CN104296783B - 增强型相干光时域反射的传感检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型相干光时域反射的传感检测方法及装置，方法包括以下步骤：将激光转换为探测光脉冲信号；将探测光脉冲信号进行放大，放大后的光脉冲信号通过环形器传导给具有局部瑞利反射增强结构的传感光纤；将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加；通过两个光电探测器分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器；信号采集处理器对送入的探测信号进行处理，并进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量。本发明增强了光纤中局部瑞利反射信号的强度，并有效抑制相干光路中受传感光纤中返回的探测光信号的偏振态变化导致的偏振衰落现象。

Description

增强型相干光时域反射的传感检测方法及装置

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感监测技术领域，尤其涉及一种增强型相干光时域反射的传感检测方法及装置。

背景技术

由于光纤传感器具有监测距离长、组网方便、抗电磁干扰、现场无源等优点，比电类传感器具有更广阔的应用前景。其中分布式光纤传感技术利用传感光纤的易于远传组网特性，可以实现大规模的无源传感网络，非常适合对长距离分布式监测对象的环境状态信息的安全监测及管理，目前已经应用于油气管线的安全预警及城市电缆隧道的环境扰动信息监测等工业领域。相干光时域反射技术作为分布式光纤传感系统中的一种，目前可以应用于通信光缆链路可靠性监测及分布式环境振动信息提取等应用领域，由于该种技术利用的是光纤中的背向瑞利散射信号作为信号光，导致系统的信噪比较差，对信号的探测与解调造成极大的难度。

现有相干光时域反射技术中存在的信噪比低、信号重复性及一致性差、后续模式识别算法开发困难等方面的问题，限制了光纤传感器网络技术的发展速度。

发明内容

为解决现有相干光时域反射技术中存在的信噪比低、信号重复性及一致性差、后续模式识别算法开发困难等方面的问题，本发明提供一种增强型相干光时域反射传感方法及装置，实现了具有较高信噪比的监测系统，且监测信号具有较好的复现性和可靠性，并进一步降低了后续相关数据处理机模式识别算法的开发难度。

为了达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

提供一种增强型相干光时域反射的传感检测方法，包括以下步骤：

将激光转换为探测光脉冲信号；

将探测光脉冲信号进行放大，放大后的光脉冲信号通过环形器传导给传感光纤；

将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加；

通过两个光电探测器分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器；

信号采集处理器对送入的探测信号进行模数转换，并将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，并对该探测信号进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量。

本发明所述的方法中，放大后的光脉冲信号在传感光纤中传输时，通过传感光纤内的周期性局部反射增强结构增强光的反射率。

本发明还提供一种增强型相干光时域反射装置，包括：

光源模块，用于提供相干性较好的激光；

声光开关，用于将激光转换为探测光脉冲信号；

光放大器，用于将探测光脉冲信号进行放大；

环行器，用于将放大后的光脉冲信号传导给传感光纤，并使得反射信号光进入探测光路中的偏振分束合束器；

传感光纤，用来感知外部环境信息，其内部具有周期性局部瑞利反射增强结构；

偏振分束合束器，用于将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加；

两个光电探测器，用于分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器；

信号采集处理器，用于对送入的探测信号进行模数转换，并将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，并对该探测信号进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量。

本发明所述的装置中，所述传感光纤为纤芯内设有周期性局部瑞利反射增强结构的单模光纤。

本发明所述的装置中，传感光纤中设置的周期性局部反射增强结构的数量根据系统性能指标进行设定。

本发明所述的装置中，周期性局部反射增强结构通过紫外光刻或飞秒激光加工而成。

本发明所述的装置中，所述光电探测器为PIN型光电探测器。

本发明产生的有益效果是：本发明通过联合使用偏振分束合束器和两个光电探测器，将光分为两个不同的偏振态光，然后再将两路偏振态光合并为一路不受光偏振态变化影响的探测信号，可有效抑制相干光路中受传感光纤中返回的探测光信号的偏振态变化导致的偏振衰落现象。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例增强型相干光时域反射装置结构示意图；

