合器、第五保偏耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、多通道光开关、第一混频器、第二混频器、第一平衡接收机、第一跨阻放大器和第二平衡接收机、第二跨阻放大器以及控制器；

所述偏振分光器的输入端用于接入瑞利背向散射光，所述偏振分光器的输出端分别与第二保偏耦合器、第三保偏耦合器连接，以输出两个正交的X态光偏振态信号、Y态光偏振态信号；

所述第二保偏耦合器的输入端与偏振分光器连接，输出端分别与第一光电探测器、多通道光开关连接；

所述第三保偏耦合器的输入端与偏振分光器连接，输出端分别与第二光电探测器、多通道光开关连接；

所述第一保偏耦合器的输入端用于接入本征光信号，所述第一保偏耦合器的输出端分别与第四保偏耦合器、第五保偏耦合器连接；

所述第四保偏耦合器的输入端与第一保偏耦合器连接，输出端分别与第三光电探测器、多通道光开关连接；

所述第五保偏耦合器的输入端与第一保偏耦合器连接，输出端分别与第四光电探测器、多通道光开关连接；

所述多通道光开关的输入端分别与第二保偏耦合器、第三保偏耦合器、第四保偏耦合器、第五保偏耦合器连接，输出端分别与第一混频器、第二混频器、第五光电探测器连接，控制端与控制器连接，以接受控制器控制选择性的将输入端与输出端对接；

所述第一混频器的输出端与第一平衡接收机输入端连接，所述第二混频器的输出端与第二平衡接收机输入端连接；

所述第一平衡接收机的输入端与第一混频器连接，输出端与第一跨阻放大器连接，所述第二平衡接收机的输入端与第二混频器连接，输出端与第二跨阻放大器连接；所述第一跨阻放大电路和第二跨阻放大电路分别用于输出X态电偏振信号、Y态电偏振信号至放大电路；

所述信号采集处理单元分别与第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、放大电路、控制器连接，用于在调试状态时采集第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与第五光电探测器的输出信号，以及放大电路输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号发送给控制器；还用于在工作状态时将实时采集的X态电偏振信号或Y态电偏振信号乘以控制器反馈的偏振补偿系数，按照相应的解调算法进行强度和相位信息解调；

所述控制器用于当信号采集处理单元处于调试状态时，使得多通道光开关先工作于第一状态，得到第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与第五光电探测器的相对关系，而后将多通道光开关切换到第二状态，接收放大电路输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致，再利用所述相对关系及将多通道光开关切换到的第二状态时第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的值生成偏振补偿系数发送给信号采集处理单元；所述控制器还用于当信号采集处理单元处于工作状态时，使得多通道光开关工作于第二状态。

进一步的，所述信号采集单元处理第二状态时所述多通道光开关用于将第二保偏耦合器、第四保偏耦合器的输出端与第一混频器的两个输入端连接；将第三保偏耦合器、第五保偏耦合器的输出端与第二混频器的两个输入端连接。

进一步的，所述偏振补偿系数为：

α₁＝K₁/K₂

α₂＝K₂/K₁

其中：

α₁为X态电偏振信号对应的偏振补偿系数，α₂为Y态电偏振信号对应的偏振补偿系数，I₁、I₂、I₃、I₄为第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别与第五光电探测器连接时的电流值，P₁、P₂、P₃、P₄分别为相应的第五光电探测器的功率值；I₅、I₆分别为第二保偏耦合器与第一混频器连，第三保偏耦合器与第二混频器连接时第一光电探测器、第二光电探测器的电流；I₇、I₈分别为第四保偏耦合器与第一混频器连接，第五保偏耦合器与第二混频器连接时第三光电探测器、第四光电探测器的电流，N为获取I₅、I_6、I₇、I₈的次数。

进一步的，基于相位敏感的光时域反射仪还包括相干光源、啁啾光脉冲产生模块，其中，相干光源的输出端分别与啁啾光脉冲产生模块、偏振分集接收模块连接，将相干光源产生的本征光信号输入到偏振分集接收模块；啁啾光脉冲产生模块的输入端相干光源连接，输出端与偏振分集接收模块连接，用于将啁啾光脉冲产生模块输出瑞利背向散射光输入偏振分集接收模块。

