CN102809387B - 一种botdr信号解调方法 - Google Patents

Abstract

一种BOTDR信号解调方法，本发明属于光电检测技术领域。由BOTDR传感单元(1)、信号解调单元(2)以及信号处理单元(3)组成，其中BOTDR传感单元(1)包括光源(10)，调制器(12)，信号发生器(13)，掺铒光纤放大器(16)，光纤环形器(17)以及一根分布式测量光纤(18)，信号解调单元(2)包括一个用于解调BOTDR信号的Mach‑Zhender干涉仪，信号处理单元(3)包括一个探测器(30)和一个示波器(32)。其特点是所采用的Mach‑Zhender干涉仪的一个干涉臂中引入了高斯型非均匀光纤光栅(21)，利用其具有的滤波特性削弱了噪声光强度，同时还利用其可以产生慢光的特点提高了Mach‑Zhender干涉仪的灵敏度。

Description

一种BOTDR信号解调方法

技术领域

本发明涉及一种BOTDR信号解调方法，属于光电检测技术领域。

背景技术

基于布里渊光时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感器是一种应用较为广泛的分布式传感器。其关键技术在于对BOTDR传感单元产生的输出信号光中的Stokes光的频率进行实时动态解调。传统的BOTDR信号解调方法是采用相干自外差方法，通过将分布式测量光纤返回的BOTDR信号与参考光路光信号相干，进而解调出BOTDR信号在不同时刻的频率。但是在传统的BOTDR信号解调方法中，由于需要搭建光路使光源发出的光信号的频率发生移动，因此该方法不仅光路结构复杂，成本较高，并且其测量准确度以及其对被测量的分辨力受到频率调制精度的影响。而且，传统BOTDR信号解调方法的光路中对于瑞利散射以及菲涅尔反射对Stokes光信号的影响没有得到有效的抑制，而是通过探测器的后续电路实现滤波处理，这不仅提高了后续电路的制作复杂度，还提高了整个系统的制作成本。

为了克服传统BOTDR解调方法系统结构复杂，成本高等缺点，一种基于Mach-Zhender干涉仪的BOTDR信号解调方法被提出(文献1.Y.He，Y.Zhu，C.Yin，Y.Li.“SpontaneousBrillouindistributedopticalfibertemperaturesensingsystembasedonallfiberMach-Zehnderinterferometer”AdvancedSensorSystemsandApplicationsII，2005，5634：494)。该方法简化了光路结构，并且通过调节干涉仪的干涉臂长差抑制菲涅尔反射和瑞利散射效果，干涉仪输出信号可以直接通过探测器显示，从而简化了探测器的后续制作的复杂度以及成本。但是，由于采用控制臂长差的方法抑制菲涅尔反射和瑞利散射的作用效果，并且，在普通Mach-Zhender干涉仪中干涉仪灵敏度和干涉臂长差有关，因此，该方法对BOTDR信号的解调灵敏度不高，进而导致测量系统对被测量的灵敏度以及分辨力较低。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的基于Mach-Zhender干涉仪的BOTDR信号解调方法中存在的不足，提出一种BOTDR信号解调方法。该方法不仅可以有效抑制菲涅尔反射以及瑞利散射对BOTDR产生的Stokes光信号的影响，并且还将系统的灵敏度提高一个数量级。

本发明技术方案如下：

一种BOTDR信号解调方法，包括BOTDR传感单元、信号解调单元以及信号处理单元，所述的BOTDR传感单元包括光源，调制器，信号发生器，掺铒光纤放大器，光纤环形器以及一根分布式测量光纤；所述的信号解调单元包括一个用于解调BOTDR信号的Mach-Zhender干涉仪，其特征在于：所采用的Mach-Zhender干涉仪的两个干涉臂的长度相同，但在其中一个干涉臂中引入高斯型非均匀光纤光栅；所述的信号处理单元包括一个探测器和一个示波器。

