CN103528606A - 一种用于φ-otdr分布式传感的幅度调制解调装置 - Google Patents

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潘鸣
侯丽伟
谢巍
王晓东
邹锶
文新荣
王兵兵
刘素芳
周德亮
臧元章
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Abstract

本发明涉及光纤技术领域，特别是指一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，包括顺次相连的激光器、电光调制器、光放大器、光纤环形器、传感光纤、光电探测器、信号处理模块；所述光电探测器与光纤环形器相连，信号处理模块分别与电光调制器、光电探测器相连。通过幅度调制解调，有利于提高信号的灵敏度，克服背景噪声的影响，增大分布式传感的距离，降低对器件（调制器和探测器）的要求。

Description

一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，特别是指一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置。
背景技术
分布式光纤传感器以长距离可定位探测的独特优势，成为了传感器领域极有竞争力的一员。现今社会，安全问题越来越被国家乃至个人关注。分布式光纤入侵探测系统可以实现大范围定位监测，具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、灵敏度高，且传感光纤可以埋藏于地下，具有很好的隐蔽性，所以可用于监测和保护国境、军事基地、发电厂、核设施及监狱等重要场所的分布式光纤入侵探测系统已经成为目前研究的热点。
光时域反射计（OTDR：Opticaltimedomainreflectometer）是一种非常成熟的分布式探测技术，它可探测整根光纤上的损耗、弯曲、断裂等状态，广泛应用于光通信中光纤的健康监测，可快速定位故障的位置。相位敏感的光时域反射计（Φ-OTDR：Phasesensitiveopticaltimedomainreflectometer）是在OTDR基础上发展起来的一种新技术，它使用高相干的激光器作为光源，当光纤因外界的影响而振动时，振动位置处光纤的折射率或者长度发生变化，引起了相位的波动，由于光源的高相干特性，振动处引起光强度的变化，从而实现振动的探测。Φ-OTDR的装置简单，灵敏度高，可应用于周界报警、管道的偷盗以及泄露探测，成为了分布式光纤入侵探测研究的热点。
尽管Φ-OTDR是一种灵敏的探测技术，但是当前它的信噪比并不高，受到了脉冲光基底泄露光功率以及探测器等加性噪声的约束。为了降低脉冲光基底泄露光功率的影响，一般采用昂贵的声光调制器来提高脉冲光的消光比，这增加了系统的成本，电光调制器也是一种产生脉冲光的有效方法，它广泛地应用于光通信中，因工艺成熟，价格低且带宽大，但是电光调制器产生脉冲的消光比较差，一般在20dB，这降低了Φ-OTDR的信噪比，也限制了探测的距离。
为了克服探测器等加性噪声的影响，有学者提出了用光学相干探测的方法，但是由于偏振的随机性，这种方案存在着信号退化的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，通过幅度调制解调，有利于提高信号的灵敏度，克服背景噪声的影响，增大分布式传感的距离，降低对器件（调制器和探测器）的要求。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，包括顺次相连的激光器、电光调制器、光放大器、光纤环形器、传感光纤、光电探测器、信号处理模块；所述光电探测器与光纤环形器相连，信号处理模块分别与电光调制器、光电探测器相连。
作为优选，所述的信号处理模块，用于产生一个作用于电光调节器的方波控制信号。
作为优选，所述的电光调节器，用于接收方波控制信号并在方波的峰值幅度上调至一个正弦波sin(ωmt)。
作为优选，所述激光器，用于经过电光调节器输出一个峰值光功率呈正弦变化的光脉冲;所述光放大器，用于调节电光调节器输出光脉冲幅度产生调幅脉冲光；所述传感光纤，用于输入调幅脉冲光并输出背向散射光。
作为优选，所述传感光纤输出的背向散射光经光纤环形器入射到光电探测器上并输出一信号，所述信号处理模块，用于对光电探测器输出一信号进行锁相解调。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1)本发明提供的Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，克服了电光调制器消光比差的缺陷，使电光调制器能够应用于大范围的分布式探测，降低了系统的成本；
2)本发明提供的Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，将背向散射光信号调制在频率ωm上，能够抑制激光器强度噪声的影响，克服探测器等器件1/f噪声的影响，锁相检测还能放大微弱的信号，提高了信噪比。
3)本发明提供的Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，同样适用于其他的调制器，比如声光调制器，从而可以实现更高性能的分布式探测。
附图说明