进一步的，所述相干光源包括窄线宽激光器模块和保偏光纤耦合器，所述窄线宽激光器模块的输出端与保偏光纤耦合器连接，所述保偏光纤耦合器的输出端分别与偏振分集接收模块、啁啾光脉冲产生模块连接。

进一步的，所述啁啾光脉冲产生模块包括声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、第二掺铒光纤放大器，其中，所述声光调制器的输入端与相干光源连接，输出端与第一掺铒光纤放大器连接；所述第一掺铒光纤放大器的输出端与环形器连接；所述环形器还分别与传感光纤及第二掺铒光纤放大器连接，用于将输入到环形器的光信号输出给传感光纤，还用于接收传感光纤产生的瑞利背向散射光，并输入到第二掺铒光纤放大器。

进一步的，所述第一光电探测器、第二光电探测器为雪崩二极管，所述第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器为光电二极管。

进一步的，所述多通道光开关包括四个第一多通道光开关、一个第二多通道光开关，所述第一多通道光开关包括一个输入端，两个输出端；所述第二多通道光开关包括四个输入端，一个输出端；每个第一多通道光开关的输入端分别用于与第二保偏耦合器、第三保偏耦合器、第四保偏耦合器、第五保偏耦合器连接，每个第一多通道光开关的一个输出端用于与第二多通道光开关的一个输入端连接，另一个输出端用于与第一混频器、第二混频器连接；所述第二多通道光开关的输出端用于与第五光电探测器连接。

另一方面，本发明还公开了一种消除偏振相关损耗的方法，应用于上述基于相位敏感的光时域反射仪，该消除偏振相关损耗的方法包括以下步骤：

当信号采集处理单元处于调试状态时，控制多通道光开关工作于第一状态，分别得到第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与第五光电探测器的相对关系；

将多通道光开关切换到第二状态，接收放大电路输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致；

利用所述相对关系及将多通道光开关切换到的第二状态时第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的值生成偏振补偿系数发送给信号采集处理单元。

基于上述技术方案，本发明较现有技术而言的有益效果为：

本发明的基于相位敏感的光时域反射仪包括偏振分集接收模块、放大电路以及信号采集处理单元，所述信号采集处理单元分别处于调试状态和工作状态，偏振分集接收模块的多通道光开关可处于第一状态或第二状态。当信号采集处理单元处于调试状态时且多通道光开关依次处于第一状态和第二状态时，偏振分集接收模块的控制器可根据信号采集处理单元发送的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、放大电路输出的X态电偏振信号及Y态电偏振信号等信息调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得放大电路输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号的总增益一致，从保证响应度和放大倍率的角度克服了原来输出功率不均衡的问题，然后还按预设规则生成偏振补偿系数，以弥补由于偏振分集接收模块工艺制造原因导致的功率不均衡。本发明通过两个途径解决了放大电路输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号处理的强度不一致的问题，能避免最终解调时强度信息出现波动，有效消除了偏振相关损耗。

附图说明

图1是本发明实施例一中，一种基于相位敏感的光时域反射仪的结构示意图；

图2是本发明实施例一中，一种偏振分集接收模块的结构示意图；

图3是本发明实施例一中，一种多通道光开关的结构示意图；

图4是本发明实施例二中，一种消除偏振相关损耗的方法的流程示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

一种基于相位敏感的光时域反射仪，结合图1、图2所示，该基于相位敏感的光时域反射仪至少包括偏振分集接收模块80、放大电路90、信号采集处理单元100，其中：

所述偏振分集接收模块80包括偏振分光器801、第一保偏耦合器809、第二保偏耦合器802、第三保偏耦合器807、第四保偏耦合器810、第五保偏耦合器812、第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813、第五光电探测器818、多通道光开关817、第一混频器804、第二混频器814、第一平衡接收机805、第一跨阻放大器806和第二平衡接收机815、第二跨阻放大器816以及控制器(图中未示出)。可以理解的，偏振分光器801的输出也为两个正交的偏振态信号，保偏耦合器的输出为同一种偏振态信号。

