CN106248119A - 一种分布式超高速扰动定量检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式超高速扰动定量检测方法，通过时分复用方法可以实现超高速的扰动检测；通过希尔伯特变换、正交变换等相位解调方法进行相位解调可以实现对扰动位置、频率和振幅的实时检测。本发明还公开了一种分布式超高速扰动定量检测装置，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器、数据采集卡。本发明通过时分复用技术提高探测光脉冲的重复频率，从而使得基于反射光栅的Φ‑OTDR系统实现超高速的扰动检测；使用相干探测结构，通过相位解调方法，结合相位解缠算法实现扰动位置、频率和振幅的实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种分布式超高速扰动定量检测方法及装置。
背景技术
相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR）具有灵敏度高、测量速度快、结构简单等特点，非常适用于光纤上的微扰事件的检测，在大型建筑结构的健康检测、地下光纤通信线路保护等领域具有巨大的应用前景，Φ-OTDR系统也因此成为国内外传感技术研究的热点。
Φ-OTDR利用光纤中的后向瑞利散射光的相干衰落效应进行传感，可以检测作用于光纤上的扰动事件位置和频域的信息。相比于光时域反射仪（OTDR），Φ-OTDR为了得到可用的后向瑞利散射光时域曲线，必须使用频率稳定的窄线宽激光器。当频率稳定的窄线宽短脉冲被发射到传感光纤中时，其背向瑞利散射信号因为相干效应而呈现锯齿状。通过分析这种锯齿状瑞利信号波形的变化，就可以监视传感光纤中由于外界扰动而引起的光纤的折射率、光纤中散射点之间距离的变化。
Φ-OTDR具有响应速度快和灵敏度高两个明显的优点。相比于布里渊和拉曼光时域反射计，Φ-OTDR利用光强更强的瑞利散射光进行扰动测量，无需进行多次的累加平均，即可获得较高的信噪比，Φ-OTDR也因此获得极快的响应速度，可用于探测快速变化的动态扰动信号。在Φ-OTDR中，通过测量光纤中背向瑞利散射信号的相位变化来测量扰动，这意味着Φ-OTDR系统能检测激光波长级别的外部扰动信号，因此Φ-OTDR具有极高的灵敏度。
虽然Φ-OTDR具有诸多的优点，但是目前常用的Φ-OTDR也存在着明显的缺陷，它们大多只能够检测到应变的发生位置并提取其频域信息，无法定量的对应变数值进行测量。主要原因是接收端获取的光信号与光纤上加载的应变值并没有确定的、一一对应的关系，所以无法通过解调算法计算出光纤上加载的应变值。英国的南安普顿大学的AMasoudi、M Belal等在《A distributed optical fibre dynamic strain sensor basedon phase-OTDR》使用耦合器和延时光纤来进行相位解调可以实现对振幅的探测，但是随着传感距离的加长，Φ-OTDR扰动测量的速度将快速下降；南京大学光通信工程研究中心的张益昕、郭铮等在《Enhanced Ф-OTDR System for Quantitative Strain MeasurementBased on Ultra-Weak Fiber Bragg Grating Array》使用布拉格光栅反射信号来进行相位解调，但是需要对激光器进行扫频控制，解相位算法相对复杂，Φ-OTDR测量速度也因此受到极大限制。
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分布式超高速扰动定量检测方法及装置，本发明是在现有的Φ-OTDR传感系统基础上，通过引入反射光栅和时分复用技术，使用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息，从而实现对扰动位置、频率、振幅的实时检测。
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分布式超高速扰动定量检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将连续模式窄线宽激光分成两路光信号，其中，第一路为探测光，第二路为本振光；
步骤二、将探测光经脉冲调制、放大后形成探测光脉冲注入至光纤传感单元中，所述光纤传感单元为包括若干个反射光栅的光纤，探测光脉冲的周期为2*T/N；其中，T为光纤传感单元传输完一条探测光脉冲所需的时间，N为可设置的时分复用数，且N需满足以下条件：
1）、N小于H/W，N为大于0的整数，其中，W为探测光脉冲的宽度，H为相邻两个反射光栅的间隔；
2）、H/(N*W)为非整数；
步骤三、探测光脉冲在光纤中产生背向瑞利散射光、在反射光栅处产生反射光；
步骤四、将反射光与本振光相干拍频后输出两路光信号，这两路光信号之间产生180°的相位差；
步骤五、将步骤四中的两路光信号转换为电信号，并经过滤波、放大、模数转换变为数字信号；
步骤六、根据探测光脉冲的注入时间和反射光栅在光纤中的位置，从步骤五获得的数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号；
