CN104819770A - 基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感领域，特别是指一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法。所述装置由窄线宽激光器、耦合方式为1×2的光纤耦合器、偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器、第一可调光衰减器、三端口环行器、传感光纤、耦合方式为2×1的光纤耦合器、光电探测器、信号采集及处理模块、任意波形发生器、功率放大器和第二可调光衰减器组成。本发明将外差检测和相位解调结合起来，通过直接解调相位实现外界振动传感，可提供一种具有更高灵敏度的相位光时域反射装置和方法。另外，由于本发明采用全新的直接相位解调的方法对外界振动进行传感，故各振动点的定位方法较之以往也不同。

Description

基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是指一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感技术以其可连续感知光纤沿线上任一点的温度、应变等参量变化、光纤集信号传感与传输于一体、便于长距离传感和大规模组网等优点，已广泛应用于国民经济与人们日常生活的方方面面，包括建筑物、桥梁、大坝、隧道、河堤、飞机、船舶、工厂设备等的结构安全监测，输油管道和高压线路等危险场合的泄漏检测，边界入侵行为的实时监测以及通信光缆的故障点检测等。

光时域反射技术是一种发展得非常成熟的分布式光纤传感技术，它主要用于光纤沿线损耗、弯曲、断裂、熔接点等的检测，而相位光时域反射技术是在光时域反射技术基础上发展起来的另一种分布式光纤传感技术，与光时域反射技术相比，它采用高相干光源。若光纤沿线某位置处发生振动，会引起光纤长度及折射率的变化进而导致光相位发生变化，由于所用光源的高相干特性，还会导致该位置处后向散射光强的变化，由此实现光纤沿线的振动测量。相位光时域反射技术已广泛应用于边界线上入侵行为的实时监测和预警。

传统的相位光时域反射系统采用直接检测的方法，为进一步提高系统信噪比，Yuelan Lu等人在《Distributed Vibration Sensor Based on Coherent Detection of Phase-OTDR(基于相位光时域反射相干检测的分布式振动传感器)》(Journal of Lightwave Technology,28(22):3243-3249,2010)一文中提出了一种基于外差检测方法的相位光时域反射系统，中国专利申请《相位OTDR系统中振动信号位置和频率的同时提取方法》(公布号：CN104132693A，公布日：2014.11.05)中也提到了这种方法。但上述方法都是利用相位变化引起的光强变化进行振动传感，而非直接利用相位变化进行振动传感，考虑到强度调制型光纤传感的灵敏度低于相位调制型光纤传感，故上述方法在微弱振动信号的检测方面具有很大局限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法，旨在实现高灵敏度的分布式振动测量。本发明将外差检测和相位解调结合起来，通过直接解调相位实现外界振动传感，可提供一种具有更高灵敏度的相位光时域反射装置和 方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，由窄线宽激光器、耦合方式为1×2的光纤耦合器、偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器、第一可调光衰减器、三端口环行器、传感光纤、耦合方式为2×1的光纤耦合器、光电探测器、信号采集及处理模块、任意波形发生器、功率放大器和第二可调光衰减器组成，所述窄线宽激光器通过连接光纤连接至1×2光纤耦合器的第一端口，所述1×2光纤耦合器的第二端口通过偏振控制器连接至声光调制器的光纤输入端口，所述声光调制器的光纤输出端口依次通过掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器和第一可调光衰减器连接至三端口环行器的第一端口，所述三端口环行器的第二端口连接至传感光纤，所述三端口环行器的第三端口通过连接光纤连接至2×1光纤耦合器的第一端口，所述1×2光纤耦合器的第三端口通过第二可调光衰减器连接至2×1光纤耦合器的第二端口，所述2×1光纤耦合器的第三端口通过连接光纤连接至光电探测器的输入端口，所述光电探测器的输出端口通过连接电缆与信号采集及处理模块的第一端口连接，所述信号采集及处理模块包含乘法功能、低通滤波功能、反正切运算功能、相位修正功能、高通滤波功能和付立叶变换功能，用于实现对外界振动信号进行解调和定位，信号采集及处理模块的第二端口通过连接电缆与任意波形发生器的第一端口相连，所述任意波形发生器的第二端口通过功率放大器与声光调制器的射频输入端口相连。