所述偏振分光器801的输入端用于接入瑞利背向散射光，所述偏振分光器801的输出端分别与第二保偏耦合器802、第三保偏耦合器807连接，以输出两个正交的X态光偏振态信号、Y态光偏振态信号。

所述第二保偏耦合器802的输入端与偏振分光器801连接，输出端分别与第一光电探测器803、多通道光开关817连接。所述第三保偏耦合器807的输入端与偏振分光器801连接，输出端分别与第二光电探测器808、多通道光开关817连接。所述第一保偏耦合器809的输入端用于接入本征光信号，所述第一保偏耦合器809的输出端分别与第四保偏耦合器810、第五保偏耦合器812连接。所述第四保偏耦合器810的输入端与第一保偏耦合器809连接，输出端分别与第三光电探测器811、多通道光开关817连接。所述第五保偏耦合器812的输入端与第一保偏耦合器809连接，输出端分别与第四光电探测器813、多通道光开关817连接。第一保偏耦合器809的分光比优选为50:50，第二保偏耦合器802、第三保偏耦合器807、第四保偏耦合器810的分光比优选为1:99，其中1％的光进入各光电探测器。

在一些实施例中，优选的，由于接入的瑞利背向散射光的光信号一般较小，因此第一光电探测器803、第二光电探测器808可采用雪崩二极管，第三光电探测器811、第四光电探测器813、第五光电探测器818采用一般光电二极管即可。

所述多通道光开关817的输入端分别与第二保偏耦合器802、第三保偏耦合器807、第四保偏耦合器810、第五保偏耦合器812连接，输出端分别与第一混频器804、第二混频器814、第五光电探测器818连接，控制端与控制器连接，以接受控制器控制工作于第一状态或第二状态。所述第一状态为第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813分别与第五光电探测器818一一连接，所述第二状态为第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813同时与第一混频器804、第二混频器814连接。

在一些实施例中，如图2所示，多通道光开关817包括九个端口，其中端口a与第二保偏耦合器802连接，端口b与第三保偏耦合器807连接，端口c与第四保偏耦合器810连接，端口d与第五保偏耦合器812连接，端口e、端口f与第一混频器804的两个输入端连接，端口g、端口h与第二混频器814的两个输入端连接，端口i与第五光电探测器818连接。多通道光开关817可接受控制器控制，使得在同一时刻端口a与端口i，端口b与端口i，端口c与端口i，端口d与端口i中仅有一个通路连接；或者，使得在同一时刻端口i与端口e连接，端口b与端口7连接，端口c与端口e连接，端口d与端口h连接。

优选的，在一些实施例中，考虑到多通道光开关817的通用性，如图3所示，优选的多通道光开关817包括四个第一多通道光开关8171、一个第二多通道光开关8172，每个第一多通道光开关8171包括一个输入端，两个输出端；所述第二多通道光开关8172包括四个输入端，一个输出端。为了方便理解，可将图3与图2中九个端口的多通道光开关817进行详细的对照说明。第一个第一多通道光开关8171的输入端口为端口a，一个输出端口为端口e，另一个输出端口第二多通道光开关8172连接。第二个第一多通道光开关8171的输入端口为端口b，一个输出端口为端口g，另一个输出端口第二多通道光开关8172连接。第三个第一多通道光开关8171的输入端口为端口c，一个输出端口为端口f，另一个输出端口第二多通道光开关8172连接。第四个第一多通道光开关8171的输入端口为端口d，一个输出端口为端口h，另一个输出端口第二多通道光开关8172连接。第二多通道光开关8172的输出端口为端口i，用于与第五光电探测器818连接。

所述第一混频器804的输出端与第一平衡接收机805输入端连接，所述第二混频器814的输出端与第二平衡接收机815输入端连接。

所述第一平衡接收机805的输入端与第一混频器804连接，输出端与第一跨阻放大器806连接，所述第二平衡接收机815的输入端与第二混频器814连接，输出端与第二跨阻放大器816连接；所述第一跨阻放大电路90和第二跨阻放大电路90分别用于输出X态电偏振信号、Y态电偏振信号至放大电路90。

