CN104457960A - 一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统，包括：窄线宽激光器(1)、光耦合器(2)、调制器(3)、光隔离器(4)、光纤放大器(5)、环行器(6)、光纤光栅(7)、传感光纤(8)、相干接收器(100)、数据采集卡(9)、信号处理机(10)和脉冲发生器(11)。本发明采用相干接收技术和正交解调算法实现分布式振动或声信号的测量，提高了系统的频率响应范围，解决了大动态范围信号的检测。

Description

一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，特别是用于测量动态振动或声信号的光纤传感领域。

背景技术

分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。

根据传感原理，分布式光纤传感技术主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用M-Z型、Sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)、布里渊光时域反射型(B-OTDR)、拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、油气及地震波勘探、管道和铁路以及大型结构安全监测等方面有着显著优势。

Φ-OTDR技术是通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。一种常用的基于外差正交相位解调技术的相位检测方法利用双平衡探测器将接收到的瑞利散射光与本地光的拍频信号转化为电流信号，通过数字相干检测瑞利信号的相位和幅度(“分布式光纤传感器及信息解调方法”，申请号201210099835.8)。本地光的稳定性和调制器的频率稳定性对结果至关重要，特别是本地光的相位漂移，因此需要高稳定的窄相干光源作为本地光，或者采用滤波技术来减小相位漂移带来的影响(梁可桢等人，一种基于相位敏感光时域反射计的多参量振动传感器，中国激光，2012年)。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统，解决大信号相位检测问题，提高系统的频率响应范围。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统，包括：窄线宽激光器(1)、光耦合器(2)、调制器(3)、光隔离器(4)、光纤放大器(5)、环行器(6)、光纤光栅(7)、传感光纤(8)、相干接收器(100)、数据采集卡(9)、信号处理机(10)和脉冲发生器(11)，

其中，窄线宽激光器(1)用于输出窄线宽激光；

所述光耦合器(2)用于将所述窄线宽激光分成两束光，第一束激光输出至调制器；第二束激光作为参考光输出至相干接收器；

所述调制器(3)根据从脉冲发生器加载的脉冲电压信号对所述第一束激光进行调制，以产生周期性重复脉冲光；

所述光隔离器(4)用于对所述周期性重复脉冲光进行单向传输，减小光纤中后向散射光对调制器(3)的影响；

所述光纤放大器(5)用于对所述周期性重复脉冲光进行光功率放大，放大后的脉冲光信号经过环形器输出至光纤光栅；

所述光纤光栅(7)用于对所述脉冲光信号进行滤波，经过滤波后的脉冲光信号通过环形器进入传感光纤，并在沿传感光纤传播过程中产生背向瑞丽散射光，所产生的背向瑞丽散射光在不同时刻对应于不同位置形成干涉信号，所述干涉信号经过所述环形器进入相干接收器；

所述相干接收器(100)包括存在90度相位差上下两个光路，分别对接收到的参考光和信号光进行拍频和光电转换，产生相互正交的时间序列电信号；

所述数据采集卡(9)用于在脉冲发生器输出的脉冲电压信号的触发下采集所述相互正交的时间序列电信号；

所述信号处理机(10)用于将采集到的相互正交的时间序列电信号进行重组并经过反正切相位解调算法和滤波算法得到传感光纤(8)中背向瑞利散射光信号的相位信息；

所述脉冲发生器(11)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号，其中一路用于调制调制器(3)产生脉冲光信号，另一路用于触发数据采集卡(9)采集数据。

(三)有益效果

本发明的优点在于，采用相干接收和正交解调技术，在光路上实现了正交分量的提取，从而实现分布式光纤振动或声信号的测量，可有效减少正交解调算法的运算量，实现大相位信号的动态测量，提高系统的频率响应范围，拓展系统应用领域。本发明在系统中利用相干接收技术在光学上获得了携带相位信号的相互正交的两项，克服了调制器的频率不稳定性对解调结果的影响，同时减小了正交解调算法本身的运算量，提高了频率响应范围，提升了系统对大信号的解调能力，并有望实现信号的实时处理。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统的结构示意图。

