CN103984184A - 光脉冲压缩反射装置 - Google Patents

Abstract

一种光脉冲压缩反射装置，包括：单波长连续光源、分光器、调频脉冲产生模块、光定向耦合器、待测光纤、光耦合器、平衡光电探测器和脉冲压缩处理模块。本发明不仅打破传统光时域反射技术的空间分辨率与探测范围的矛盾关系、发挥出调频技术的超高空间分辨率，而且比光频域反射技术具有更大的探测范围。

Description

光脉冲压缩反射装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种基于对探测脉冲进行脉冲压缩的光时域反射装置。

背景技术

光反射技术在光纤传感领域有广泛的应用，其基本原理为：发射一束探测光进入到待测光纤中，然后通过光电探测器，得到后向散射光的强度曲线，从而分析待测光纤中的损耗、断点等信息。传统的光时域反射技术以光脉冲作为探测光，其空间分辨率决定于脉冲宽度，脉冲宽度越窄，空间分辨率越高。然而，考虑到输出光脉冲功率的限制，光脉冲宽度越窄、能量越小，意味着探测光更容易埋没在噪声中，降低了探测范围[M.K.Barnoski,M.D.Rourke,S.M.Jensen,R.T.Melville,“Optical time domain reflectometer,”Applied Optics,vol.16,no.9,pp.2375–2379,1977]。因此，传统光时域反射技术的空间分辨率和探测范围存在相互制约的矛盾关系。

为了突破传统光时域反射技术的瓶颈，光频域反射技术被提出。光频域反射技术以线性调频的连续光作为探测光，光纤中不同位置反射回来的光信号与线性调频连续光间存在相位差而形成不同频率差的光拍频信号。通过光电探测器转换成光电流后，变换到频域可获取光纤反射信息。光频域反射技术的空间分辨率只决定于线性调频的范围，因此不存在空间分辨率和探测范围相互制约。可是，光频域反射技术的探测范围受到光源相干长度的限制，为了不让探测光埋没在噪声中，其最大探测范围约为光源相干长度的一半[D.Uttam and B.Culshaw,“Precisiontime domain reflectometry in optical fiber systems using a frequency modulatedcontinuous wave ranging technique,”Journal of Lightwave Technology,vol.3,no.5,pp.971-977,1985]。

和雷达技术相比较，传统光时域反射技术类似于脉冲雷达体制，而光频域反射技术类似于调频连续波雷达的工作机理。在雷达技术中，还有一种脉冲压缩雷达体制，不存在空间分辨率与探测范围的相互制约矛盾、其空间分辨率同样只和调频范围有关，而且它的探测范围比调频连续波雷达更远[M.A.Richards,Fundamentals of radar signal processing,McGraw-Hill Education,2005]。

因此，将脉冲压缩雷达技术应用到光时域反射技术中，不仅可以打破传统光时域反射技术的空间分辨率与探测范围的矛盾关系、发挥出脉冲压缩技术的超高空间分辨率，而且比光频域反射技术具有更大的探测范围。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种光脉冲压缩反射装置，得到比传统光时域反射技术更高的空间分辨率以及比光频域反射技术更大的探测范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种光脉冲压缩反射装置，其特点在于包括：单波长连续光源、分光器、调频脉冲产生模块、光定向耦合器、待测光纤、光耦合器、平衡光电探测器和脉冲压缩处理模块；

上述各部件的连接关系如下：

所述的单波长连续光源的输出端与所述的分光器的输入端相连，该分光器的第一输出端经所述的调频脉冲产生模块与所述的光定向耦合器的第一端口连接，该光定向耦合器的第二端口与所述的待测光纤连接，该光定向耦合器的第三端口与所述的光耦合器的第一输入端连接，所述的分光器的第二输出端与所述的光耦合器的第二输入端连接；

所述的光耦合器的两路输出接入所述的平衡光电探测器，该平衡光电探测器的输出端与所述的脉冲压缩处理模块相连。

所述的调频脉冲产生模块具体实施方案一包括：偏振控制器、线性调频压控振荡器、波形发生器、单边带调制器、偏振控制器、掺铒光纤放大器、马赫-曾德电光调制器和掺铒光纤放大器；

所述的调频脉冲产生模块具体实施方案二包括：偏振控制器、线性调频压控振荡器、波形发生器、单边带调制器、掺铒光纤放大器；

所述的波形发生器的波输出端与所述的线性调频压控振荡器的输入端相连，该线性调频压控振荡器的输出端与所述的单边带调制器的电信号输入端相连，所述的分光器的第一输出端经所述的偏振控制器与所述的单边带调制器的输入端相连，该单边带调制器的输出端依次经所述的偏振控制器、掺铒光纤放大器与所述的马赫-曾德电光调制器的输入端相连，所述的波形发生器的脉冲输出端与所述的马赫-曾德电光调制器的电信号输入端相连，该马赫-曾德电光调制器的输出端经所述的掺铒光纤放大器与所述的光定向耦合器的输入端连接。