所述信号采集处理单元100分别与第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813、第五光电探测器818、放大电路90、控制器连接，用于在调试状态时采集第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五光电探测器818的输出信号，以及放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号发送给控制器；还用于在工作状态时将实时采集的X态电偏振信号或Y态电偏振信号乘以控制器反馈的偏振补偿系数，按照相应的解调算法进行强度和相位信息解调；

所述控制器用于当信号采集处理单元100处于调试状态时，使得多通道光开关817先工作于第一状态，得到第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五光电探测器818的相对关系，而后将多通道光开关817切换到第二状态，接收放大电路90输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致，再利用所述相对关系及将多通道光开关817切换到的第二状态时第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的值生成偏振补偿系数发送给信号采集处理单元100；所述控制器还用于当信号采集处理单元100处于工作状态时，使得多通道光开关817工作于第二状态。

具体的，当信号采集处理单元100处于调试状态且多通道光开关817处于第一状态时，获取第四保偏耦合器810、第五保偏耦合器812分别与第五光电探测器818一一连接时第五光电探测器818的第一功率值P₁、第二功率值P₂。可以理解的，在实际应中信号采集处理单元100内还应该设置有用于与各光电探测器连接的对数放大器、采集运算单元等，已将光电探测器输出的电流信号转成需要的数字电压信号、功率信号。

在多通道光开关817处于第二状态时，获取放大电路90输出的X态电偏振信号电压值V₁、Y态电偏振信号电压值V₂；

调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益，使得第一功率值P₁、第二功率值P₂满足：V₁/V₂＝P₁/P₂。

可以理解的，放大电路90可包括分别与第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816连接的第一放大电路90、第二放大电路90。在调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益时，可以先将第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816设置相同的增益，将第一放大电路90、第二放大电路90也设置相同的增益，然后再逐步增大或减小各器件的增益，直到V₁/V₂＝P₁/P₂，使得放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号的总增益一致，从保证响应度和放大倍率的角度克服了原来输出功率不均衡的问题。

另一方面，由于工艺制造原因，同一信号从多通道光开关817不同输入端口到输出端口的损耗也有可能不同，因此也会引入了偏振相关损耗。有鉴于此，可以提前标定各输入端口与输出端口间的相对关系，找到器件的特性来生成偏振补偿系数以消除偏振相关损耗。比如，在多通道光开关817处于第一工作状态时，得到第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五光电探测器818一一连接时第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的电流值I₁、I₂、I₃、I₄以及相应的第五光电探测器818的功率值P₁、P₂、P₃、P₄。假设P₁＝a*I₁+b，可多次改变输入端口1的信号功率，以确定参数a、b的值，得到第一光电探测器803与第五探测器的关系。同理，可以得到第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五探测器的关系。实际应用中可以多采集几次各光电探测器的输出信号，以提高标定相对关系的准确度。

在多通道光开关817处于第二工作状态时，第二保偏耦合器802、第四保偏耦合器810的输出端与第一混频器804的两个输入端连接；第三保偏耦合器807、第五保偏耦合器812的输出端与第二混频器814的两个输入端连接。可以理解的，由于工艺制造原因，偏振分光器801、第一保偏耦合器809的分光一般也不是理想状态，因此也可以通过确定放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号与输入的本征信号、瑞利背向散射光之间的关系来设置偏振补偿系数。其中，可以用第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的输出信号来表示本征信号、瑞利背向散射光的情况。

综合上述工艺制造原因引入的偏振相关损耗情况，可生成如下偏振补偿系数：

α₁＝K₁/K₂

α₂＝K₂/K₁

其中：

α₁为X态电偏振信号对应的偏振补偿系数，α₂为Y态电偏振信号对应的偏振补偿系数，I₁、I₂、I₃、I₄为第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813分别与第五光电探测器818一一连接时的电流值，P₁、P₂、P₃、P₄分别为相应的第五光电探测器818的功率值；I₅、I₆分别为第二保偏耦合器802与第一混频器804连，第三保偏耦合器807与第二混频器814连接时第一光电探测器803、第二光电探测器808的电流；I₇、I₈分别为第四保偏耦合器810与第一混频器804连接，第五保偏耦合器812与第二混频器814连接时第三光电探测器811、第四光电探测器813的电流，N为获取I₅、I_6、I₇、I₈的次数。