图2是本发明中相干接收器的结构示意图。

图3是本发明中正交解调方法的流程图。

图1中，1为窄线宽激光器、2为光耦合器、3为调制器、4为光隔离器、5为掺铒光纤放大器、6为环行器、7为光纤光栅、8为传感光纤、9为数据采集卡、10为信号处理机、11为脉冲发生器，100为由3dB耦合器1001～1004、90度移相器1005和光电转换器1006～1007组成的相干接收器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1是本发明提供的一种基于相干接收技术的分布式光纤传感系统，包括：窄线宽激光器1、光耦合器2、调制器3、光隔离器4、掺铒光纤放大器5、环行器6、光纤光栅7、传感光纤8、相干接收器100、数据采集卡9、信号处理机10和脉冲发生器11，其中窄线宽激光器1的输出端与光耦合器2的输入端a连接，光耦合器2的输出端b与调制器3的输入端相连，光耦合器2的输出端c与相干接收器100的输入端b相连，调制器3的输出端与光隔离器4的输入端相连，光隔离器4的输出端与掺铒光纤放大器5的输入端相连，掺铒光纤放大器5的输出端与环行器6的a端口相连，环行器6的b端口与光纤光栅7相连，环行器6的c端口与传感光纤8相连，环行器6的d端口与相干接收器100的输入端口a相连，相干接收器100的输出端口c、d分别与数据采集卡9的输入端口a、b相连，信号处理机10的输入端口与数据采集卡10的输出端口c相连，脉冲发生器11的输出端口a与调制器3的调制输入端相连，脉冲发生器11的输出端口b与数据采集卡9的触发输入端相连。

相干接收器100，包括：第一3dB耦合器1001、第二3dB耦合器1002、第三3dB耦合器1003、第四3dB耦合器1004、90度移相器1005、第一光电转换器1006和第二光电转换器1007，其中第一3dB耦合器1001的a端与环形器6的d端相连，第一3dB耦合器1001的第一输出端a1与第三3dB耦合器1003的第一输入端c1相连，第一3dB耦合器1001的第二输出端a2与第四3dB耦合器1004的第一输入端e1相连，第二3dB耦合器1002的b端与光耦合器2的c端相连，第二3dB耦合器1002的第一输出端b1与第三3dB耦合器1003的第一输入端d1相连，第二3dB耦合器1002的第二输出b2与90度移相器1005的输入端相连，第四3dB耦合器1004的第二输入端f1与90度移相器1005的输出端相连，第一光电转换器1006的第一输入端c3与第三3dB耦合器1003的第一输出端c2相连，第一光电转换器1006的第二输入端d3与第三3dB耦合器1003的第二输出端d2相连，第二光电转换器1007的第一输入端e3与第四3dB耦合器1004的第一输出端e2相连，第二光电转换器1007的第二输入端f3与第四3dB耦合器1004的第二输出端f2相连。

窄线宽激光器1的输出波长与光纤光栅7的中心波长一致，光纤光栅7的3dB带宽小于0.2nm。

脉冲发生器11发射重复脉冲电压信号作用于调制器3，以产生脉冲光信号，脉冲电压信号的脉冲宽度在10ns-100ns之间。

数据采集卡9接受相干接受器100的输出，其采集的数据被信号处理机10接收，信号处理机10接收的数据为与时间有关系的两个相互正交的一维数组，根据脉冲发生器11输出一路触发脉冲用于触发数据采集卡9采集数据，可以判断数据采集的初始位置，另外根据数据采集卡9的采样率和脉冲发生器11输出脉冲的重复频率可以决定数据取样点数m，当采集n个光脉冲产生的干涉信号序列后，根据上述规则对采集到的一维数组进行重组得到一个二维数组，该二维数组即为m×n的矩阵，m×n的矩阵数据中每列数据对应于传感光纤8上同一位置的相干瑞丽散射形成的干涉信号，通过正交相位解调技术来解调该干涉信号的相位。

在本实施例中，窄线宽激光器采用连续输出的RIO半导体激光器，线宽小于2kHz，工作波长为1550.12nm。所述窄线宽激光器1连续输出窄线宽激光；所述耦合器2用于将所述窄线宽激光分成两束，第一束窄线宽激光经调制器3产生周期性重复脉冲光，调制器3采用声光调制器，通过脉冲发生器11加载脉冲电压信号，脉冲宽度受限于声光调制器的上升下降时间，通常采用10ns～100ns的脉冲宽度，脉冲重复频率与传输光纤长度有关，当光纤长度为10km时，脉冲重复频率最大为10kHz。第二束窄线宽激光进入相干接收器100的b端口，作为相干接收器100的参考光；所述调制器3产生的脉冲光经光隔离器4后进入掺铒光纤放大器5进行光功率放大，所述光隔离器4用于对所述周期性重复脉冲光进行单向传输，减小光纤中后向散射光对调制器3的影响；然后通过环行器6和光纤光栅7对放大后的脉冲光信号进行滤波，光纤光栅7的中心波长与窄线宽激光器1的工作波长一致，光纤光栅的3dB带宽小于0.2nm，以保证进入传感光纤的脉冲光不包含过多的自发辐射光，保证脉冲光的相干性。