图1为本发明的一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置实施例的结构示意图。
图2为本发明的一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置信号产生实施例的示意图。
［主要元件符号说明］1、激光器，2、电光调制器，3、光放大器，4、光纤环形器，5、传感光纤，6、光电探测器，7、信号处理模块。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的不足提供一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，如图1所示，包括顺次相连的激光器1、电光调制器2、光放大器3、光纤环形器4、传感光纤5、光电探测器6、信号处理模块7；所述光电探测器6与光纤环形器4相连，信号处理模块7分别与电光调制器2、光电探测器6相连。
如图1和图2所示，所述的信号处理模块7，用于产生一个作用于电光调节器2的方波控制信号；所述的电光调节器2，用于接收方波控制信号并在方波的峰值幅度上调至一个正弦波sin(ωmt)；所述激光器1，用于经过电光调节器2输出一个峰值光功率呈正弦变化的光脉冲;所述光放大器3，用于调节电光调节器2输出光脉冲幅度产生调幅脉冲光；所述传感光纤5，用于输入调幅脉冲光并输出背向散射光；所述传感光纤5输出的背向散射光经光纤环形器4入射到光电探测器6上并输出一信号，所述信号处理模块7，用于对光电探测器6输出一信号进行锁相解调。
本发明操作方式：激光器输出的激光经过电光调制器的幅度调制，产生一个脉冲光，幅度调制的脉冲光产生示意图如图2所示，由信号处理模块产生一个方波的控制信号，在方波的峰值幅度上调制一个正弦波sin(ωmt)，那么经电光调制器的转化，将输出一个峰值光功率呈正弦变化的光脉冲，光脉冲的基底并没有被调制。受限于器件的性能，脉冲光的基底一般不为零，实际的光脉冲信号相当于一个理想脉冲光和一个微弱的连续光叠加，这个微弱的连续光产生的背向散射信号将成为背景噪声，限制了Φ-OTDR分布式传感的信噪比。通过上述的调制方法，背向散射的信号光被调制在sin(ωmt)上，而脉冲基底产生的背景噪声因未被调制而分布在一个大的带宽内，这样就抑制了脉冲基底光引入的背景噪声，提高了信噪比，使得电光调制器也可应用于大范围的分布式探测。
调幅脉冲光入射到传感光纤，背向散射光的表达式为：
Pb=Pssin(ωmt+φ(t))+n1(t)，             （1）
其中，Ps是待测信号光的光强，φ(t)是不同时刻调制信号的相位变化，n1(t)是加性噪声，包括脉冲基底光等的影响。
背向散射光经光纤环形器入射到光电探测器上，得到的信号为：
Vb=RPssin(ωmt+φ(t))+n(t)，             （2）
其中，R是光电探测器的响应度，n(t)包括了脉冲基底光以及探测器等的加性噪声。
信号处理模块对光电探测器输出的信号做锁相解调，同步信号分别为sin(ωmt)和cos(ωmt)，那么解调得到的两个正交分量分别为：
I=RPssin(φ(t))，              （3）
和
Q=RPscos(φ(t))，                  （4）
噪声项n(t)因未被调制可被后端的滤波器滤去，从式(3)和(4)可以发现，两项均包含了信号Ps，但也包含了调制信号的相位变化φ(t)，这个噪声可通过平方相加来克服：
I2+Q2=R2Ps 2，         （5）
由式(5)可知，通过本发明具体实施方式，抑制了脉冲基底光以及探测器等背景噪声的影响，提高了信号的灵敏度，增大了分布式传感的距离，降低了对调制器以及探测器等的性能要求。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，其特征在于，包括顺次相连的激光器（1）、电光调制器（2）、光放大器（3）、光纤环形器（4）、传感光纤（5）、光电探测器（6）、信号处理模块（7）；所述光电探测器（6）与光纤环形器（4）相连，信号处理模块（7）分别与电光调制器（2）、光电探测器（6）相连。
2.根据权利要求1所述的用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，其特征在于，所述的信号处理模块（7），用于产生一个作用于电光调节器（2）的方波控制信号。
3.根据权利要求2所述的用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，其特征在于，所述的电光调节器（2），用于接收方波控制信号并在方波的峰值幅度上调至一个正弦波sin(ωmt)。
4.根据权利要求3所述的用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，其特征在于，所述激光器（1），用于经过电光调节器（2）输出一个峰值光功率呈正弦变化的光脉冲;所述光放大器（3），用于调节电光调节器（2）输出光脉冲幅度产生调幅脉冲光；所述传感光纤（5），用于输入调幅脉冲光并输出背向散射光。
5.根据权利要求3所述的用于Φ-OTDR分布式传感的幅度调制解调装置，其特征在于，所述传感光纤（5）输出的背向散射光经光纤环形器（4）入射到光电探测器（6）上并输出一信号，所述信号处理模块（7），用于对光电探测器（6）输出一信号进行锁相解调。
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