CN105222815A - 基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计 - Google Patents
基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，包括激光光源、光脉冲调制器、第一光放大器、第一环形器、第二光放大器、第二环形器、光纤光栅、120度相差干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡和数据处理系统；所述的激光光源发出的光经光脉冲调制器调制成脉冲光后通过所述的第一光放大器放大后，由第一环形器的一端口进二端口注入到传感光纤中；使用具有120度相位差的3×3耦合器搭建的干涉仪对光纤中瑞利散射光的相位进行分布式解调，获取光纤沿线分布的相位信息，从而对振动、温度、应变等信息进行传感。
Description
技术领域
本发明涉及相位敏感光时域反射计，特别是一种基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计。
背景技术
相位敏感光时域反射计是一种基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，具有灵敏度高、反应灵敏、探测距离长、可动态检测等优点，能对沿光纤线路范围内的扰动进行远距离实时的监测，从而受到了广泛关注。该技术除了具有常规分布式光纤传感的诸多特点外，还具有定位精度高、数据处理简单等优点，具有广泛的应用前景，特别适合于天然气、石油管道、小区边界等安全监控，以及民用设施如桥梁、铁轨、大型建筑等的健康安全监测。
H.F.Taylor在在先技术之一【H.F.TaylorandC.E.Lee.Apparatusandmethodforfiberopticintrusionsensing.U.S.Patent5,1993:194847.】提出相位敏感光时域反射计技术，该技术极大提高了分布式光纤传感技术的灵敏度。但是由于采用的是直接探测的方法，而强度信息作为传感系统的信号会导致信噪比较低，因此只能进行定性传感，无法进行定量分析，只能在周界安防等应用中使用，难以满足其他实际应用中的诸多复杂需求。该技术方案中，光源的相干长度决定了分布式传感的探测距离，也就是限制了长距离分布式传感的进一步实现，且对系统的成本要求高。
一般而言，相位敏感光时域反射计采用窄线宽(kHz量级)和极小频率漂移的激光器作为光源，通过探测脉冲宽度区域内后向瑞利散射光的干涉信号而获得扰动位置处的各种特征物理量(振幅、相位、频率等)，需要光源有很长的相干长度，也就是说对于主光源激光器要求非常高。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明提出一种基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，通过对瑞利散射光的零外差检测来解调光纤中的相位分布，以期降低相位敏感光时域反射计对于光源的高要求，并使用一种“逆传输矩阵”解调算法，将传感系统本身的参数考虑进去，真实可靠地反应相位分布，并提高数据处理速度。
本发明的技术解决方案如下：一种基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，该装置包括激光光源(1)、光脉冲调制器(2)、第一光放大器(3)、第一环形器(4)、第二光放大器(5)、第二环形器(6)、光纤光栅(7)、120度相差干涉仪(90)、第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)、第三光电探测器(14)、数据采集卡(15)和数据处理系统(16)；所述的激光光源(1)发出的光经光脉冲调制器(2)调制成脉冲光后通过所述的第一光放大器(3)放大后，由第一环形器(4)的一端口进二端口注入到传感光纤中，从传感光纤反射回来的背向散射光再经过第一环形器(4)的三端口输出，输出的光通过第二光放大器(5)放大后，从第二环形器(6)的一端口进二端口、二端口出口注入到光纤光栅(7)，光纤光栅(7)对散射光进行滤波后通过第二环形器(6)的二端口进三端口、三端口出口注入到120度相差干涉仪(90)中，散射光经过120度相差干涉仪(90)发生干涉后输出三路干涉光，分别注入第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)，再使用三通道的数据采集卡(15)对这三路信号进行采集接收，数据处理系统(16)对采集得到的信号进行处理得到光纤沿线分布的散射信息，其中光脉冲调制器(2)和数据采集卡(15)都由射频源(17)施加的脉冲信号控制，从而保证光脉冲调制器(2)的调制信号和数据采集卡采集信号二者同步，120度相差干涉仪内包括
3×3耦合器(9)和右端口设有延时光纤(18)相连接，构成非平衡干涉仪，非平衡干涉仪的干涉臂长差由延时光纤(18)控制；其中120度相差干涉仪(90)放置在密封的隔热隔震密封箱内。防止干涉仪受外界扰动影响。保证干涉仪本身的参数如损耗、偏振等保持稳定。