如此设计，当信号采集处理单元100处于工作状态时，将放大单元输出的X态电偏振信号乘以偏振补偿系数α₁或Y态电偏振信号乘以偏振补偿系数α₂来进行偏振相关损耗补偿，再按照相应的解调算法(如I/Q正交相位解调)进行强度信息和相位信息解调。由于偏振相关损耗表示的是两个正交的偏振态之间光功率和接收电路总放大倍率的不一致，因此补偿任一路偏振态信号就可以达到两路均衡的效果。

本发明的基于相位敏感的光时域反射仪包括偏振分集接收模块80、放大电路90以及信号采集处理单元100，所述信号采集处理单元100分别处于调试状态和工作状态，多通道光开关817可处于第一状态或第二状态。当信号采集处理单元100处于调试状态且多通道光开关817依次处于第一状态和第二状态时，偏振分集接收模块80的控制器可根据信号采集处理单元100发送的第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813、第五光电探测器818、放大电路90输出的X态电偏振信号及Y态电偏振信号等信息调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益倍率，使得放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号的总增益一致，从保证响应度和放大倍率的角度克服了原来输出功率不均衡的问题，然后还按预设规则生成偏振补偿系数，以弥补由于偏振分集接收模块80工艺制造原因导致的功率不均衡。本发明通过两个途径解决了放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号处理的强度不一致的问题，能避免最终解调时强度信息出现波动，有效消除了偏振相关损耗。

在一些实施例中，一种基于相位敏感的光时域反射仪还包括相干光源1、啁啾光脉冲产生模块2，其中，相干光源1的输出端分别与啁啾光脉冲产生模块2、偏振分集接收模块80连接，将相干光源1产生的本征光信号输入到偏振分集接收模块；啁啾光脉冲产生模块2的输入端相干光源1连接，输出端与偏振分集接收模块80连接，用于将啁啾光脉冲产生模块2输出瑞利背向散射光输入偏振分集接收模块。

具体的，所述相干光源1包括窄线宽激光器模块10和第六保偏光纤耦合器20，所述窄线宽激光器模块10的输出端与第六保偏光纤耦合器20连接，所述第六保偏光纤耦合器20的输出端分别与偏振分集接收模块、啁啾光脉冲产生模块2连接。

所述啁啾光脉冲产生模块2包括声光调制器30、第一掺铒光纤放大器40、环形器50、第二掺铒光纤放大器70，其中，所述声光调制器30的输入端与相干光源1连接，输出端与第一掺铒光纤放大器40连接；所述第一掺铒光纤放大器40的输出端与环形器50连接；所述环形器50还分别与传感光纤60及第二掺铒光纤放大器70连接，用于将输入到环形器50的光信号输出给传感光纤60，还用于接收传感光纤60产生的瑞利背向散射光，并输入到第二掺铒光纤放大器70。

所述的信号采集处理单元100还控制声光调制器30产生脉冲序列，对相干光源1输出的连续光信号进行脉冲调制，典型的脉冲宽度为200ns，脉冲的重复频率为1KHz。

所述的声光调制器303的工作频率为可以为200M；所述的放大电路90的放大增益可以为0～30dB。

实施例二

本发明还公开了一种消除偏振相关损耗的方法，应用于实施例一或实施例二的基于相位敏感的光时域反射仪中，当信号采集处理单元100处于调试状态时，该消除偏振相关损耗的方法包括以下步骤：

S01，控制多通道光开关817工作于第一状态，分别得到第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五光电探测器818的相对关系；

S02，将多通道光开关817切换到第二状态，接收放大电路90输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致；

S03，利用所述相对关系及将多通道光开关817切换到的第二状态时第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的值生成偏振补偿系数发送给信号采集处理单元100。

具体的，在步骤S02中，控制器接收放大电路90输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致包括：

在多通道光开关817处于第一状态时，获取第四保偏耦合器810、第五保偏耦合器812分别与第五光电探测器818一一连接时第五光电探测器818的第一功率值P1、第二功率值P2。

