CN105716638A - 一种基于光开关产生互补光的新型cotdr探测装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，包括延时发生器、激光器、第一耦合器、光环形器、传感光纤、扰偏器、第二耦合器、平衡探测器、信号调理电路、上位机数据处理系统；还包括互补光发生模块，互补光发生模块包括光开关、声光调制器、可调光衰减器、第三耦合器。本发明还公开了一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置的实现方法。本发明通过引入光开关和可调光衰减器产生了COTDR需要的脉冲光和互补光，节省了一个激光器光源；采用一个激光器光源即使得探测光和互补光之间频率和峰值功率更容易匹配；互补光和探测光的时序控制变得简单，极大地抑制了级联EDFA系统的瞬态效应，提高了COTDR的探测距离和探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置及实现方法。
背景技术
相干光时域反射仪（COTDR）技术是近年来才发展起来的分布式光纤传感技术。它利用光时域反射技术和相干探测方法来检测探测光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射功率，能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布信息，具有优异的测量精度、可靠性和动态测量特性，而且本质安全，易于工程铺设。对于外界温度、应变及动态扰动的分布式监测有需求的诸多领域都把全分布式光纤传感技术作为一种必需的故障诊断及事故预警手段。在长距离工程设施如海底光缆、电力通信网络及油气管道等的安全健康检测和故障预警与评估中显示出十分诱人的前景。
COTDR使用的是相干探测方式，通过把本振光和信号光通过耦合器合在一起送到平衡探测器中进行探测，可以使得最后探测器探测的中频交流分量与本振光功率和信号光功率的乘积的开方成正比，而不在是只与信号光功率成正比；同时探测的相干信号的频率是信号光和本振光的频率差，远远小于T光信号频率，可以极大降低对光电探测器带宽的需求。另外采用平衡探测器和50/50耦合器来实现外差探测，可以是探测器输出电流幅度增加一倍，可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的探测灵敏度和共模抑制比，传统COTDR系统结构如附图3所示。COTDR探测方式适用于长距离的EDFA级联探测系统（系统结构如附图2所示），但是由于EDFA光中继器会产生瞬时效应，导致光脉冲发生浪涌变形，影响探测精度。
目前常用的解决方法是使用一定频率差的互补光与探测光匹配，使得混合光脉冲的总功率保持不变，可以防止EDFA的瞬时效应，进而抑制光脉冲变形，中国南京大学光通信工程研究中心的宋跃江、陈萌萌等人在《Transienteffecttosmallduty-cyclepulseincascadederbium-dopedfiberamplifiersystem》中对低占空比探测信号在EDFA系统中变形的现象做了理论分析和实验验证，常用的解决这种方式是使用如附图4所示的双激光器COTDR相干探测结构，这种结构中两个激光器分别通过声光调制器（AOM）调制形成互补光，再通过光分差复用器（OADM）复合为准连续光，通过环形器进入待测光纤，返回的瑞利散射信号再次通过环形器进入信号调理模块，最终进入上位机数据处理系统。这种方式虽然有利于减小EDFA的瞬态效应，但是这种方式存在着明显的缺点，激光器长时间工作，激光器的频率和功率会随着工作电流和工作温度的变化而变化，两个激光器的频率和功率的变化方向很难保持一致性，导致的激光器的频率和很难保证输出光和互补光的峰值功率保持一致，从而使得合成光不能很好地表现为连续光；同时两个激光器的使用，导致整个系统的成本偏高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置及实现方法，本发明是在现有的COTDR相干探测传感系统基础上，通过引入光开关和可调光衰减器产生了COTDR需要的脉冲光和互补光，节省了一个激光器光源；采用一个激光器光源，使得探测光和互补光之间频率和峰值功率更容易匹配；互补光和探测光的时序控制变得简单；这种新型探测装置的使用，极大地抑制了级联EDFA系统的瞬态效应，提高了COTDR的探测距离和探测精度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，包括延时发生器、激光器、第一耦合器、光环形器、传感光纤、扰偏器、第二耦合器、平衡探测器、信号调理电路、上位机数据处理系统；其特征在于，还包括互补光发生模块，所述互补光发生模块包括光开关、声光调制器、可调光衰减器、第三耦合器；其中，