进一步，120度相差干涉仪使用迈克尔逊干涉仪结构，迈克尔逊干涉仪结构的120度相差干涉仪(901)由第三环形器(8)、3×3耦合器(9)、第一法拉第旋转镜(10)、第二法拉第旋转镜(11)、延时光纤(18)构成，其连接方式如下：
第三环形器(8)的第二端口连接3×3耦合器(9)的左一端口，(其三端口作为120度相差干涉仪的其中一路输出端口)；3×3耦合器(9)的右一、二端口分别连接第一法拉第旋转镜(11)和延时光纤(18)左端口，延时光纤(18)右侧端口连接第二法拉第旋转镜(10)，3×3耦合器(9)的右三端口用折射率匹配液覆盖进行防反射处理；第三环形器(8)的第三端口和3×3耦合器(9)左一、左二端口分别为120度相差干涉仪的三路输出，分别连接第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)。
散射光通过第三环形器(8)注入到3×3耦合器(9)的左一端口，散射光分成三束后，其中一束经过第一法拉第旋转镜(10)反射回来，一束由于对端面进行了防反射处理无反射，另一束通过有一定延时的第二法拉第旋转镜(11)反射回来，反射回来的散射光都再经过3×3耦合器(9)合束、分束后分别注入第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)，再使用三通道的数据采集卡(15)对这三路信号进行采集接收，数据处理系统(16)对采集得到的信号进行处理得到光纤沿线分布的散射信息，其中脉冲调制器(2)和数据采集卡(15)都由射频源(17)施加的脉冲信号控制以保持同步，干涉仪臂长差由延时光纤(18)控制。
进一步，120度相差干涉仪使用马赫-曾德尔干涉仪结构；马赫-曾德尔干涉仪结构由2×2耦合器(88)、3×3耦合器(9)和延时光纤(18)构成，其连接方式如下：
2×2耦合器(88)的左二端口与3×3耦合器(9)的右二端口相连，且2×2耦合器(88)的左一端口、3×3耦合器(9)的右一端口之间通过延时光纤(18)相连接；3×3耦合器(9)的左侧3个端口为120度相差干涉仪输出端口，分别连接第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)；2×2耦合器(88)的右一二端口与第二环形器(6)的三端口连接。
使用干涉仪参数的逆传输矩阵解调方案。在传感检测之前，先测试3×3耦合器(9)的分光比、光电探测器的响应度及相位差有关的仪器常数等参数，根据这些参数，然后对散射光进行检测得到第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)的光电流I1、I2、I3，数据采集卡(15)获得这些数据后传输给数据处理系统(16)，求取相位分布。
本发明的具体原理如下：
激光入射到传感光纤中产生瑞利散射光，经过有一定臂长差的干涉仪后，光纤中不同位置处的散射光之间会发生干涉，得到的光强与两个位置的相位差相关，通过解调算法可以求取这些相位差分布，具有120度相位差的3×3耦合器搭建的干涉仪能够对这种相位差进行直接解调。
定义入射散射光为非平衡干涉仪的臂长差为τ，散射光在t时刻与t-τ时刻的相位差为定义干涉仪的一些基本参数如下：
cnm＝pmmb′nmbm1
θn＝(θ′n2+θ21)-(θ′n1+θ11)
ηn′＝2p11b′n1b11p22b′n2b21cosθn＝2cn1cn2cosθn
ηn＝rnηn′
其中n＝1,2,3为干涉仪的三个输出端口,m＝1,2为干涉仪的干涉臂端口.pmm为干涉臂的传输损耗，bmnandθmn分别为n端口到m端口的分光比盒相位延迟，b′mnandθ′mn则是m端口到n端口的分光比和相位延迟，rn为光电探测器的响应度。
则干涉仪n端口的信号光强为
因此光电探测器(12、13、14)的输出光电流为
若定义矩阵为
则探测器阵列的输出光电流矩阵可以表示为
其中ηn，ξn均是与120度相差干涉仪和光电探测器相关的参数，可以根据(1)式可以计算得到，则有
根据(3)式中的定义，有
定义参数矩阵A为
其中，Ai(i＝1，...，6)是和光电探测器12、13、14的响应度、3×3耦合器(9)的分光比例以及相位差有关的仪器常数，可以根据(1)式中的参数计算得到。因此，相位差与第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)、第三光电探测器(14)在t时刻输出的光电流I1(t)、I2(t)、I3(t)的关系可以用(9)式表示：
于是检测得了光电探测器12、13、14的光电流之后就可以根据(7)式解调出散射光在t时刻与t-τ时刻的相位差。这种方案的优势在于将干涉仪的参数都考虑在解调算法内，计算得到的结果更真实可靠。
本发明的有益效果如下：
1、本发明对激光器要求低，探测距离不受激光器线宽影响；
2、本发明中使用干涉仪结构解调相位，能够有效地避免衰落效应；