所述的马赫-曾德电光调制器为光强度调制器、单边带调制器或电吸收调制器。

所述的脉冲压缩处理模块包括依次连接的数据采集器、正交解调器和匹配滤波器；

所述的数据采集器将由所述的平衡光电探测器输出的电信号采集下来，所述的正交解调器对采集下来的信号进行正交解调；所述的匹配滤波器将正交解调后的信号作匹配滤波。

所述的数据采集器是模拟接收电路、模数转换模块、数据采集卡或示波器。

所述的脉冲压缩处理模块是模拟信号处理电路、数字信号处理器或计算机软件。

所述的单波长连续光源为半导体激光器、光纤激光器、体激光器或染料激光器。

所述的光耦合器为2×2光耦合器。

所述的平衡光电探测器为PIN二极管或APD雪崩光电二极管。

所述的光定向耦合器为光环形器或光耦合器。

本发明原理如下：

将光源分为两路，一路作为相干检测的参考光，一路生成调频光脉冲作为探测光，通过脉冲压缩处理将其在时域上压缩为窄脉冲，并且压缩比只与调频范围和光脉冲宽度有关。具体是单波长连续光源产生的单色连续光信号由分光器进行分光；调频脉冲产生模块将分光后一路的光信号转换为调频光脉冲作为探测光；光定向耦合器的一端将探测光从另一端输出至待测光纤后，产生的后向散射光或反射光经该光定向耦合器输出；所述的光耦合器的一个输入端接入后向散射光，分光器分出的另一路光作为参考光接入所述的光耦合器的另一段；光耦合器的两路输出接入平衡光电探测器进行所述的相干检测；脉冲压缩处理模块对相干检测得到的信号进行所述的脉冲压缩处理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用脉冲压缩原理突破了传统光时域反射技术空间分辨率与探测范围之间的限制，同时得到了比光频域反射技术更大的探测范围。

2、仅用一路激光器，即作为探测光又作为相干检测的参考光，比超越激光器相干距离的长测量距离的光频域装置的相位补偿装置简单易行实现。

附图说明

图1为本发明光脉冲压缩反射装置的结构示意图。

图2为本发明光脉冲压缩反射装置的脉冲压缩处理示意图，其中(a)为原脉冲；(b)为压缩后脉冲。

图3为本发明光脉冲压缩反射装置中调频光脉冲产生模块的具体实施方案一的结构示意图。

图4为本发明光脉冲压缩反射装置中调频光脉冲产生模块的具体实施方案二的结构示意图。

图5为本发明光脉冲压缩反射装置中脉冲压缩处理模块结构示意图。

图6为本发明光脉冲压缩反射装置在调频光脉冲产生模块具体实施方案一下的实验结果，其中(a)为后向散射曲线；(b)为空间分辨率验证。(实验条件，脉冲宽度2μs,调频范围221MHz，激光源线宽100kHz，空间分辨率约为50cm，测试范围5.4km)。

图7为本发明光脉冲压缩反射装置在调频光脉冲产生模块具体实施方案二下的实验结果，其中(a)为后向散射曲线；(b)为空间分辨率验证。(实验条件，脉冲宽度1μs,调频范围1GHz，激光源线宽100kHz，空间分辨率约为100cm，测试范围5.4km)。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。

图1为本发明光脉冲压缩反射装置的结构示意图，如图所示，其基本构成包括：单波长连续光源1、分光器2、调频脉冲产生模块3、光定向耦合器5、待测光纤6、光耦合器9、平衡光电探测器10、脉冲压缩处理模块11；

上述各部件的连接关系如下：

所述的单波长连续光源1产生的单色连续光信号经所述的分光器2进行分光；所述的调频脉冲产生模块3将分光后一路的光信号转换为调频光脉冲作为探测光4，所述的光定向耦合器5的第一端口接收该探测光4，并将其从第二端口输出至所述的待测光纤6，同时，该光定向耦合器5的第二端口接收待测光纤6产生的后向散射光，并将其从第三端口输出。所述的光耦合器9的第二输入端接收后向散射光，所述的分光器2分出的另一路光作为的参考光7接入所述的光耦合器9的第一输入端；所述的光耦合器9的两路输出接入所述的平衡光电探测器10进行相干检测；所述的脉冲压缩处理模块11对所述的平衡光电探测器10输出的信号进行脉冲压缩处理。