优选地，所述窄线宽激光器的波长位于C波段，线宽小于1kHz，光功率大于1mW。

优选地，所述耦合方式为1×2的光纤耦合器和耦合方式为2×1的光纤耦合器的分束比均为1：1。

优选地，所述声光调制器的频移在200MHz和300MHz之间。

优选地，所述窄带光纤滤波器的中心波长与窄线宽激光器的波长一致，带宽越窄越好。

优选地，所述传感光纤为小于1km的普通单模光纤。

优选地，所述光电探测器为平衡光电探测器，带宽大于声光调制器频移约50MHz，且具有交流工作模式。

优选地，所述信号采集及处理模块的采样率大于声光调制器频移的4倍。

优选地，所述任意波形发生器的带宽大于声光调制器的频移，采样率大于声光调制器频移的4倍，且越大越好；任意波形发生器产生脉冲信号的周期大于单个脉冲往返传感光纤所用的时间，脉宽根据实际应用的空间分辨率决定，一般为10ns。

优选地，所述功率放大器的增益根据实际应用确定。

本发明还提供一种采用如上所述装置对外界振动信号进行解调及定位的方法，该方法的步骤如下：

第一步，由光电探测器探测到后向散射光与参考光生成的外差信号输入信号采集与处理模块先进行信号采集，然后分为两路信号：一路信号与具有外差频率的正弦信号相乘并进行低通滤波，另一路信号与具有外差频率的余弦信号相乘并进行低通滤波，将两路的输出结果进行反正切运算得到相位，考虑到反正切运算的值域为(-π/2,π/2)，而外界振动引起的实际相位可能超出此范围，故要对得到的相位进行修正，将修正后的相位进行高通滤波，至此完成相位解调过程；

第二步，将传感光纤某一位置不同时刻的解调相位按时间顺序形成新序列，对其进行付立叶变换得到该位置处的频谱图进而得到振动信号频率；

第三步，针对传感光纤上的不同位置，利用第二步所述方法，得到传感光纤上任一位置处的频谱图及振动信号频率；

第四步，沿传感光纤正向传输方向，观察传感光纤各个位置处对应的频谱图，在传感光纤沿线各振动信号彼此独立正交的条件下，利用频谱图上新频率首次出现对应的位置作为该频率的振动信号的位置，从而实现对外界振动信号的定位。

以传感光纤沿线Z₁、Z₂、……、Z_N位置处分别具有频率为f₁、f₂、……、f_N的N个彼此独立正交的振动信号为例说明上述第四步的具体实现过程：由于Z₁处施加有频率为f₁的振动信号，故该位置对应的频谱图具有频率为f₁的一个谱峰；由于Z₂处施加有频率为f₂的振动信号，故从该位置返回的脉冲同时包含了Z₁处频率为f₁的振动信息和Z₂处频率为f₂的振动信息，即Z₂对应的频谱图具有频率为f₁和f₂的两个谱峰；……；依次类推，由于Z_N处施加有频率为f_N的振动信号，故从该位置返回的脉冲同时包含了Z₁处频率为f₁的振动信息、Z₂处频率为f₂的振动信息、……、Z_(N-1)处频率为f_(N-1)的振动信息和Z_N处频率为f_N的振动信息，即Z_N对应的频谱图具有频率为f₁、f₂、……、f_(N-1)和f_N的N个谱峰，故频谱图上新频率首次出现对应的位置即该频率的振动信号的位置。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明提供的基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法，将外差检测和相位解调结合起来，通过直接解调相位实现外界振动的分布式传感。由于相位调制型的光纤传感比强度调制型的光纤传感具有更高的灵敏度，故与现有的通过强度检测实现分布式振动传感的相位光时域反射系统相比，本发明提供了一种具有更高灵敏度的分布式振动传感系统，对于国境、军事基地、核设施、银行、监狱等重要场所的入侵行为的准确识别、及时预警和 快速定位等具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置的结构示意图。

其中：01为窄线宽激光器，02为耦合方式为1×2的光纤耦合器，03为偏振控制器，04为声光调制器，05为掺铒光纤放大器，06为窄带光纤滤波器，07为第一可调光衰减器，08为三端口环行器，09为传感光纤，10为耦合方式为2×1的光纤耦合器，11为光电探测器，12为信号采集及处理模块，13为任意波形发生器，14为功率放大器，15为第二可调光衰减器；

021为1×2光纤耦合器的第一端口，022为1×2光纤耦合器的第二端口，023为1×2光纤耦合器的第三端口，081为三端口环行器的第一端口，082为三端口环行器的第二端口，083为三端口环行器的第三端口，101为2×1光纤耦合器的第一端口，102为2×1光纤耦合器的第二端口，103为2×1光纤耦合器的第三端口。