BOTDR传感单元1中的光源10发出的光通过光纤11进入调制器12，由于信号发生器13产生的电信号通过电缆14作用到调制器12上，使光信号在通过调制器12后形成脉冲光；所产生的脉冲光经过光纤15进入掺铒光纤放大器16，使其功率得到提高；功率得到提高的脉冲光由光纤环形器17的171端口进入光纤环形器，并由光纤环形器17的172口输出并进入到分布式测量光纤18；由于脉冲光的能量大于布里渊阈值，因此在分布式测量光纤18中会产生自激布里渊散射现象，产生频率小于脉冲光的反射光，称为Stokes光，其与脉冲光间的频率差值称为布里渊频移，布里渊频移大小受到被测量的影响；同时，由于菲涅尔反射以及瑞利散射现象，在分布式测量光纤18中一部分脉冲光的能量会被直接反射，形成噪声光，其频率与脉冲光的频率相同，由Stokes光与噪声光构成了BOTDR传感单元的输出信号光，通过解调Stokes光波长(频率)就可以知道被测量的信息；BOTDR传感单元1的输出信号光由光纤环形器17的172端口进入光纤环形器，并由光纤环形器的173口输出，经由光纤19进入信号解调单元2；在信号解调单元2中，BOTDR传感单元1的输出信号光首先通过光纤耦合器20的201端口进入光纤耦合器，并由光纤耦合器20分成两路光，其中一路光由光纤耦合器20的202端口进入带有高斯型非均匀光纤光栅21的干涉臂，并经过251端口进入光纤耦合器25，另一路光由光纤耦合器20的203端口进入带有压电陶瓷22的干涉臂，并经过252端口进入光纤耦合器25，其中直流稳压源23通过电缆24驱动压电陶瓷22，使其发生形变进而微调缠绕在其上的干涉臂长度，以保证在测量前两干涉臂长度相同；在光纤耦合器25中，由251端口和252端口进入的两路光将发生干涉，干涉后产生的光信号作为信号解调单元2的输出信号由光纤耦合器25的253端口输出，进入到信号处理单元3的探测器30中，由探测器30将光信号转换成电信号，并将电信号由电缆31传递给示波器32进行实时显示。

本发明所述的光源采用100kHz线宽的DFB激光器，其中心波长为1550.365nm；所述的Mach-Zhender干涉仪中的高斯型非均匀光纤光栅的光栅长度为10mm，光栅周期为523.76nm，折射率包络成高斯型分布，最大折射率差为0.00135；所述的光纤环形器、调制器以及两个光纤耦合器的工作波段为1550nm；所述的分布式测量光纤采用单模光纤，芯径为9μm。

本发明具有如下特点：①解调系统的结构简单、设计新颖、成本较低、实用性强。②通过采用高斯型非均匀光纤光栅不仅减小了菲涅尔反射及瑞利散射产生的噪声光的干扰，还提高了干涉仪的解调灵敏度，进而保证在空间分辨力并没有受到影响的情况下，提高了传感系统的分辨率。

附图说明

图1为本发明提供的BOTDR信号解调方法的系统结构图。

图2为本发明所采用的高斯型非均匀光纤光栅折射率分布示意图。

图3为本发明所设计的高斯型非均匀光纤光栅的群折射率谱线(a)和透射率谱线(b)。

图4为分别利用本发明提出的解调方法和利用普通Mach-Zhender干涉仪解调方法所得到的相位差灵敏度曲线对比图。

图5为分别利用本发明提出的解调方法和利用普通Mach-Zhender干涉仪解调方法所得到的相对光强灵敏度曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及解调方法作进一步的说明。

图1为本发明提供的BOTDR信号解调方法的整体原理结构示意图。BOTDR传感单元1的输出信号进入信号解调单元2，由信号解调单元2解调BOTDR传感单元1的输出信号光中的Stokes光波长(频率)，信号解调单元2的输出信号通过信号处理单元3显示。

在本发明提出的BOTDR信号解调系统中，用于解调Stokes光频率的Mach-Zhender干涉仪的相位灵敏度表达式为：

$S_I=\frac{\mathrm{d\Δ\θ}}{\mathrm{d\ω}}=\frac{L_1{n}_{g1}-L_2{n}_{g2}}{c}---\left(1\right)$

其中，Δθ是Mach-Zhender干涉仪的输出相位差；c是真空中光速；ω是光角频率；L₁是高斯型非均匀光纤光栅所在干涉臂长度，L₂是另一个干涉臂长度；n₁是高斯型非均匀光纤光栅所在干涉臂的介质折射率，n₂是另一个干涉臂的介质折射率；n_g1是高斯型非均匀光纤光栅所在干涉臂的群折射率，n_g2是干涉仪另一个干涉臂的群折射率。由式(1)可知在干涉臂长度不变的情况下，增大群折射率n_g1，可以有效提高干涉仪的相位灵敏度。当Stokes光与噪声光通过高斯型非均匀光纤光栅时，通过设计高斯型非均匀光纤光栅结构参数可以使Stokes光频率所对应的光在高斯型非均匀光纤光栅中产生慢光，进而使n_g1增大，即在解调Stokes光时，Mach-Zhender干涉仪的灵敏度会有所增加。同时，由于高斯型非均匀光纤光栅具有滤波特性，通过设计高斯型非均匀光纤光栅的结构参数可以使高斯型非均匀光纤光栅的透射率在噪声光频率处非常低，使得Stokes光与噪声光同时通过高斯型非均匀光纤光栅时，绝大部分噪声光会被高斯型非均匀光纤光栅反射，使得干涉仪的输出光信号中噪声光强度大为削弱。