延时发生器，用于产生切换脉冲、调制脉冲、同步脉冲；切换脉冲输入至光开关，调制脉冲输入至声光调制器，同步脉冲输入至上位机数据处理系统；
激光器，用于产生连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一耦合器；
第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路作为探测的连续光输出至光开关，第二路作为本地参考光输出至扰偏器；
光开关，用于根据接收的切换脉冲将连续光转换为探测光脉冲以及与该探测光脉冲互补的互补光脉冲，探测光脉冲输出至声光调制器，互补光脉冲输出至可调光衰减器；
声光调制器，用于根据接收的调制脉冲对探测光脉冲进行移频，输出移频后的探测光脉冲至第三耦合器，所述移频后的探测光脉冲与互补光脉冲形成一个频率差；
可调光衰减器，用于对互补光脉冲的光功率进行衰减，使得互补光脉冲的峰值功率和探测光脉冲的峰值功率一致，输出衰减后的互补光脉冲至第三耦合器；
第三耦合器，用于将移频后的探测光脉冲和衰减后的互补光脉冲耦合，输出两路：一路作为用于检测脉冲形状的混合监测光输出，另一路作为混合光脉冲输出至光环形器；
光环形器，用于将混合光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；
传感光纤，用于当接收到混合光脉冲时，产生背向瑞利散射光输入至光环形器的第2端口，并由光环形器的第3端口输出至第二耦合器；
扰偏器，用于对本地参考光进行扰偏，输出扰偏后的本地参考光至第二耦合器；
第二耦合器，用于将背向瑞利散射光和扰偏后的本地参考光进行相干拍频，输出光脉冲至平衡探测器；
平衡探测器，用于将光脉冲转换成电信号后输出至信号调理电路；
信号调理电路，用于对电信号进行调理，输出调理后的电信号至上位机数据处理系统；
上位机数据处理系统，用于根据接收的同步脉冲对调理后的电信号进行处理，得到COTDR曲线。
作为本发明所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置进一步优化方案，所述信号调理电路包括依次连接的跨阻放大单元、带通滤波器、ADC单元，其中，带通滤波器的中心频率与声光调制器的移频一致。
作为本发明所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置进一步优化方案，所述第一耦合器为90:10耦合器，其中，90%的窄线宽激光为第一路。
作为本发明所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置进一步优化方案，所述第二耦合器为50:50耦合器。
作为本发明所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置进一步优化方案，所述第三耦合器为50:50耦合器。
基于一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置的实现方法，包括以下步骤：
步骤一、激光器产生连续模式窄线宽激光，将该窄线宽激光分成两路：第一路作为探测的连续光输出至光开关，第二路作为本地参考光输出至扰偏器；
步骤二、根据延时发生器产生的切换脉冲来控制光开关的通断，光开关的第一输出端输出探测光脉冲至声光调制器，第二输出端输出与该探测光脉冲互补的互补光脉冲至可调光衰减器；
步骤三：声光调制器根据延时发生器产生的调制脉冲对探测光脉冲进行移频，输出移频后的探测光脉冲，声光调制器打开的宽度大于光开关产生的探测光脉冲宽度，且在打开时间上正好覆盖探测光脉冲；
步骤三：调节可调光衰减器的输出功率，使得调节后的互补光脉冲与探测光脉冲的峰值功率一致；
步骤四：将移频后的探测光脉冲与调节后的互补光脉冲耦合后输出两路：一路作为用于检测脉冲形状的混合监测光输出，另一路作为混合光脉冲输出至光环形器；
步骤五、将混合光脉冲注入传感光纤，产生背向瑞利散射光；
步骤六、本地参考光经过扰偏器后与瑞利散射光混频，得到光脉冲，将该光脉冲转换成电信号后再经调理、处理得到COTDR曲线。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）采用光开关产生互补光脉冲来和探测光脉冲合成混合光脉冲进入到待探测系统进行相干探测，可以实现对EDFA噪声的极大抑制，只采用一个激光器，从而极大地降低了成本；