图2是本发明实施例增强型相干光时域反射的传感检测方法流程图；

图3是本发明实施例纤芯内设有周期性局部反射增强结构的单模光纤示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过联合使用偏振分束合束器和两个光电探测器，将光分为两个不同的偏振态光，然后再将两路偏振态光合并为一路不受光偏振态变化影响的探测信号，可实现对相干光路中受传感光纤中返回的探测光信号的偏振态变化导致的偏振衰落现象的抑制。

本发明实施例增强型相干光时域反射装置，如图1所示，包括：

光源模块10，用于提供相干性较好的激光；

声光开关20，用于将激光转换为探测光脉冲信号，同时也可以对激光信号进行移频，借助参考光路可以形成外差型探测光路系统，进一步提升系统对弱信号的检测能力。

光放大器30，用于将探测光脉冲信号进行放大，可以拓展系统探测距离；光放大器30可使用掺铒光纤放大器( EDFA )。

环行器40，用于将放大后的光脉冲信号传导给传感光纤50；本发明实施例中，环行器40可采用三端口器件，分别连接光放大器30、传感光纤50和偏振分束合束器60，可使反射信号光进入探测光路中的偏振分束合束器60。

传感光纤50，用来感知外部环境信息.本发明的较佳实施例中，传感光纤50为纤芯内存在周期性局部反射增强结构的特制传感用单模光纤，如图3所示，在探测光脉冲宽度内，可以通过紫外光刻或飞秒激光加工技术，在加工通信用单模光纤时直接对纤芯的内部折射率变化进行调制，在纤芯内部形成呈周期性分布的局部反射增强结构。通过该种加工方法形成的折射率突变点，可以将背向瑞利散射光信号增强至0.1%~1%范围，大大提高了传感信号的强度，从而使得本发明可以使用PIN型光电探测器，避免了其他相干光时域反射仪中普遍采用的适合于极弱光信号监测的APD型光电探测器，使得系统无需APD高压驱动电路及温度补偿反馈电路，切实的提升了光电转换信号的稳定性及可靠性。在光纤中传播的探测光脉冲的宽度内存在以N为中心，左右各K个突变节点，整个脉冲宽度内共计存在2k+1个折射率突变点，这些局部反射点形成的探测光信号可以表示为：

式中，

表示光纤内部第个折射率突变点所反射的光信号的振幅；

表示传感光纤中传输光信号的角频率；

表示光纤内部第个折射率突变点所反射的光信号的相位；

表示在光纤中传播的探测光脉冲的宽度内存在以N为中心，左右折射率突变节点的数量；

表示从传感光纤中返回的瑞利散射信号的合成光信号；

传感光纤内的探测光脉冲宽度及该宽度内的折射率突变点的数量均可以根据系统性能指标进行匹配调节。系统是通过采集探测光脉冲信号与参考脉冲信号的时间差来进行定位的，其中可以通过控制声光开关来调整探测光脉冲宽度，通过这种方法可以调整传感系统的定位精度指标以及信号信噪比指标，探测光脉冲宽度越窄，系统定位精度越好；纤芯内的周期性局部反射增强结构的单位密度及分布规律也可在光纤微加工过程中进行控制；单位长度内折射率突变点越多，反射光信号累加强度越大，系统信噪比指标越高。

偏振分束合束器60主要用于实现对不同偏振态之间的分离与合成，在本发明实施例中，可将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加。本发明实施例中，偏振分束合束器60为两进两出型光纤耦合器件，能够将同一偏振方向的探测光和参考光进行叠加，输送给光电探测器，用以保证相干叠加生成的相干光信号的稳定性，不会出现由于探测光信号的偏振态变化导致光信号相干时出现信号衰落问题；

光电探测器A和光电探测器B，用于分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器。本发明通过联合使用偏振分束合束器和光电探测器A、B实现对相干光路中受传感光纤中返回的探测光信号的偏振态变化导致的偏振衰落现象的抑制。