为了选择合适的高斯型非均匀光纤光栅的结构参数，本发明对高斯型非均匀光纤光栅的光谱特性进行数学建模。由于建立高斯型非均匀光纤光栅的数学模型需要以均匀光纤光栅光谱特性模型为基础，因此，首先需要对均匀光纤光栅的光谱特性进行数学建模。

在均匀光纤光栅中，沿均匀光纤光栅轴线方向上，折射率成周期性变化。因此，以每个折射率周期结构为一单元，可以将均匀光纤光栅分成N个单元。第i个单元的光信号与第i-1个单元的光信号的关系可以表示为

$\left[\begin{array}{c}{R}_i\\ S_i\end{array}\right]=\left[M_i\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{i-1}\\ S_{i-1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，R_i与S_i表示第i个单元的透射光强与反射光强；[M_i]表示第i-1个单元的光信号传输到第i个单元的变化矩阵，称为第i个单元的传输矩阵。通过迭代，即可以得到整个均匀光纤光栅的输出光谱特性：

$\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]=\left[M\right]\left[\begin{array}{c}{R}_0\\ S_0\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中[M]＝[M₁]×[M₂]...[M_N-1]×[M_N]，R₀＝1，S₀＝1。

基于均匀光纤光栅的光谱特性数学模型可以建立起高斯型非均匀光纤光栅的光谱特性数学模型。在高斯型非均匀光纤光栅中，沿光栅轴线上折射率的周期性变化大小成高斯型分布，即沿光栅轴线上，折射率分布包络曲线成高斯型，如图2所示。在模型仿真中，可以认为高斯型非均匀光纤光栅是由m个折射率差值不同的均匀光纤光栅串联而成。因此，可以得到整个高斯型非均匀光纤光栅的输出特性：

${\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]}_G={\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]}_1\×{\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]}_2...{\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]}_{m-1}\×{\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]}_m---\left(4\right)$

其中， ${\left[\begin{array}{c}R\\ S\end{array}\right]}_m$ 表示第m个均匀光纤光栅的输出光谱特性。

基于所建立的高斯型非均匀光纤光栅的光谱特性数学模型，可以得到在采用高斯型非均匀光纤光栅后Mach-Zhender干涉仪的输出相位差Δθ与输出相对光强I的表达式：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{n_1\left(\mathrm{\ω}\right)L_1-n_2{L}_2}{c}\mathrm{\ω}---\left(5\right)$

$I=\frac{1}{2}P\left(\mathrm{\ω}\right)[1-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)]+\frac{1}{2}(1-P\left(\mathrm{\ω}\right))\left[\cos \left(\frac{n_2{L}_2}{c}\mathrm{\ω}\right)\right]---\left(6\right)$

其中，P(ω)为高斯型非均匀光纤光栅的透射谱。由于在高斯型非均匀光纤光栅所在干涉臂中产生了慢光，根据群折射率表达式n_g＝n+w(dn/dw)可知该干涉臂中的介质折射率已经与光频率成函数关系n₁(ω)。由于n₁(ω)与P(ω)关于ω是成非线性关系，因此采用高斯型非均匀光纤光栅会使干涉仪输出特性的线性度受到影响。但是，通过调节高斯型光纤光栅的结构参数可以使n₁(ω)与P(ω)在一定频率(波长)范围内关于ω成近似线性关系，进而改善干涉仪输出特性的线性度。

本发明提出的解调方法是用于BOTDR温度传感时的信号解调，温度变化范围为100℃。由于所采用的分布式测量光纤的布里渊频移的温度系数为1.07MHz/℃，因此本发明中的信号解调单元的线性解调范围应至少为107MHz。