3、使用逆传输矩阵算法，运算速度快速有效，能真实地反应相位分布。
本发明中通过对干涉仪输出光强的直接探测并利用干涉仪的逆传输矩阵解调得到相位差分布，解调方案简单快速有效，能够真实准确地反应光纤中的相位分布信息。本发明属于低相干解调技术，对激光光源要求低，可以降低分布式光纤传感系统的成本。
附图说明
图1是本发明基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计的基本结构框图。
图2是本发明实施例1的系统结构示意图。
图3是本发明实施例2的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，根据本发明的思想，可以采用若干实施方法，如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案不局限于此。
图1是本发明基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计的基本结构框图。
实施例1：
如图2所示，激光光源(1)发出的光经光脉冲调制模块(2)调制成脉冲光后通过所述的第一光放大器(3)放大，然后由第一环形器(4)得二端口注入到传感光纤中，从传感光纤反射回来的背向散射光再经过第一环形器(4)的三端口输出，输出的光通过第二光放大器(5)放大后，从第二环形器(6)的一端口进二端口出注入到光纤光栅(7)，光纤光栅(7)对散射光进行滤波后通过第二环形器的二端口进三端口出注入到第三环形器(8)中，散射光通过第三环形器(8)注入到3×3耦合器(9)的左一端口，散射光分成三束后，其中一束经过第一法拉第旋转镜(10)反射回来，一束由于对端面进行了防反射处理无法反射，另一束通过有一定延时的第二法拉第旋转镜(11)反射回来，反射回来的散射光都再经过3×3耦合器(9)合束、分束后分别注入第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)，再使用三通道的数据采集卡(15)对这三路信号进行采集接收，数据处理系统(16)对采集得到的信号进行处理得到光纤沿线分布的散射信息，其中脉冲调制器(2)和数据采集卡(15)都由射频源(17)施加的脉冲信号控制以保持同步，干涉仪臂长差由延时光纤(18)控制。在传感检测之前，先测试3×3耦合器(9)的分光比、光电探测器的响应度等参数，根据这些参数求取(1)式中的参数A1～A6，然后对散射光进行检测得到第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)的光电流I1、I2、I3，数据采集卡(15)获得这些数据后传输给数据处理系统(16)，根据(9)式求取相位分布。
实施例2：
如图3所示，使用的是基于具有120度相位差的3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪。激光光源(1)发出的光经光脉冲调制模块(2)调制成脉冲光后通过所述的第一光放大器(3)放大，然后由第一环形器(4)得二端口注入到传感光纤中，从传感光纤反射回来的背向散射光再经过第一环形器(4)的三端口输出，输出的光通过第二光放大器(5)放大后，从第二环形器(6)的一端口进二端口出注入到光纤光栅(7)，光纤光栅(7)对散射光进行滤波后通过第二环形器的二端口进、三端口出注入到1:1耦合器(88)中，散射光通过1:1耦合器(88)后分束，两束光经过光程差一定的两端光纤后，分别注入到3×3耦合器(9)右侧的两个端口，散射光分成三束后，分别注入第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)，再使用三通道的数据采集卡(15)对这三路信号进行采集接收，数据处理系统(16)对采集得到的信号进行处理得到光纤沿线分布的散射信息，其中脉冲调制器(2)和数据采集卡(15)都由射频源(17)施加的脉冲信号控制以保持同步，光程差由延时光纤(18)控制。在传感检测之前，先测试3×3耦合器(9)的分光比、探测器的响应度等参数，根据这些参数求取(1)式中的参数A1～A6，然后对散射光进行检测得到第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)的光电流I1、I2、I3，数据采集卡(15)获得这些数据后传输给数据处理系统(16)，根据(9)式求取相位分布。
