CN101839698B - 参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪及其校准方法 - Google Patents

Abstract

参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪及其校准方法，在现有自外差相干检测的布里渊光时域反射仪基础上，从外差光接收机获取本地参考光的电信号，经模数转换后送入计算机，作为参考光的光功率校准反馈量，由计算机发出指令调整微波源的输出功率，改变本地参考光的光功率，使之与预定参考光功率的差异小于设定值，功率校准后进行布里渊光时域信号探测。本发明使BOTDR在工作过程中不会受到微波源的工作环境温度，连接微波源与电光调制器的微波传输线，以及电光调制器对于不同频率微波信号的功率响应不同的影响，实现不同频率点参考光功率与预定功率的误差小于设定值，确保应变与温度的精确测量。

Description

参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪及其校准方法

技术领域

本发明涉及对光纤的应变与温度进行全分布式测量的布里渊光时域反射仪，可实现对布里渊光时域反射仪中的不同频点处参考光的光功率进行校准，以确保应变与温度的精确测量，为一种布里渊光时域反射仪的参考光光功率校准方法及反射仪。

背景技术

布里渊光时域反射仪(Brillouin optical fiber time domain reflectometry，BOTDR)是一种基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统。该系统从光纤的一端发射脉冲，同时在发射端检测背向布里渊散射信号，发送脉冲与接收到散射信号的时间延迟与光速的乘积可以提供光纤检测的位置信息，由于布里渊散射光谱的频移和强度与光纤所受到的温度和应变存在线性关系，所以通过测量布里渊信号的强度和频移就可以得到光纤的温度和应变的分布信息。由于BOTDR具有单端测量、空间分辨率高、传感距离长等优点，已经在很多结构安全监测中得到了应用。

BOTDR一般采用自外差相干检测的方法获得微弱的布里渊散射信号光谱。在自外差相干检测的方法中，现有技术(宋牟平，微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术，光学学报，2004，24(8)：1111～1114)采用微波电光调制器产生频率可调的参考光与布里渊信号进行相干检测的方法。其检测系统的基本结构如图1所示。窄线宽激光器出射的连续光被耦合器分成两路，其中一路作为探测光，首先被脉冲调制器调制为一定宽度的脉冲光，再经光放大器和耦合器后注入传感光纤。另一路激光经过约11GHz微波驱动的电光调制器，产生该激光的正负一级边频光，将其作为本地参考光与传感光纤中散射回来的布里渊散射光相干，被外差光接收机接收。经光电转换，产生中心频率约为100MHz，半峰全宽为数十兆赫兹的布里渊散射谱电信号。布里渊散射谱电信号经混频器与本地振荡源混频，可获得布里渊散射谱的基带信号，再经滤波、模数转换和累加平均处理后，获得整个传感光纤上的布里渊散射信号，送入计算机进行显示。若滤波器的带宽小于布里渊散射谱谱宽，为了获得整个布里渊散射谱，需要多次向光纤中注入探测脉冲光，同时每次改变微波源的输出频率，使本地参考光的频率改变，从而使布里渊散射谱上不同频率成分的信号通过滤波器得到检测。

该方法具有以下两个优点：一是获得的拍频信号中心频率约为100MHz，相对于参考光路不使用电光调制器直接获得11GHz拍频信号的方法，对光电探测器的探测带宽要求降低，可选择有更高探测灵敏度的光电探测器，从而获得更大的动态范围；二是由于参考光频率可调，对光电探测器后的电信号采集只需一个带通滤波器即可，简化了电信号的处理。但是根据相干检测的原理，参考光功率的波动会转移到计算获得的布里渊信号功率上，因此不同频点处的参考光功率的差异直接影响着布里渊散射谱的探测精度。