本发明所用连接光纤均为普通单模光纤，所用连接电缆均为自带的连接线或具有标准接口的连接线。

图2是本发明的信号采集及处理模块的工作流程图。

图3是本发明信号采集及处理模块中相位修正原理的示意图。

图4是本发明外界振动信号的定位方法的一个具体实施例的示意图。其中：光发射、接收及信号处理模块为图1中除传感光纤09外的其他部分，在传感光纤沿线Z₁、Z₃和Z₅位置处分别施加频率为1kHz、800Hz和600Hz的振动信号。

本发明目的的实现及功能特点等将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明提出一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，该装置由窄线宽激光器01、耦合方式为1×2的光纤耦合器02、偏振控制器03、声光调制器04、掺铒光纤放大器05、窄带光纤滤波器06、第一可调光衰减器07、三端口环行器08、传感光纤09、耦合方式为2×1的光纤耦合器10、光电探测器11、信号采集及处理模块12、任意波形发生器13、功率放大器14和第二可调光衰减器15组成，所述窄线宽激光器01通过连接光纤连接至1×2光纤耦合器02的第一端口021，所述1×2光纤耦合器02的第二端口022通过偏振控制器03连接至声光调制器04的光纤输入端口，所述声光调制器04的光纤输出端口依次通过掺铒光纤放大器05、窄带光纤滤波器06和第一可调光衰减器07连接至三端口环行器08的第一端 口081，所述三端口环行器08的第二端口082连接至传感光纤09，所述三端口环行器08的第三端口083通过连接光纤连接至2×1光纤耦合器10的第一端口101，所述1×2光纤耦合器02的第三端口023通过第二可调光衰减器15连接至2×1光纤耦合器10的第二端口102，所述2×1光纤耦合器10的第三端口103通过连接光纤连接至光电探测器11的输入端口，所述光电探测器11的输出端口通过连接电缆与信号采集及处理模块12的第一端口连接，所述信号采集及处理模块12用于对外界振动信号进行解调和定位，信号采集及处理模块12的第二端口通过连接电缆与任意波形发生器13的第一端口相连，所述任意波形发生器13的第二端口通过功率放大器14与声光调制器04的射频输入端口相连。

本发明的工作原理如下：窄线宽激光器01的输出光经1×2光纤耦合器02分为两束，一束光从1×2光纤耦合器第二端口022输出，作为传感用的探测光，另一束光从1×2光纤耦合器第三端口023输出，作为外差检测的参考光：参考光经第二可调光衰减器15调节光功率后进入2×1光纤耦合器的第二端口102；探测光经偏振控制器03调节偏振态后进入声光调制器04的光纤输入端，任意波形发生器13产生与声光调制器04频移一致的移频脉冲信号，经功率放大器14放大后进入声光调制器04的射频输入端，故从声光调制器04光纤输出端输出的探测光为经移频后的脉冲光，所述脉冲光经掺铒光纤放大器05放大后进入窄带光纤滤波器06进行滤波，用于滤除其带宽以外的放大自发辐射噪声，经滤波后的脉冲光再经第一可调光衰减器07调节光功率后进入三端口环行器08的第一端口081，并经三端口环行器08的第二端口082进入传感光纤09，脉冲光在传感光纤09的各个位置处均会产生后向散射光，当传感光纤09感应到施加在其不同位置处不同频率的外界振动信号时，带有外界振动信息的后向散射光经环行器的第二端口082和第三端口083进入2×1光纤耦合器的第一端口101；从2×1光纤耦合器第一端口101进入的后向散射光和从2×1光纤耦合器第二端口102进入的参考光经2×1光纤耦合器第三端口103输出进入光电探测器11并在光电探测器11上进行光学混频，所述光电探测器11输出后向散射光和参考光的拍频信号，所述拍频信号的频率为后向散射光和参考光的频差即声光调制器04的频移，拍频信号经信号采集及处理模块12后最终得到外界振动信号的频率和位置信息。信号采集及处理模块12与任意波形发生器13相连并保持二者的时钟同步，即后向散射脉冲光和参考光产生的外差信号与经声光调制器04产生的脉冲信号在时钟上保持同步，以便于后续的相位解调过程。

如图2所示，信号采集及处理模块12的工作流程及工作原理如下：

光电探测器11采用交流工作模式，故采集到的外差信号为：

      

其中Δf为后向散射光和参考光的频差，为传感光纤09不同位置处对应的外界信号引起的后向散射光和参考光的相位差，为环境扰动引起的相位漂移及初相位。利用频率为Δf的正弦函数和余弦函数作为正交参考信号分别与式(1)相乘可得：