以线性调频为例，用s(t)表示线性调频脉冲信号，y(t)表示脉冲压缩后的信号，则，

$s\left(t\right)=\mathrm{Arect}\left(\frac{t}{T}\right)\exp \left[{\mathrm{j\πKt}}^2\right]$

$y\left(t\right)=\mathrm{Arect}\left(\frac{t}{2T}\right)\frac{T\sin \left[\mathrm{\πKT}(1-\frac{\left|t\right|}{T})t\right]}{\mathrm{\πKTt}}$

其中A为脉冲幅值，T为脉冲宽度，K为调频速率，rect()表示矩形函数。

图2为以上过程的仿真示意图，即本发明脉冲压缩光反射系统的脉冲压缩处理示意图，(a)为原脉冲，(b)为压缩后脉冲。定义调频范围B＝KT，则其脉宽等于调频范围B。空间分辨率Z可定义为最小可分辨事件距离，在时域反射方法中等于探测脉冲宽度与介质中光速的乘积。本发明脉冲压缩光反射系统的空间分辨率仅与调频范围B有关，

$Z\frac{c}{2\mathrm{nB}}$

其中c为真空中光速，n为介质折射率。

系统的探测范围可定义为保持事件信号功率大于噪声功率的最大探测距离，在时域反射方法中随着脉冲宽度的增加而增加。由于本发明脉冲压缩光反射系统的空间分辨率仅与调频范围B有关，而与脉冲宽度无关，故本发明脉冲压缩光反射系统可以在保持高空间分辨率的条件下，通过增加脉冲宽度来大幅提高探测范围。此外，从图2中可以看出通过脉冲压缩，原本均匀分布的能量被集中在很短的时间内，从而提高了事件处的反射信号的瞬时功率，提高了信噪比，进一步提高了探测范围。

图3为本发明光脉冲压缩反射装置中调频光脉冲产生模块的体实施方案一结构示意图，如图所示，调频光脉冲产生模块包括：偏振控制器12、线性调频压控振荡器13、波形发生器14、单边带调制器15、偏振控制器16、掺铒光纤放大器17、马赫-曾德电光调制器18和掺铒光纤放大器19。调频脉冲产生模块具体实施方案一各部件的连接关系为：所述的波形发生器14产生周期性锯齿波来驱动所述的线性调频压控振荡器13，并把所述的线性调频压控振荡器13的输出端接入所述的单边带调制器15的电信号输入端；然后，由所述的分光器2分光得到的一路光经过所述的偏振控制器12后接入所述的单边带调制器15；所述的单边带调制器15的输出光经过所述的偏振控制器16以及所述的掺铒光纤放大器17后接入所述的马赫-曾德电光调制器18；同时，所述的波形发生器产生与周期性锯齿波同步的脉冲接入所述的马赫-曾德电光调制器18的电信号输入端；所述的马赫-曾德电光调制器18的输出光经由所述的掺铒光纤放大器19后生成所述的探测光4。

图4为本发明光脉冲压缩反射装置中调频光脉冲产生模块的具体实施方案二结构示意图，如图所示，调频光脉冲产生模块包括：波形发生器20、线性调频压控振荡器21、偏振控制器22、单边带调制器23和掺铒光纤放大器24。调频脉冲产生模块具体实施方案二各部件的连接关系为：所述的波形发生器20产生两路信号，一路为周期性锯齿波，接入所述的线性调频压控振荡器21的电信号输入端，另一路为周期性脉冲信号，其脉冲宽度等于上述周期性锯齿波周期，接入所述的线性调频压控振荡器21的使能输入端。把所述的线性调频压控振荡器13的输出端接入所述的单边带调制器23的电信号输入端；然后，由所述的分光器2分光得到的一路光经过所述的偏振控制器22后接入所述的单边带调制器23；所述的单边带调制器23的输出光经由所述的掺铒光纤放大器24后生成所述的探测光4。

图5为本发明光脉冲压缩反射装置中脉冲压缩处理模块的结构示意图，如图所示，脉冲压缩处理模块包括依次连接的数据采集器25、正交解调器26、和匹配滤波器27。所述的数据采集器25将由所述的相干检测8输出的电信号采集下来；所述的正交解调器26对采集下来的信号进行正交解调；所述的匹配滤波器27将正交解调后的信号作匹配滤波。

本发明工作原理如下：

对于线性调频压控振荡器，由于被周期性锯齿波驱动，输出线性扫频的连续波。对于单边带调制器，它将输入电信号仅调制到光的上边带或下边带，因此输出光的频率与输入电信号的频率成线性关系，在调频光脉冲产生模块的具体实施方案一中，将上述线性调频压控振荡器产生的线性扫频的连续光波接入后，上述单边带调制器会产生线性扫频的连续光。将线性扫频的连续光通过上述马赫-曾德电光调制器，调制上一个与周期性锯齿波同步的脉冲后，得到线性扫频的光脉冲；在调频光脉冲产生模块的具体实施方案二中，将和周期性锯齿波同步的脉冲接入上述线性调频压控振荡器的使能端，上述线性调频压控振荡器将会直接产生线性扫频电脉冲，故将上述线性调频压控振荡器产生的线性扫频电脉冲接入后，上述单边带调制器会直接产生线性扫频的光脉冲。