根据此要求，本发明采用的高斯型非均匀光纤光栅结构参数为：光栅长度为10mm，光栅周期为523.76nm，光栅的最大折射率差值为0.00135。此时，高斯型非均匀光纤光栅的群折射率谱线以及透射率谱线如图3所示。由于在群折射率的最高峰值以及第二高峰所对应波长处，高斯型非均匀光纤光栅的透射率低于第三群折射率峰，并且在实际应用中，最高峰以及第二高峰所对应波长处的高斯型非均匀光纤光栅的透过率往往非常低，甚至接近0，因此，在利用高斯型非均匀光纤光栅透射光产生慢光时采用了第三高的群折射率峰值所对应的波长(频率)范围，如图3所示。此时，在噪声光波长λ_p处透射率为0.13，可以有效削弱噪声光的强度。

根据式(5)和式(6)可以得到采用BOTDR信号解调方法的相位差Δθ以及相对光强I的变化曲线dΔθ和ΔI，并与采用普通Mach-Zhender干涉仪的BOTDR解调方法相比较。如图4和图5所示，在BOTDR信号的频率变化范围为123.5MHz时，本发明提出的BOTDR信号解调方法的相位差变化曲线的线性误差约为0.09％，输出相对光强变化曲线的线性误差约为0.05％，满足一般中国工业仪表0.5％的精度要求，并且相位灵敏度提高了约9.2倍，输出相对光强灵敏度提高了约29倍。

Claims (3)

1.一种BOTDR信号解调方法，包括BOTDR传感单元(1)、信号解调单元(2)以及信号处理单元(3)，所述的BOTDR传感单元(1)包括光源(10)、调制器(12)、信号发生器(13)、掺铒光纤放大器(16)、光纤环形器(17)以及一根分布式测量光纤(18)，所述的信号处理单元(3)包括一个探测器(30)和一个示波器(32)；光源(10)发出的光信号通过光纤(11)进入调制器(12)，由于信号发生器(13)产生的电信号通过电缆(14)作用到调制器(12)上，使光信号通过调制器(12)后形成脉冲光，该脉冲光经过光纤(15)后进入掺铒光纤放大器(16)进行功率放大，功率得到放大的脉冲光由光纤环形器(17)的第一端口(171)进入光纤环形器(17)，再由光纤环形器(17)的第二端口(172)输出，并进入到分布式测量光纤(18)；由于脉冲光的能量大于布里渊阈值，因此在分布式测量光纤(18)中会产生自激布里渊散射现象，产生频率小于脉冲光的Stokes光，在分布式测量光纤(18)中的一部分脉冲光能量会被直接反射，形成噪声光，其频率与脉冲光的频率相同，Stokes光与噪声光一起构成了BOTDR传感单元(1)的BOTDR信号；所述的信号解调单元(2)包括一个用于解调BOTDR信号的Mach-Zehnder干涉仪以及第一光纤耦合器(20)和第二光纤耦合器(25)，其特征在于：BOTDR信号由光纤环形器(17)的第三端口(173)输出，经由光纤(19)进入第一光纤耦合器(20)后被分成两路光，其中一路光由第一光纤耦合器(20)的第一端口(202)进入带有高斯型非均匀光纤光栅(21)的Mach-Zehnder干涉臂，再进入第二光纤耦合器(25)的第一端口(251)，另一路光由第一光纤耦合器(20)的第二端口(203)进入带有压电陶瓷(22)的Mach-Zehnder干涉臂，再进入第二光纤耦合器(25)的第二端口(252)，其中直流稳压源(23)通过电缆(24)驱动压电陶瓷(22)，使其发生形变进而微调缠绕在其上的Mach-Zehnder干涉臂长度，以保证Mach-Zehnder的两个干涉臂长度相同，在第二光纤耦合器(25)中，由第一端口(251)和第二端口(252)进入的两路光将发生干涉，干涉后产生的光信号作为信号解调单元(2)的输出信号由第二光纤耦合器(25)的第三端口(253)输出，进入到信号处理单元(3)的探测器(30)中，由探测器(30)将光信号转换成电信号，并将电信号由电缆(31)传递给示波器(32)进行实时显示。

2.按照权利要求1所述的一种BOTDR信号解调方法，其特征在于：所述的Mach-Zehnder干涉仪中的高斯型非均匀光纤光栅(21)的光栅长度为10mm，光栅周期为523.76nm，折射率包络成高斯型分布，最大折射率差为0.00135。

3.按照权利要求1所述的一种BOTDR信号解调方法，其特征在于：所述的光源(10)采用100kHz线宽的DFB激光器，其中心波长为1550.365nm；所述的光纤环形器(17)、调制器(12)、第一光纤耦合器(20)以及第二光纤耦合器(25)的工作波段均为1550nm；所述的分布式测量光纤(18)采用单模光纤，芯径为9μm。