如前所述，作为本地参考光的光信号是光源激光的正负一级边频光，是由光源激光经过微波电信号调制的电光调制器产生的。实际应用中会出现以下三个方面的不利情况：一是微波源的输出功率受工作环境温度的影响，很难做到在不同环境下每个频点微波信号的功率都等于设定值；二是连接微波源与电光调制器的微波传输线对不同频率的微波信号传输效率不同；三是电光调制器对于不同频率微波信号的功率响应也有差别。这三种因素会导致不同频率的参考光功率往往相差较大。因此，如果不对参考光的光功率进行校准，就无法对不同频率点参考光的光功率与预定光功率的误差进行有效的控制，那么根据相干检测方法获得的布里渊散射谱将是不可靠的，从而导致温度或应变的测量结果出现较大误差。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有布里渊光时域反射仪在自外差相干检测中，电光调制器产生的不同频率的参考光功率相差较大，无法确保应变与温度的精确测量。

本发明的技术方案为：参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪，激光器的出射光经耦合器输出到探测光路和参考光路中，探测光路中连续激光经脉冲调制器、光放大器后注入传感光纤，得到布里渊散射光输入外差光接收机，参考光路中连续激光经过电光调制器产生参考光输入外差光接收机，所述电光调制器由一微波源驱动，连续激光经电光调制器得到其正负一级边频光作为本地参考光，外差光接收机输出布里渊散射光与本地参考光相干后产生的电信号，外差光接收机设有低频和高频两个输出端口，所述高频端口输出信号在10MHz以上，低频端口输出信号在100KHz以下，高频输出端口经滤波器、模/数转换器和数字处理器后输入计算机，低频输出端口经模/数转换器后输入计算机，计算机设有与微波源连接的输出端口。

作为优选方式，电光调制器与外差光接收机的光路连接上设有扰偏器。

本发明中所述计算机为个人计算机，或具有显示、控制功能的嵌入式系统。

上述参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪的校准方法为：控制电光调制器的偏置电压和微波源的微波信号输入，使电光调制器输出的总功率中作为本地参考光的正负一级边频光所占比重高于99％，外差光接收机设置低频和高频两个输出端口，高频端口输出信号在10MHz以上，低频端口输出信号在100KHz以下，将低频端口输出的信号全部视为本地参考光的电信号，低频输出端口的电信号经模数转换后送入计算机，作为参考光的光功率校准反馈量，与计算机中的预定参考光功率进行对比，根据对比结果由计算机发出指令调整微波源的输出功率，从而对微波源的输出功率进行反馈控制，进而改变本地参考光的光功率，使之与预定参考光功率的差异小于设定值；高频输出端口输出的相干光差频信号也就是布里渊散射谱电信号，该相干光差频信号经滤波、模数转换和数字信号处理后，送入计算机进行显示。

优选的，在本地参考光的光功率校准时，控制脉冲调制器或光放大器使传感光纤中无探测光注入，从而使外差光接收机中无布里渊散射光输入，而仅有本地参考光输入，进行参考光功率校准，在本地参考光的光功率与预定参考光功率的误差小于设定值后，再向传感光纤中注入探测光，获得布里渊散射信号。确保校准时低频输出端口输出的信号全部为本地参考光信号，提高参考光功率校准精度。

本发明进行校准时，计算机向微波源发送频率控制字和功率控制字，步进调整微波源的输出，使微波源向电光调制器输出相应的频率和功率；对每个本地参考光的频率点的光功率均进行校准，具体为：

首先在计算机中设定预定参考光功率CK以及校准精度JD，所述校准精度JD即为实际本地参考光的光功率与预定参考光功率的差异阈值，校准精度JD的值不小于微波源功率控制的最小步进；然后由计算机向微波源发送一个频率控制字和功率控制字，微波源驱动电光调制器输出对应的参考光光功率，在这个频率下对参考光的光功率P根据参考光功率CK和校准精度JD进行校准，此频率校准完成后再进行下一个频率点的校准直到所有的频率点校准完毕。