通过光耦合器对光纤后向反射光和参考光进行干涉，然后通过平衡光电探测器实现相干检测，得到光电场和频率调制信息。用数据采集器获取该信息后，通过正交解调可以将得到的实信号转变为复信号，并把信号中心频率下移至中频或零点，再经过匹配滤波，实现脉冲压缩的同时，大幅提高了反射信号的信噪比。

Claims (11)

1.一种光脉冲压缩反射装置，其特征在于包括：单波长连续光源(1)、分光器(2)、调频脉冲产生模块(3)、光定向耦合器(5)、待测光纤(6)、光耦合器(9)、平衡光电探测器(10)和脉冲压缩处理模块(11)；

上述各部件的连接关系如下：

所述的单波长连续光源(1)的输出端与所述的分光器(2)的输入端相连，该分光器(2)的第一输出端经所述的调频脉冲产生模块(3)与所述的光定向耦合器(5)的第一端口连接，该光定向耦合器(5)的第二端口与所述的待测光纤(6)连接，该光定向耦合器(5)的第三端口与所述的光耦合器(9)的第一输入端连接，所述的分光器(2)的第二输出端与所述的光耦合器(9)的第二输入端连接；

所述的光耦合器(9)的两路输出接入所述的平衡光电探测器(10)，该平衡光电探测器(10)的输出端与所述的脉冲压缩处理模块(11)相连。

2.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的调频脉冲产生模块(3)包括：偏振控制器(12)、线性调频压控振荡器(13)、波形发生器(14)、单边带调制器(15)、偏振控制器(16)、掺铒光纤放大器(17)、马赫-曾德电光调制器(18)和掺铒光纤放大器(19)；

所述的波形发生器(14)的波输出端与所述的线性调频压控振荡器(13)的输入端相连，该线性调频压控振荡器(13)的输出端与所述的单边带调制器(15)的电信号输入端相连，所述的分光器(2)的第一输出端经所述的偏振控制器(12)与所述的单边带调制器(15)的输入端相连，该单边带调制器(15)的输出端依次经所述的偏振控制器(16)、掺铒光纤放大器(17)与所述的马赫-曾德电光调制器(18)的输入端相连，所述的波形发生器(14)的脉冲输出端与所述的马赫-曾德电光调制器(18)的电信号输入端相连，该马赫-曾德电光调制器(18)的输出端经所述的掺铒光纤放大器(19)与所述的光定向耦合器(5)的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的调频脉冲产生模块(3)包括：波形发生器(20)、线性调频压控振荡器(21)、偏振控制器(22)、单边带调制器(23)和掺铒光纤放大器(24)；

所述的波形发生器(20)的两个输出端分别与所述的线性调频压控振荡器(21)的电信号输入端和使能信号输入端相连，该线性调频压控振荡器(21)的输出端与所述的单边带调制器(23)的电信号输入端相连，所述的分光器(2)的第一输出端经所述的偏振控制器(22)与所述的单边带调制器(23)的输入端相连，该单边带调制器(23)的输出端经所述的掺铒光纤放大器(24)与所述的光定向耦合器(5)的输入端连接。

4.根据权利要求2所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的马赫-曾德电光调制器(18)为光强度调制器、单边带调制器或电吸收调制器。

5.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的脉冲压缩处理模块(11)包括依次连接的数据采集器(25)、正交解调器(26)和匹配滤波器(27)；

所述的数据采集器(25)将由所述的平衡光电探测器(10)输出的电信号采集下来，所述的正交解调器(26)对采集下来的信号进行正交解调；所述的匹配滤波器(27)将正交解调后的信号作匹配滤波。

6.根据权利要求4所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的数据采集器(20)是模拟接收电路、模数转换模块、数据采集卡或示波器。

7.根据权利要求4所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于所述的脉冲压缩处理模块(11)是模拟信号处理电路、数字信号处理器或计算机软件。

8.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的单波长连续光源(1)为半导体激光器、光纤激光器，、体激光器或染料激光器。

9.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的光耦合器(9)为2×2光耦合器。

10.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的平衡光电探测器(10)为PIN二极管或APD雪崩光电二极管。

11.根据权利要求1所述的光脉冲压缩反射装置，其特征在于，所述的光定向耦合器(5)为光环形器或光耦合器。