      

      

将式(2)和式(3)分别进行低通滤波滤除高频分量可得：

      

      

将式(4)和式(5)相除并利用反正切算法可得：

      

考虑到arctg函数的值域为(-π/2,π/2)，而外界振动信号对应的实际相位可能超出此范围，使得实际相位与通过式(6)得到的解调相位之间相差kπ(k＝0,1,2…)即π的加权系数倍，故需要对解调相位进行修正以获得实际相位。

如图3所示，假设实际相位和解调相位分别为Y和y，第n个采样点的实际相位Y(n)位于(-π/2,π/2)内，故Y(n)与解调相位y(n)相等；若第(n+1)个采样点的实际相位Y(n+1)比π/2大x，则解调相位y(n+1)比-π/2大x，即Y(n+1)＝y(n+1)+π。

从上述规律出发，经验证可得相位修正原则如下：在相邻采样点实际相位的差值不超过π/2的前提下(对于所测连续信号均可满足)，当采样点之间的解调相位差小于-π/2时，π加权系数在前一个采样点加权系数基础上增加1；当采样点之间的解调相位差大于π/2时，π加权系数在前一个采样点加权系数基础上减小1；而在-π/2与π/2之间时，保持前一个采样点加权系数不变。

将修正后的相位进行高通滤波滤除后可得单个脉冲对应的传感光纤不同位置处的外界信号

假设第一个脉冲对应的外界信号为第二个脉冲对应的外界信号为依次类推，第N个脉冲对应的外界信号为将传感光纤特定位置处不同脉冲对应的外界信号依次排列构成新序列，如Z₁处的新序列为Z₂处的新序列为等等。将各个位置处的新序列分别进行付立叶变换，得到相应位置处的频谱信息，并通过分析频谱实现外界不同频率振动信号的定位，定位方法如下文所述。

本发明外界振动信号的定位方法示意图如图4所示：在传感光纤沿线Z₁、Z₃和Z₅位置处 分别施加频率为1kHz、800Hz和600Hz的三个彼此独立正交的振动信号，由于Z₁处施加有频率为1kHz的振动信号，故该位置对应的频谱图具有1kHz处一个谱峰；尽管Z₂处未施加频率为1kHz的振动信号，但从该位置返回的脉冲包含了Z₁处的振动信息，故Z₂对应的频谱图同样具有1kHz处一个谱峰；由于Z₃处施加有频率为800Hz的振动信号，故从该位置返回的脉冲同时包含了Z₁处1kHz的振动信息和Z₃处800Hz的振动信息，即Z₃对应的频谱图具有1kHz处和800Hz处两个谱峰；同理，Z₄对应的频谱图也具有1kHz处和800Hz处两个谱峰，而Z₅对应的频谱图同时具有1kHz处、800Hz处和600Hz处三个谱峰。综上所述，在传感光纤沿线各振动信号彼此独立正交的条件下，就可以利用频谱图上新频率首次出现对应的位置作为该频率的振动信号的位置。

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，所应理解的是，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 (10)

1.一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：该装置由窄线宽激光器(01)、耦合方式为1×2的光纤耦合器(02)、偏振控制器(03)、声光调制器(04)、掺铒光纤放大器(05)、窄带光纤滤波器(06)、第一可调光衰减器(07)、三端口环行器(08)、传感光纤(09)、耦合方式为2×1的光纤耦合器(10)、光电探测器(11)、信号采集及处理模块(12)、任意波形发生器(13)、功率放大器(14)和第二可调光衰减器(15)组成，所述窄线宽激光器(01)通过连接光纤连接至1×2光纤耦合器(02)的第一端口(021)，所述1×2光纤耦合器(02)的第二端口(022)通过偏振控制器(03)连接至声光调制器(04)的光纤输入端口，所述声光调制器(04)的光纤输出端口依次通过掺铒光纤放大器(05)、窄带光纤滤波器(06)和第一可调光衰减器(07)连接至三端口环行器(08)的第一端口(081)，所述三端口环行器(08)的第二端口(082)连接至传感光纤(09)，所述三端口环行器(08)的第三端口(083)通过光纤连接至2×1光纤耦合器(10)的第一端口(101)，所述1×2光纤耦合器(02)的第三端口(023)通过第二可调光衰减器(15)连接至2×1光纤耦合器10的第二端口(102)，所述2×1光纤耦合器(10)的第三端口(103)通过光纤连接至光电探测器(11)的输入端口，所述光电探测器的输出端口通过连接电缆与信号采集及处理模块(12)的第一端口连接，所述信号采集及处理模块(12)包含乘法功能、低通滤波功能、反正切运算功能、相位修正功能、高通滤波功能和付立叶变换功能，用于实现对外界振动信号的解调和定位，信号采集及处理模块(12)的第二端口通过连接电缆与任意波形发生器(13)的第一端口相连，所述任意波形发生器(13)的第二端口通过功率放大器(14)与声光调制器(04)的射频输入端口相连；