本发明根据电光调制器的原理，控制电光调制器的偏置电压和微波源信号输入，使电光调制器输出的总功率中，作为本地参考光的正负一级边频光所占比重高于99％，即在所述的偏置电压和微波信号输入条件下，将电光调制器输出的总功率视为本地参考光的光功率。

本发明提出一种参考光光功率校准方法及具有所述校准功能的BOTDR，使BOTDR在工作过程中不会受到微波源的工作环境温度，连接微波源与电光调制器的微波传输线，以及电光调制器对于不同频率微波信号的功率响应不同的影响，实现不同频率点参考光功率与预定功率的误差小于设定值，以确保应变与温度的精确测量。本发明的优点有：

1、在不过多增加测量时间的情况下使测量精度得到提高：

对每个频率点处校准参考光功率使其与预定功率的误差小于设定值，所需时间小于1s。若需要对30个不同频率点进行参考光功率校准，约用时20s，远小于BOTDR完成一次测量所需的数分钟乃至数十分钟时间。因此参考光功率校准不会使BOTDR整个测量时间增加较多。由于增加了参考光功率校准功能，可以使布里渊散射谱的测量精度及其决定的温度与应变测量精度得到数倍提高。

2、测量装置结构简单：

本发明用电光调制器输出的总功率代替作为本地参考光的正负一级边频光功率进行反馈控制，控制电光调制器输出的总功率中正负一级边频光所占比重高于99％，误差控制在1％以下。在对本地参考光的功率校准中，对电光调制器输出的总光强的探测不需要鉴频或者滤波，因此大大降低反馈控制的实现成本。与现有技术相比，本发明仅需在光接收机低频输出端口后增加一个对应的低频模数转换器，实现与计算机通信即可，装置结构非常精简，由此增加的成本也很低。另外本发明的BOTDR系统直接采用数字处理获得布里渊散射谱，而不采用本地混频的方法，系统总体结构上更加简单。

3、相干探测的信噪比更高：

通过使电光调制器输出的总功率中作为本地参考光的正负一级边频光所占比重高于99％，可以最大限度地提高本地参考光的功率，使相干信号光更强。该方法同时使电光调制器输出的其余频率的光较弱，而其余频率的光在相干探测中则起到了噪声的作用。因此本发明可以提高相干探测的信噪比。

附图说明

图1为现有技术布里渊光时域反射仪的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明参考光功率校准的程序流程图。

图4为本发明中具体实施例的参考光功率校准结果。

具体实施方式

为了解决电光调制器产生的不同频率的参考光功率相差较大的问题，本发明提出一种具有参考光功率校准功能的布里渊光时域反射仪，可实现不同频率点参考光功率与预定功率的误差小于设定值，以确保应变与温度的精确测量。

本发明中具有参考光功率校准功能的BOTDR基本结构如图2所示。窄线宽激光器出射的连续光被耦合器分成两路，其中一路作为探测光，首先被脉冲调制器调制为脉冲光，再经光放大器后注入传感光纤。另一路激光经过约11GHz微波驱动的电光调制器，产生该激光的正负一级边频光。其中驱动电光调制器的微波源的输出频率与功率受计算机的控制。将电光调制器产生的正负一级边频光作为本地参考光，与传感光纤中散射回来的布里渊散射光相干，被外差光接收机接收，其中电光调制器输出的总功率中正负一级边频光所占比重高于99％。外差光接收机有低频和高频两个输出端口，高频端口输出信号在10MHz以上，低频端口输出信号在100KHz以下。在BOTDR正常进行传感光纤的探测过程中，高频端口输出相干光的差频信号，其频率一般在几十MHz以上；低频端口输出相干光的直流信号，其频率小于几十KHz。现有BOTDR对参考光中的正负一级边频光比重没有做规定，本发明控制低频端口输出的低频信号中本地参考光信号所占比重极大，达到99％以上，故可认为低频端口输出的信号全部为本地参考光信号，同时这样电光调制器输出的其余频率的光较弱，而其余频率的光在相干探测中是噪声，因此本发明同时可以提高相干探测的信噪比。