在多通道光开关817处于第二状态时，获取放大电路90输出的X态电偏振信号电压值V1、Y态电偏振信号电压值V2。

调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益，使得第一功率值P1、第二功率值P2满足：V1/V2＝P1/P2。

可以理解的，放大电路90可包括分别与第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816连接的第一放大电路90、第二放大电路90。在调节第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816、放大电路90的增益时，可以先将第一跨阻放大器806、第二跨阻放大器816设置相同的增益，将第一放大电路90、第二放大电路90也设置相同的增益，然后再逐步增大或减小各器件的增益，直到V1/V2＝P1/P2，使得放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号的总增益一致，从保证响应度和放大倍率的角度克服了原来输出功率不均衡的问题。

由于工艺制造原因，同一信号从多通道光开关817不同输入端口到输出端口的损耗也有可能不同，因此也会引入了偏振相关损耗。有鉴于此，可以提前标定各输入端口与输出端口间的相对关系，找到器件的特性来生成偏振补偿系数以消除偏振相关损耗。比如，在多通道光开关817处于第一工作状态时，得到第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五光电探测器818一一连接时第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的电流值I₁、I₂、I₃、I₄以及相应的第五光电探测器818的功率值P₁、P₂、P₃、P₄。假设P₁＝a*I₁+b，可多次改变输入端口1的信号功率，以确定参数a、b的值，得到第一光电探测器803与第五探测器的关系。同理，可以得到第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813与第五探测器的关系。实际应用中可以多采集几次各光电探测器的输出信号，以提高标定相对关系的准确度。

在多通道光开关817处于第二工作状态时，第二保偏耦合器802、第四保偏耦合器810的输出端与第一混频器804的两个输入端连接；第三保偏耦合器807、第五保偏耦合器812的输出端与第二混频器814的两个输入端连接。可以理解的，由于工艺制造原因，偏振分光器801、第一保偏耦合器809的分光一般也不是理想状态，因此也可以通过确定放大电路90输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号与输入的本征信号、瑞利背向散射光之间的关系来生成偏振补偿系数。其中，可以用第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的输出信号来表示本征信号、瑞利背向散射光的情况。

综合上述工艺制造原因在步骤S03中，生成偏振补偿系数包括以下步骤：

在多通道光开关817处于第一状态时，还获取第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813的输出电流，以及第二保偏耦合器802、第三保偏耦合器807分别与第五光电探测器818一一连接时第五光电探测器818的第三功率值P3、第四功率值P4；

在多通道光开关817处于第二状态时，还按照预设频率实时采集N个第一光电探测器803输出电流、第二光电探测器808输出电流、第三光电探测器811输出电流、第四光电探测器813输出电流；

按以下公示生成偏振补偿系数：

α₁＝K₁/K₂

α₂＝K₂/K₁

其中：

α₁为X态电偏振信号对应的偏振补偿系数，α₂为Y态电偏振信号对应的偏振补偿系数，I₁、I₂、I₃、I₄为第一光电探测器803、第二光电探测器808、第三光电探测器811、第四光电探测器813分别与第五光电探测器818一一连接时的电流值，P₁、P₂、P₃、P₄分别为相应的第五光电探测器818的功率值；I₅、I₆分别为第二保偏耦合器802与第一混频器804连，第三保偏耦合器807与第二混频器814连接时第一光电探测器803、第二光电探测器808的电流；I₇、I₈分别为第四保偏耦合器810与第一混频器804连接，第五保偏耦合器812与第二混频器814连接时第三光电探测器811、第四光电探测器813的电流，N为获取I₅、I_6、I₇、I₈的次数。

如此设计，当信号采集处理单元100处于工作状态时，将放大单元输出的X态电偏振信号乘以偏振补偿系数α₁或Y态电偏振信号乘以偏振补偿系数α₂来进行偏振相关损耗补偿，再按照相应的解调算法(如I/Q正交相位解调)进行强度信息和相位信息解调。由于偏振相关损耗表示的是两个正交的偏振态之间光功率和接收电路总放大倍率的不一致，因此补偿任一路偏振态信号就可以达到两路均衡的效果。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式级似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims (10)