以上方案均可以进行未超出本发明范围的多种拓展或变形，限于篇幅不再赘述，但均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，其特征在于包括激光光源(1)、光脉冲调制器(2)、第一光放大器(3)、第一环形器(4)、第二光放大器(5)、第二环形器(6)、光纤光栅(7)、120度相差干涉仪(90)、第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)、第三光电探测器(14)、数据采集卡(15)和数据处理系统(16)；所述的激光光源(1)发出的光经光脉冲调制器(2)调制成脉冲光后通过所述的第一光放大器(3)放大后，由第一环形器(4)的一端口进二端口注入到传感光纤中，从传感光纤反射回来的背向散射光再经过第一环形器(4)的三端口输出，输出的光通过第二光放大器(5)放大后，从第二环形器(6)的一端口进二端口、二端口出口注入到光纤光栅(7)，光纤光栅(7)对散射光进行滤波后通过第二环形器(6)的二端口进三端口、三端口出口注入到120度相差干涉仪(90)中，散射光经过120度相差干涉仪(90)发生干涉后输出三路干涉光，分别注入第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)，再使用三通道的数据采集卡(15)对这三路信号进行采集接收，数据处理系统(16)对采集得到的信号进行处理得到光纤沿线分布的散射信息，其中光脉冲调制器(2)和数据采集卡(15)都由射频源(17)施加的脉冲信号控制，从而保证光脉冲调制器(2)的调制信号和数据采集卡采集信号二者同步，120度相差干涉仪内包括3×3耦合器(9)和3×3耦合器右端口连接延时光纤(18)构成非平衡干涉仪模块，非平衡干涉仪模块的干涉臂长差由延时光纤(18)控制；其中120度相差干涉仪(90)放置在密封的隔热隔震密封箱内。防止干涉仪受外界扰动影响。
2.根据权利要求1所述的基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，其特征在于120度相差干涉仪使用迈克尔逊干涉仪结构，迈克尔逊干涉仪结构的120度相差干涉仪(901)由第三环形器(8)、3×3耦合器(9)、第一法拉第旋转镜(10)、第二法拉第旋转镜(11)、延时光纤(18)构成，其连接方式如下：
第三环形器(8)的第二端口连接3×3耦合器(9)的左一端口，(其三端口作为120度相差干涉仪的其中一路输出端口)；3×3耦合器(9)的右一、二端口分别连接第一法拉第旋转镜(11)和延时光纤(18)左端口，延时光纤(18)右侧端口连接第二法拉第旋转镜(10)，3×3耦合器(9)的右三端口用折射率匹配液覆盖进行防反射处理；第三环形器(8)的第三端口和3×3耦合器(9)左一、左二端口分别为120度相差干涉仪的三路输出，分别连接第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)。
3.根据权利要求1所述的基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，其特征在于120度相差干涉仪使用马赫-曾德尔干涉仪结构；马赫-曾德尔干涉仪结构由2×2耦合器(88)、3×3耦合器(9)和延时光纤(18)构成，其连接方式如下：
2×2耦合器(88)的左二端口与3×3耦合器(9)的右二端口相连，且2×2耦合器(88)的左一端口、3×3耦合器(9)的右一端口之间通过延时光纤(18)相连接；3×3耦合器(9)的左侧3个端口为120度相差干涉仪输出端口，分别连接第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)；2×2耦合器(88)的右一二端口与第二环形器(6)的三端口连接。
4.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射计，其特征在于使用干涉仪参数的逆传输矩阵解调方案。
5.根据权利要求2所述的基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，其特征在于散射光通过第三环形器(8)注入到3×3耦合器(9)的左一端口，散射光分成三束后，其中一束经过第一法拉第旋转镜(10)反射回来，一束由于对端面进行了防反射处理无反射，另一束通过有一定延时的第二法拉第旋转镜(11)反射回来，反射回来的散射光都再经过3×3耦合器(9)合束、分束后分别注入第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)，再使用三通道的数据采集卡(15)对这三路信号进行采集接收，数据处理系统(16)对采集得到的信号进行处理得到光纤沿线分布的散射信息，其中脉冲调制器(2)和数据采集卡(15)都由射频源(17)施加的脉冲信号控制以保持同步，干涉仪臂长差由延时光纤(18)控制。
6.根据权利要求2所述的基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计，其特征在于在传感检测之前，先测试3×3耦合器(9)的分光比、光电探测器的响应度及相位差有关的仪器常数等参数，根据这些参数，然后对散射光进行检测得到第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)和第三光电探测器(14)的光电流I1、I2、I3，数据采集卡(15)获得这些数据后传输给数据处理系统(16)，求取相位分布。
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