本发明也可以直接从电光调制器的输出端取出参考光的光功率信号进行反馈控制，但进行反馈控制需要将光功率转变为电信号，必须使用光电探测器。所以如果直接从电光调制器的输出端取出参考光的光功率信号就需要一个额外的探测器，为了结构上的简化，本发明巧妙地利用外差光接收机，设置一个低频输出端口，省去了一个光电探测器。

低频输出端口的信号经模数转换后送入计算机，作为参考光的光功率校准的反馈量，与计算机中的预定参考光功率进行对比，根据对比结果由计算机发出指令调整微波源的输出功率，从而对微波信号的功率进行反馈控制，进而改变本地参考光的功率，使之与预定参考光功率的差异小于设定值。

本发明可以边校准边探测传感光纤，但此时低频端口上可能包含从传感光纤中散射回来的其他信号，导致校准误差增大。因此优选在本地参考光的光功率校准时，控制脉冲调制器或光放大器使传感光纤中无探测光注入，从而使外差光接收机中无布里渊散射光输入，而仅有本地参考光输入，由于其频率极高，光接收机所获得的是参考光的直流功率，因此本地参考光的直流功率信号从低频输出端口输出。在本地参考光的光功率与预定参考光功率的误差小于设定值后，再向传感光纤中注入探测光，获得布里渊散射信号。确保校准时低频输出端口输出的信号全部为本地参考光信号，提高参考光功率校准精度。

高频信号端口输出的相干光的差频信号为中心频率约为100MHz，半峰全宽为数十兆赫兹的布里渊散射谱电信号。在确保不同频率点的参考光的光功率与预定光功率的误差小于设定值的前提下，该相干信号经滤波、模数转换和数字信号处理后，获得整个传感光纤上的布里渊散射信号，送入计算机进行显示，这里的数字处理可以包括累加平均、包络检波、频谱洛仑兹曲线拟合等，通常的BOTDR中一般包括这些处理工作。反射仪中采用的模数转换只需满足采样定理即可。

具体参考光功率校准方法如下。计算机向微波源发送频率控制字和功率控制字，步进调整微波源的输出，使微波源向电光调制器输出相应的频率和功率；电光调制器输出的总功率作为参考光功率被外差光接收机接收，经低频端口输出，被模数转换后送入计算机与预定参考光功率对比。根据对比结果由计算机发出新的频率控制字和功率控制字调整微波源的输出功率，改变电光调制器输出的本地参考光的功率，使之与预定参考光功率的差异小于设定值。对每个参考光的频率点均采用上述校准措施，可实现对所有频率点参考光功率的校准。对参考光功率进行校准的程序流程图如图3所示。首先根据系统需要设定预定参考光功率CK以及校准精度JD，其中JD的值不能小于微波源功率控制的最小步进。然后输入微波源的第一个频率，在这个频率下对电光调制器输出的参考光功率P进行校准，校准完成进行下一个频率点的校准，直到所有的频率点校准完毕。

下面以具体实施例来说明本发明的实施。波长为1550nm窄线宽激光器出射的连续光被耦合器分成两路，其中一路作为探测光，被脉冲调制器调制为脉冲光，再经光放大器后注入传感光纤。另一路激光经过约11GHz微波驱动的电光调制器，产生该激光的正负一级边频光。其中驱动电光调制器的微波信号源的输出频率与功率受计算机的控制。将电光调制器产生的正负一级边频光作为本地参考光，与传感光纤中散射回来的布里渊散射光相干，被双平衡外差光接收机接收。在该BOTDR系统进行相干探测前对10.4GHz至11.4GHz范围内的不同频率点参考光功率进行校准。此时控制脉冲调制器使传感光纤中无探测光，也即是使光接收机低频端口输出的信号全部为本地参考光信号。计算机预设的参考光功率为-7.96dBm。利用本发明方案对10.4GHz至11.4GHz范围参考光功率进行校准，校准后的结果如图4所示。由图4可知，经过校准的参考光功率与预定参考光功率(-7.96dBm)的误差小于0.07dB，绝对功率误差小于0.0025mW，是未校准前误差0.2dB(0.0072mW)的三分之一。相应地，根据功率与温度和应变的线性关系，温度或应变测量精度可以提高至未校准前的3倍。