本发明实施例中，使用的光电探测器A和光电探测器B均为PIN型光电探测器，该种类型的光电探测器无需高压供电，且不需要进行温度反馈补偿，具有较好的稳定性及可靠性。两个光电探测器配合使用，用来分别接收两个正交偏振态方向的相干光信号，输出两路信号电压给后续的信号采集处理器。具体的实现方法是：通过光电探测器A采集两路S偏振态光的干涉信号，通过光电探测器B采集两路P偏振态光的干涉信号，再将这两路干涉信号分别送入信号采集处理器。

信号采集处理器70，用于对送入的探测信号进行模数转换，并将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，并对该探测信号进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量。在信号采集处理器中实现模数转换后，具体可以通过求取两路信号的方均根的方式，将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，信号处理采集器中的数字相位计可以对该信号进行强度及相位信息提取，给出待测信息量。

本发明实施例的增强型相干光时域反射的传感检测方法，基于上述装置，如图2所示，该方法包括以下步骤：

S1、将激光转换为探测光脉冲信号；

S2、将探测光脉冲信号进行放大，放大后的光脉冲信号通过环形器传导给传感光纤；本发明的一个较佳实施例中，放大后的光脉冲信号在传感光纤中传输时，可通过传感光纤内的周期性局部反射增强结构增强光的反射率。

S3、将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加；

S4、通过两个光电探测器分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器；

S5、信号采集处理器对送入的探测信号进行模数转换，并将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，并对该探测信号进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量。

本发明提供一种增强型相干光时域反射传感方法及装置，通过在传感光纤中增加周期性局部反射增强结构点来加强瑞利背向散射信号光的强度，在接收单元中增加分偏振接收光路元器件克服信号衰落问题，并采用PIN型光电探测器抑制温度效应对后续光电转换电路的影响，避免了对光电探测的温度补偿，在探测信号处理方面，采用数字信号处理技术同时提取待测信号中的强度和相位变化信息；实现了具有较高信噪比的分布式监测传感装置，监测信号具有较好的复现性和可靠性，降低了后续相关数据处理机模式识别算法的开发难度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种增强型相干光时域反射的传感检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将激光转换为探测光脉冲信号；

将探测光脉冲信号进行放大，放大后的光脉冲信号通过环形器传导给传感光纤；

将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加；

通过两个光电探测器分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器；

信号采集处理器对送入的探测信号进行模数转换，并将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，并对该探测信号进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量；

其中，放大后的光脉冲信号在传感光纤中传输时，通过传感光纤内的周期性局部反射增强结构增强光的反射率。

2.一种增强型相干光时域反射装置，其特征在于，包括：

光源模块，用于提供相干性较好的激光；

声光开关，用于将激光转换为探测光脉冲信号；

光放大器，用于将探测光脉冲信号进行放大；

环行器，用于将放大后的光脉冲信号传导给传感光纤，并使得反射信号光进入探测光路中的偏振分束合束器；

传感光纤，用来感知外部环境信息，其内部具有周期性局部瑞利反射增强结构；

偏振分束合束器，用于将传感光纤中返回的光信号分离为两个正交偏振态的光，并将其分别与参考光信号中对应的偏振态信号进行相干叠加；

两个光电探测器，用于分别采集相干叠加后的两个偏振态的光，生成两路探测信号送入信号采集处理器；

信号采集处理器，用于对送入的探测信号进行模数转换，并将两路信号合成一路不受信号光偏振态变化影响的探测信号，并对该探测信号进行强度及相位信息的提取，得到待测信息量。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感光纤为纤芯内设有周期性局部瑞利反射增强结构的单模光纤。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，传感光纤中设置的周期性局部反射增强结构的数量根据系统性能指标进行设定。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，周期性局部反射增强结构通过紫外光刻或飞秒激光加工而成。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光电探测器为PIN型光电探测器。