1.一种基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，至少包括偏振分集接收模块、放大电路、信号采集处理单元，其中：

所述偏振分集接收模块包括偏振分光器、第一保偏耦合器、第二保偏耦合器、第三保偏耦合器、第四保偏耦合器、第五保偏耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、多通道光开关、第一混频器、第二混频器、第一平衡接收机、第一跨阻放大器、第二平衡接收机、第二跨阻放大器以及控制器；

所述偏振分光器的输入端用于接入瑞利背向散射光，输出端分别与第二保偏耦合器、第三保偏耦合器连接；

所述第二保偏耦合器的输出端分别与第一光电探测器、多通道光开关连接；所述第三保偏耦合器的输出端分别与第二光电探测器、多通道光开关连接；所述第一保偏耦合器的输入端用于接入本征光信号，输出端分别与第四保偏耦合器、第五保偏耦合器连接；所述第四保偏耦合器的输出端分别与第三光电探测器、多通道光开关连接；所述第五保偏耦合器的输出端分别与第四光电探测器、多通道光开关连接；

所述多通道光开关接收控制器的控制分别工作于第一状态、第二状态，所述第一状态为使第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别与第五光电探测器一一连接，所述第二状态为使第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器同时与第一混频器、第二混频器连接；

所述第一混频器的输出端与第一平衡接收机输入端连接，所述第二混频器的输出端与第二平衡接收机输入端连接；所述第一平衡接收机的输出端与第一跨阻放大器连接，所述第二平衡接收机的输出端与第二跨阻放大器连接；所述第一跨阻放大电路和第二跨阻放大电路分别用于输出X态电偏振信号、Y态电偏振信号至放大电路；

所述信号采集处理单元分别与第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、放大电路、控制器连接，用于在调试状态时采集第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与第五光电探测器的输出信号，以及放大电路输出的X态电偏振信号、Y态电偏振信号，并发送给控制器；还用于在工作状态时将实时采集的X态电偏振信号或Y态电偏振信号乘以控制器反馈的偏振补偿系数，按照相应的解调算法进行强度和相位信息解调；

所述控制器用于当信号采集处理单元处于调试状态时，使得多通道光开关先工作于第一状态，得到第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与第五光电探测器的相对关系，而后将多通道光开关切换到第二状态，接收放大电路输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致，再利用所述相对关系及多通道光开关处于第二状态时第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的值生成偏振补偿系数发送给信号采集处理单元；所述控制器还用于当信号采集处理单元处于工作状态时，使得多通道光开关工作于第二状态。

2.如权利要求1所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，所述多通道光开关处于第二状态时，用于将第二保偏耦合器、第四保偏耦合器的输出端与第一混频器的两个输入端连接；将第三保偏耦合器、第五保偏耦合器的输出端与第二混频器的两个输入端连接。

3.如权利要求1所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，所述偏振补偿系数为：

α₁＝K₁/K₂

α₂＝K₂/K₁

其中：

α₁为X态电偏振信号对应的偏振补偿系数，α₂为Y态电偏振信号对应的偏振补偿系数，I₁、I₂、I₃、I₄为第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别与第五光电探测器一一连接时的电流值，P₁、P₂、P₃、P₄分别为相应的第五光电探测器的功率值；I₅、I₆分别为第二保偏耦合器与第一混频器连，第三保偏耦合器与第二混频器连接时第一光电探测器、第二光电探测器的电流；I₇、I₈分别为第四保偏耦合器与第一混频器连接，第五保偏耦合器与第二混频器连接时第三光电探测器、第四光电探测器的电流，N为获取I₅、I_6、I₇、I₈的次数。

4.如权利要求1所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，所述基于相位敏感的光时域反射仪还包括相干光源、啁啾光脉冲产生模块，其中，相干光源的输出端分别与啁啾光脉冲产生模块、偏振分集接收模块连接，用于将相干光源产生的本征光信号输入到偏振分集接收模块；啁啾光脉冲产生模块的输入端相干光源连接，输出端与偏振分集接收模块连接，用于将啁啾光脉冲产生模块输出瑞利背向散射光输入偏振分集接收模块。