作为对比，图4中也给出了商用Agilent自校准微波源驱动电光调制器产生的参考光功率与频率的关系曲线。由图可见，Agilent微波源虽然功率稳定，但是由于电光调制器对不同频率响应的不同，导致不同频率处参考光的功率不同。这也说明了本发明采用的电光调制器输出总功率反馈校准参考光功率方法的有效性和优越性。

Claims (6)

1.参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪，激光器的出射光经耦合器输出到探测光路和参考光路中，探测光路中连续激光经脉冲调制器、光放大器后注入传感光纤，得到布里渊散射光输入外差光接收机，参考光路中连续激光经过电光调制器产生参考光输入外差光接收机，所述电光调制器由一微波源驱动，连续激光经电光调制器得到其正负一级边频光作为本地参考光，外差光接收机输出布里渊散射光与本地参考光相干后产生的电信号，其特征是外差光接收机设有低频和高频两个输出端口，所述高频端口输出信号在10MHz以上，低频端口输出信号在100KHz以下，高频输出端口经滤波器、模/数转换器和数字处理器后输入计算机，低频输出端口经模/数转换器后输入计算机，计算机设有与微波源连接的输出端口。

2.根据权利要求1所述的参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪，其特征是电光调制器与外差光接收机的光路连接上设有扰偏器。

3.根据权利要求1或2所述的参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪，其特征是所述计算机为个人计算机，或具有显示、控制功能的嵌入式系统。

4.权利要求1-3任一项所述的参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪的校准方法，其特征是控制电光调制器的偏置电压和微波源的微波信号输入，使电光调制器输出的总功率中作为本地参考光的正负一级边频光所占比重高于99％，外差光接收机设置低频和高频两个输出端口，高频端口输出信号在10MHz以上，低频端口输出信号在100KHz以下，将低频端口输出的信号全部视为本地参考光的电信号，低频输出端口的电信号经模数转换后送入计算机，作为参考光的光功率校准反馈量，与计算机中的预定参考光功率进行对比，根据对比结果由计算机发出指令调整微波源的输出功率，从而对微波源的输出功率进行反馈控制，进而改变本地参考光的光功率，使之与预定参考光功率的差异小于设定值；高频输出端口输出的相干光差频信号也就是布里渊散射谱电信号，该相干光差频信号经滤波、模/数转换和数字信号处理后，送入计算机进行显示。

5.根据权利要求4所述的参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪的校准方法，其特征是在本地参考光的光功率校准时，控制脉冲调制器或光放大器使传感光纤中无探测光注入，从而使外差光接收机中无布里渊散射光输入，而仅有本地参考光输入，进行参考光功率校准，在本地参考光的光功率与预定参考光功率的误差小于设定值后，再向传感光纤中注入探测光，获得布里渊散射信号。

6.根据权利要求4或5所述的参考光光功率校准的布里渊光时域反射仪的校准方法，其特征是计算机向微波源发送频率控制字和功率控制字，步进调整微波源的输出，使微波源向电光调制器输出相应的频率和功率；对每个本地参考光的频率点的光功率均进行校准，具体为：

首先在计算机中设定预定参考光功率CK以及校准精度JD，所述校准精度JD即为实际本地参考光的光功率与预定参考光功率的差异阈值，校准精度JD的值不小于微波源功率控制的最小步进；然后由计算机向微波源发送一个频率控制字和功率控制字，微波源驱动电光调制器输出对应的参考光光功率，在这个频率下对参考光的光功率P根据参考光功率CK和校准精度JD进行校准，此频率校准完成后再进行下一个频率点的校准直到所有的频率点校准完毕。

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