经过滤波的所述脉冲光沿传感光纤8传播过程中产生背向瑞利散射，不同位置产生不同的瑞利散射光，当窄线宽激光器1的相干长度大于传输光纤8的长度时，瑞利散射光是相干的。传感光纤8的背向瑞利散射光通过环行器6的第四端口d进入由3dB耦合器1001～1004、90度移相器1005和光电转换器1006～1007组成的相干接收器100，相干接收器另一输入端口b接收耦合器c端口输出的参考光。脉冲发生器11发出周期性重复脉冲后，不同时刻对应于不同位置的相干瑞利散射光形成干涉信号，该干涉信号通过相干接收器100的a端口进入第一3dB耦合器1001，同时通过耦合器2分出的第二束激光作为参考光通过相干接收器100的b端口进入第二3dB耦合器1002，干涉信号和参考光分别被第一3dB耦合器1001和第二3dB耦合器1002分为两部分，其中干涉信号的第一部分通过第一3dB耦合器第一输出端a1进入第三3dB耦合器第一输入端c1，参考光的第一部分通过第二3dB耦合器1002第一输出端b1进入第三3dB耦合器第二输入端d1，在第三3dB耦合器内相互拍频；干涉信号的第二部分通过第一3dB耦合器第二输出端a2进入第四3dB耦合器第一输入端e1，参考光信号的第二部分通过第二3dB耦合器1002第二输出端b2进入90度移相器1005，再进入第四3dB耦合器第二输入端f1，在第四3dB耦合器内相互拍频。由于90度移相器1005的引入，相干接收器100内上下光路之间产生具有90度相位差的光信号，经光电转换器1006、1007转化为相互正交的时间序列的电信号，并被数据采集卡9接收。

数据采集卡接收到的电信号序列储存在信号处理机10上，形成一行数据。每行数据的取样点数m取决于数据采集卡的采样率和脉冲重复频率。当采集n个光脉冲产生的干涉信号序列后，将形成m×n的矩阵数据。由于采用脉冲发生器的触发采集功能，因此每列数据对应的采集位置是相同的。所述信号处理机10用于将采集到的相互正交的时间序列电信号进行重组，得到m×n矩阵数据，并经过反正切相位解调算法和滤波算法得到传感光纤(8)中背向瑞利散射光信号的相位信息。

对于同一位置由于背向相干瑞利散射形成的干涉信号，该干涉信号和参考光信号同时进入相干接收器，由于相干接收器内引入90度移相器1005，上下光路有90度相位差，因此在同列数据中形成的拍频信号存在一90度相位差，该拍频信号的表达式分别为：

$S\left(t\right)+R\left(t\right)\exp \left[j\left(\frac{\mathrm{n\π}}{2}\right)\right]$

其中，S(t)是传感光纤8中相干瑞丽散射光形成的干涉信号，R(t)是参考光信号，n＝0，1，2，3分别对应第三3dB耦合器1003和第四3dB耦合器1004的四个输出。对应的光功率可表示为：

$P\left(n\right)\∝P_s+P_R+2\sqrt{P_s{P}_R}\cos [{\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_c\left(t\right)-\frac{\mathrm{n\π}}{2}]$

其中，P_s和P_R分别对应于相干瑞丽散射光和参考光的光功率，θ_s(t)表示相干瑞丽散射光的相位，θ_c(t)表示参考光的相位，n＝0，1，2，3分别对应第三3dB耦合器1003和第四3dB耦合器1004的四个输出端口的光功率，利用平衡光电转换技术，经过光电转换器后，相干接收器100的两输出端的信号可描述为：

$I_{\mathrm{BD}1}\∝\sqrt{P_s{P}_R}\cos [{\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_c\left(t\right)]$

$I_{\mathrm{BD}2}\∝\sqrt{P_s{P}_R}\sin [{\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_c\left(t\right)]$

其中I_BD1和I_BD2分别对应相干接收器100中光电转换器1006～1007的输出信号，通过正交解调技术中反正切相位解调算法和滤波技术，获得相干瑞丽散射光的相位信号θ_s(t)。