5.如权利要求4所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，所述相干光源包括窄线宽激光器模块和第六保偏光纤耦合器，所述窄线宽激光器模块的输出端与第六保偏光纤耦合器连接，所述第六保偏光纤耦合器的输出端分别与偏振分集接收模块、啁啾光脉冲产生模块连接。

6.如权利要求4所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，所述啁啾光脉冲产生模块包括声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、第二掺铒光纤放大器，其中，所述声光调制器的输入端与相干光源连接，输出端与第一掺铒光纤放大器连接；所述第一掺铒光纤放大器的输出端与环形器连接；所述环形器还分别与传感光纤及第二掺铒光纤放大器连接，用于将输入到环形器的光信号输出给传感光纤，还用于接收传感光纤产生的瑞利背向散射光，并输入到第二掺铒光纤放大器。

7.如权利要求1所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，所述多通道光开关包括四个第一多通道光开关、一个第二多通道光开关，每个第一多通道光开关包括一个输入端，两个输出端；所述第二多通道光开关包括四个输入端，一个输出端；每个第一多通道光开关的输入端分别用于与第二保偏耦合器、第三保偏耦合器、第四保偏耦合器、第五保偏耦合器连接，每个第一多通道光开关的一个输出端用于与第二多通道光开关的一个输入端连接，另一个输出端用于与第一混频器、第二混频器连接；所述第二多通道光开关的输出端用于与第五光电探测器连接。

8.一种消除偏振相关损耗的方法，应用于如权利要求1所述的基于相位敏感的光时域反射仪，其特征在于，当信号采集处理单元处于调试状态时，该消除偏振相关损耗的方法包括以下步骤：

控制多通道光开关工作于第一状态，分别得到第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与第五光电探测器的相对关系；

将多通道光开关切换到第二状态，接收放大电路输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致；

利用所述相对关系及将多通道光开关切换到第二状态时第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的值生成偏振补偿系数，并发送给信号采集处理单元。

9.如权利要求8所述的消除偏振相关损耗的方法，其特征在于，接收放大电路输出的X态电偏振信号与Y态电偏振信号，调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益倍率，使得X态电偏振信号与Y态电偏振信号的增益倍率一致包括：

在多通道光开关处于第一状态时，获取第四保偏耦合器、第五保偏耦合器分别与第五光电探测器一一连接时第五光电探测器的第一功率值P₁、第二功率值P₂；

在多通道光开关处于第二状态时，获取放大电路输出的X态电偏振信号电压值V₁、Y态电偏振信号电压值V₂；

调节第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、放大电路的增益，使得第一功率值P₁、第二功率值P₂满足：V₁/V₂＝P₁/P₂。

10.如权利要求9所述的消除偏振相关损耗的方法，其特征在于，生成偏振补偿系数包括以下步骤：

在多通道光开关处于第一状态时，还获取第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的输出电流，以及第二保偏耦合器、第三保偏耦合器分别与第五光电探测器一一连接时第五光电探测器的第三功率值P₃、第四功率值P₄；

在多通道光开关处于第二状态时，还按照预设频率实时采集N个第一光电探测器输出电流、第二光电探测器输出电流、第三光电探测器输出电流、第四光电探测器输出电流；

按以下公示生成偏振补偿系数：

α₁＝K₁/K₂

α₂＝K₂/K₁

其中：

α₁为X态电偏振信号对应的偏振补偿系数，α₂为Y态电偏振信号对应的偏振补偿系数，I₁、I₂、I₃、I₄为第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别与第五光电探测器一一连接时的电流值，P₁、P₂、P₃、P₄分别为相应的第五光电探测器的功率值；I₅、I₆分别为第二保偏耦合器与第一混频器连，第三保偏耦合器与第二混频器连接时第一光电探测器、第二光电探测器的电流；I₇、I₈分别为第四保偏耦合器与第一混频器连接，第五保偏耦合器与第二混频器连接时第三光电探测器、第四光电探测器的电流，N为获取I₅、I_6、I₇、I₈的次数。

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