窄线宽激光器(01)的输出光经1×2光纤耦合器(02)分为两束，一束光从1×2光纤耦合器第二端口(022)输出，作为传感用的探测光，另一束光从1×2光纤耦合器第三端口(023)输出，作为外差检测的参考光：参考光经第二可调光衰减器(15)调节光功率后进入2×1光纤耦合器的第二端口(102)；探测光经偏振控制器(03)调节偏振态后进入声光调制器(04)的光纤输入端，任意波形发生器(13)产生与声光调制器(04)频移一致的移频脉冲信号，经功率放大器(14)放大后进入声光调制器(04)的射频输入端，故从声光调制器(04)光纤输出端输出的探测光为经移频后的脉冲光，所述脉冲光经掺铒光纤放大器(05)放大后进入窄带光纤滤波器(06)进行滤波，用于滤除其带宽以外的放大自发辐射噪声，经滤波后的脉冲光再经第一可调光衰减器(07)调节光功率后进入三端口环行器(08)的第一端口(081)，并经三端口环行器(08)的第二端口(082)进入传感光纤(09)，脉冲光在传感光纤(09)的各个位置处均会产生后向散射光，当传感光纤(09)感应到施加在其不同位置处不同频率的外界振动信号时，带有外界振动信息的后向散射光经环行器的第二端口(082)和第三端口(083)进入2×1光纤耦合器的第一端口(101)；从2×1光纤耦合器第一端口(101)进入的后向散射光和从2×1光纤耦合器第二端口(102)进入的参考光经 2×1光纤耦合器第三端口(103)输出进入光电探测器(11)并在光电探测器(11)上进行光学混频，所述光电探测器(11)输出后向散射光和参考光的拍频信号，所述拍频信号的频率为后向散射光和参考光的频差即声光调制器(04)的频移，拍频信号经信号采集及处理模块(12)后最终得到外界振动信号的频率和位置信息。

2.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述窄线宽激光器(01)的波长位于C波段，线宽小于1kHz，光功率大于1mW。

3.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述耦合方式为1×2的光纤耦合器(02)和耦合方式为2×1的光纤耦合器(10)的分束比均为1：1。

4.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述声光调制器(04)的频移在200MHz和300MHz之间。

5.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述窄带光纤滤波器(06)的中心波长与窄线宽激光器(01)的波长一致。

6.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述传感光纤(09)为小于1km的普通单模光纤。

7.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述光电探测器(11)为平衡光电探测器，带宽大于声光调制器频移约50MHz，且具有交流工作模式。

8.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述信号采集及处理模块(12)的采样率大于声光调制器频移的4倍。

9.一种如权利要求1所述基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：所述任意波形发生器(13)的带宽大于声光调制器(04)的频移，采样率大于声光调制器(04)频移的4倍，任意波形发生器(13)产生的脉冲信号的周期大于单个脉冲往返传感光纤(09)所用的时间。

10.一种采用如权利要求1所述装置对外界振动信号进行解调及定位的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

第一步，由光电探测器探测到后向散射光与参考光生成的外差信号输入信号采集与处理模块先进行信号采集，然后分为两路信号：一路信号与具有外差频率的正弦信号相乘并进行低通滤波，另一路信号与具有外差频率的余弦信号相乘并进行低通滤波，将两路的输出结果进行反正切运算得到相位，对得到的相位进行修正，将修正后的相位进行高通滤波，完成相位解调过程；

第二步，将传感光纤某一位置不同时刻的解调相位按时间顺序形成新序列，对其进行付立叶变换得到该位置处的频谱图进而得到振动信号频率；

第三步，针对传感光纤上的不同位置，利用第二步所述方法，得到传感光纤上任一位置处的频谱图及振动信号频率；

第四步，沿传感光纤正向传输方向，观察传感光纤各个位置处对应的频谱图，在传感光纤沿线各振动信号彼此独立正交的条件下，利用频谱图上新频率首次出现对应的位置作为该频率的振动信号的位置，从而实现对外界振动信号的定位。