本发明通过在光纤传感系统中引入相干接收器，使其直接在光路上产生相互正交的两路信号，相比于传统技术(需要在信号处理机10上进行混频和低通滤波得到相互正交的两路信号)，本发明能有效减小后续算法的运算量，这对于分布式光纤传感中大数据处理有很大的帮助，可以做到实时处理。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式光纤传感系统，包括：窄线宽激光器(1)、光耦合器(2)、调制器(3)、光隔离器(4)、光纤放大器(5)、环行器(6)、光纤光栅(7)、传感光纤(8)、相干接收器(100)、数据采集卡(9)、信号处理机(10)和脉冲发生器(11)，

其中，窄线宽激光器(1)用于输出窄线宽激光；

所述光耦合器(2)用于将所述窄线宽激光分成两束光，第一束激光输出至调制器；第二束激光作为参考光输出至相干接收器；

所述调制器(3)根据从脉冲发生器加载的脉冲电压信号对所述第一束激光进行调制，以产生周期性重复脉冲光；

所述光隔离器(4)用于对所述周期性重复脉冲光进行单向传输，减小光纤中后向散射光对调制器(3)的影响；

所述光纤放大器(5)用于对所述周期性重复脉冲光进行光功率放大，放大后的脉冲光信号经过环形器输出至光纤光栅；

所述光纤光栅(7)用于对所述脉冲光信号进行滤波，经过滤波后的脉冲光信号通过环形器进入传感光纤，并在沿传感光纤传播过程中产生背向瑞丽散射光，所产生的背向瑞丽散射光在不同时刻对应于不同位置形成干涉信号，所述干涉信号经过所述环形器进入相干接收器；

所述相干接收器(100)包括存在90度相位差上下两个光路，分别对接收到的参考光和信号光进行拍频和光电转换，产生相互正交的时间序列电信号；

所述数据采集卡(9)用于在脉冲发生器输出的脉冲电压信号的触发下采集所述相互正交的时间序列电信号；

所述信号处理机(10)用于将采集到的相互正交的时间序列电信号进行重组并经过反正切相位解调算法和滤波算法得到传感光纤(8)中背向瑞利散射光信号的相位信息；

所述脉冲发生器(11)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号，其中一路用于调制调制器(3)产生脉冲光信号，另一路用于触发数据采集卡(9)采集数据。

2.如权利要求1所述的光纤传感系统，其中，所述相干接收器包括：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、90度移相器、第一光电转换器和第二光电转换器，其中，所述第一耦合器、第三耦合器和第一光电转换器构成上光路，第二耦合器、90度移相器、第四耦合器和第二光电转换器构成下光路，所述干涉信号被第一耦合器分成两部分，分别进入第三耦合器和第四耦合器，所述参考光被第二耦合器分成两部分，一部分直接进入第三耦合器与所述干涉信号进行拍频，然后进入第一光电转换器进行光电转换，另一部分经过90度移相器进入第四耦合器与所述干涉信号进行拍频，然后进入第二光电转换器进行光电转换。

3.如权利要求1所述的光纤传感系统，其中，所述窄线宽激光器的输出波长与光纤光栅的中心波长一致，光纤光栅的3dB带宽小于0.2nm。

4.如权利要求1所述的光纤传感系统，其中，脉冲发生器发射重复脉冲电压信号作用于调制器，产生周期性重复脉冲光，脉冲电压信号的脉冲宽宽在10ns-100ns之间。

5.如权利要求1所述的光纤传感系统，其中，所述数据采集卡通过采集所述相互正交的时间序列电信号而形成m×n矩阵数据，其中每列数据对应于同一位置的干涉信号，通过正交解调技术可解调得到干涉信号的相位，m、n为正整数。

6.如权利要求5所述的光纤传感系统，其中，所述脉冲发生器每输出一路脉冲电压信号，所述数据采集卡就被触发采集数据，所述m由脉冲发生器输出脉冲电压信号的重复频率和所述数据采集卡的采样率确定，所述n为所述脉冲发生器输出的脉冲电压信号个数。

7.如权利要求1所述的光纤传感系统，其中，所述相干接收器产生的相互正交的时间序列电信号分别为I_BD1和I_BD2，如下表示：

$I_{\mathrm{BD}1}\∝\sqrt{P_s{P}_R}\cos [{\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_c\left(t\right)]$

$I_{\mathrm{BD}2}\∝\sqrt{P_s{P}_R}\sin [{\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_c\left(t\right)]$

其中，P_s和P_R分别对应于所述干涉信号和参考光的光功率，θ_s(t)表示干涉信号的相位，θ_c(t)表示参考光的相位；

通过反正切相位解调算法和滤波技术，可以从上述相互正交的时间序列电信号I_BD1、I_BD2的表达式得到干涉信号的相位。