（2）同一个激光器的使用使得互补光脉冲和探测光脉冲的频率和峰值功率更容易匹配，不会因为使用两个激光器，导致频率漂移方向相反；
（3）使用光开关产生互补光脉冲，使得互补光和探测光的时序匹配控制变得简单。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是EDFA中继系统的海底通信系统结构图。
图3是传统COTDR相干探测系统结构图。
图4是双激光器发生互补光的COTDR相干探测系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，包括延时发生器、激光器、第一耦合器、互补光发生模块、光环形器、传感光纤、扰偏器、第二耦合器、平衡探测器、信号调理电路、上位机数据处理系统；其中互补光发生模块包括光开关、声光调制器、可调光衰减器、第三耦合器；
延时发生器，用于产生切换脉冲、调制脉冲、同步脉冲；切换脉冲输入至光开关，调制脉冲输入至声光调制器，同步脉冲输入至上位机数据处理系统；
激光器，用于产生连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一耦合器；
第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路作为探测的连续光输出至光开关，第二路作为本地参考光输出至扰偏器；
光开关，用于根据接收的切换脉冲将连续光转换为探测光脉冲以及与该探测光脉冲互补的互补光脉冲，探测光脉冲输出至声光调制器，互补光脉冲输出至可调光衰减器；
声光调制器，用于根据接收的调制脉冲对探测光脉冲进行移频，输出移频后的探测光脉冲至第三耦合器，所述移频后的探测光脉冲与互补光脉冲形成一个频率差；
可调光衰减器，用于对互补光脉冲的光功率进行衰减，使得互补光脉冲的峰值功率和探测光脉冲的峰值功率一致，输出衰减后的互补光脉冲至第三耦合器；
第三耦合器，用于将移频后的探测光脉冲和衰减后的互补光脉冲耦合，输出两路：一路作为用于检测脉冲形状的混合监测光输出，另一路作为混合光脉冲输出至光环形器；
光环形器，用于将混合光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；
传感光纤，用于当接收到混合光脉冲时，产生背向瑞利散射光输入至光环形器的第2端口，并由光环形器的第3端口输出至第二耦合器；
扰偏器，用于对本地参考光进行扰偏，输出扰偏后的本地参考光至第二耦合器；
第二耦合器，用于将背向瑞利散射光和扰偏后的本地参考光进行相干拍频，输出光脉冲至平衡探测器；
平衡探测器，用于将光脉冲转换成电信号后输出至信号调理电路；
信号调理电路，用于对电信号进行调理，输出调理后的电信号至上位机数据处理系统；
上位机数据处理系统，用于根据接收的同步脉冲对调理后的电信号进行处理，得到COTDR曲线。
实验室使用器件性能：激光器的型号为RIO激光器，该激光器波长为1550nm，线宽为10kHz，输出光功率为13dBm；光开关型号上升沿100ns，可以产生最小100ns的光脉冲；声光调制器消光实现40MHz的频率上移，消光比为40dB；可调光衰减器，衰减范围从1dB-40dB；平衡探测器带宽350MHz，放大倍数40dB。带通滤波器的选通频率范围为35MHz—45MHz。
结合实验参数的具体步骤如下：
步骤一：窄线宽激光器产生连续光脉冲到第一耦合器，其中90%能量的连续光输出至光开关，10%能量的连续光作为本地参考光输出至扰偏器。扰偏器用来扰乱本地参考光的偏振态，使得探测曲线间的相关性小，使得最后曲线平均结果变得更加平滑。
步骤二：90%的连续光通过光开关产生一个1us的光脉冲，典型的脉冲宽度从1us——50us，对应的空间分辨率从100m——5km。通过光开关产生的探测光脉冲经过声光调制器移频40Mhz，产生的互补光脉冲经过光衰减器，使得互补光脉冲的峰值功率和声光调制的峰值功率一致，可以通过使用光电探测器监测功率是否一致。通过第三耦合器合成完整的混合光脉冲，在经过光环形器后进入到待测传感光纤。
步骤三：由混合光脉冲进入到待测传感光纤产生背向瑞利散射光通过光环形器进入到第二耦合器，散射光与扰偏的本地参考光发生相干拍频后进入到平衡探测器，平衡探测器输出相干拍频的电信号经过信号调理电路后由ADC采集并上传给上位机数据处理系统进行信号处理，进过累加平均后即可得到COTDR的探测曲线。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，包括延时发生器、激光器、第一耦合器、光环形器、传感光纤、扰偏器、第二耦合器、平衡探测器、信号调理电路、上位机数据处理系统；其特征在于，还包括互补光发生模块，所述互补光发生模块包括光开关、声光调制器、可调光衰减器、第三耦合器；其中，
延时发生器，用于产生切换脉冲、调制脉冲、同步脉冲；切换脉冲输入至光开关，调制脉冲输入至声光调制器，同步脉冲输入至上位机数据处理系统；
激光器，用于产生连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一耦合器；
第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：第一路作为探测的连续光输出至光开关，第二路作为本地参考光输出至扰偏器；
光开关，用于根据接收的切换脉冲将连续光转换为探测光脉冲以及与该探测光脉冲互补的互补光脉冲，探测光脉冲输出至声光调制器，互补光脉冲输出至可调光衰减器；
声光调制器，用于根据接收的调制脉冲对探测光脉冲进行移频，输出移频后的探测光脉冲至第三耦合器，所述移频后的探测光脉冲与互补光脉冲形成一个频率差；
可调光衰减器，用于对互补光脉冲的光功率进行衰减，使得互补光脉冲的峰值功率和探测光脉冲的峰值功率一致，输出衰减后的互补光脉冲至第三耦合器；
第三耦合器，用于将移频后的探测光脉冲和衰减后的互补光脉冲耦合，输出两路：一路作为用于检测脉冲形状的混合监测光输出，另一路作为混合光脉冲输出至光环形器；
光环形器，用于将混合光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至传感光纤；
传感光纤，用于当接收到混合光脉冲时，产生背向瑞利散射光输入至光环形器的第2端口，并由光环形器的第3端口输出至第二耦合器；
扰偏器，用于对本地参考光进行扰偏，输出扰偏后的本地参考光至第二耦合器；
第二耦合器，用于将背向瑞利散射光和扰偏后的本地参考光进行相干拍频，输出光脉冲至平衡探测器；
平衡探测器，用于将光脉冲转换成电信号后输出至信号调理电路；
信号调理电路，用于对电信号进行调理，输出调理后的电信号至上位机数据处理系统；
上位机数据处理系统，用于根据接收的同步脉冲对调理后的电信号进行处理，得到COTDR曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的跨阻放大单元、带通滤波器、ADC单元，其中，带通滤波器的中心频率与声光调制器的移频一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，其特征在于，所述第一耦合器为90:10耦合器，其中，90%的窄线宽激光为第一路。
4.根据权利要求1所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，其特征在于，所述第二耦合器为50:50耦合器。
5.根据权利要求1所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置，其特征在于，所述第三耦合器为50:50耦合器。
6.基于权利要求1所述的一种基于光开关产生互补光的新型COTDR探测装置的实现方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、激光器产生连续模式窄线宽激光，将该窄线宽激光分成两路：第一路作为探测的连续光输出至光开关，第二路作为本地参考光输出至扰偏器；
步骤二、根据延时发生器产生的切换脉冲来控制光开关的通断，光开关的第一输出端输出探测光脉冲至声光调制器，第二输出端输出与该探测光脉冲互补的互补光脉冲至可调光衰减器；
步骤三：声光调制器根据延时发生器产生的调制脉冲对探测光脉冲进行移频，输出移频后的探测光脉冲，声光调制器打开的宽度大于光开关产生的探测光脉冲宽度，且在打开时间上正好覆盖探测光脉冲；
步骤三：调节可调光衰减器的输出功率，使得调节后的互补光脉冲与探测光脉冲的峰值功率一致；
步骤四：将移频后的探测光脉冲与调节后的互补光脉冲耦合后输出两路：一路作为用于检测脉冲形状的混合监测光输出，另一路作为混合光脉冲输出至光环形器；
步骤五、将混合光脉冲注入传感光纤，产生背向瑞利散射光；
步骤六、本地参考光经过扰偏器后与瑞利散射光混频，得到光脉冲，将该光脉冲转换成电信号后再经调理、处理得到COTDR曲线。
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