步骤七、对步骤六获得的反射光信号采用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息；
步骤八、根据步骤七解调出的各个反射光栅处光信号相位信息，获得扰动位置、频率和振幅。
作为本发明所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法进一步优化方案，所述相位解调方法为希尔伯特变换或正交变换。
作为本发明所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法进一步优化方案，所述反射光栅的反射率低于-30dB。
基于上述的一种分布式超高速扰动定量检测方法的装置，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器和数据采集卡；其中，
脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输出至脉冲调制器，触发脉冲输出至数据采集卡；
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，用于将连续模式窄线宽激光分为两路：第一路为探测光，第二路为本振光；探测光输出至脉冲调制器，本振光输出至第二耦合器；
脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将探测光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；
掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大成探测光脉冲后输出至环形器；
环形器，用于将探测光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至光纤传感单元；
光纤传感单元，用于将产生的背向瑞利散射光和反射光输出至环形器的第2端口，并由环形器的第3端口输出至第二耦合器；
第二耦合器，用于将反射光与本振光进行相干拍频，输出两路光至平衡探测器，这两路光之间产生180°的相位差；
平衡探测器，用于将第二耦合器输出的两路光转换成电信号后输出至带通滤波器；
带通滤波器，用于滤除电信号中的宽带噪声信号，并将滤波后的电信号输出至功率放大器；
功率放大器，用于将滤波后的电信号放大，并将放大后的电信号输出至数据采集卡；
数据采集卡，用于根据触发脉冲，将放大后的电信号转换为数字信号进行处理，从而获得扰动位置、频率和振幅。
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）通过时分复用技术提高探测光脉冲的重复频率，从而使得基于反射光栅的Φ-OTDR系统实现超高速的扰动检测；
（2）使用相干探测结构，通过希尔伯特变换、正交变换等相位解调方法，结合相位解缠算法实现扰动位置、频率和振幅的实时检测。
附图说明
图1是本发明的装置结构图；
图2是本发明实现超高速扰动检测时分复用原理图；
图3是本发明实现扰动定量检测原理图。
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所示是本发明的装置结构图，基于本发明一种分布式超高速扰动定量检测方法的装置，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器和数据采集卡；其中，
脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输出至脉冲调制器，触发脉冲输出至数据采集卡；
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，用于将连续模式窄线宽激光分为两路：第一路为探测光，第二路为本振光；探测光输出至脉冲调制器，本振光输出至第二耦合器；
脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将探测光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；
掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大成探测光脉冲后输出至环形器；
环形器，用于将探测光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至光纤传感单元；
光纤传感单元，用于将产生的背向瑞利散射光和反射光输出至环形器的第2端口，并由环形器的第3端口输出至第二耦合器，所述瑞利散射光为本装置的噪声信号，反射光为本装置的传感信号，因为反射光的强度远大于瑞利散射光的强度，所以瑞利散射光在本装置中可忽略不计；
第二耦合器，用于将反射光与本振光进行相干拍频，输出两路光至平衡探测器，这两路光之间产生180°的相位差；
平衡探测器，用于将第二耦合器输出的两路光转换成电信号后输出至带通滤波器；
带通滤波器，用于滤除电信号中的宽带噪声信号，并将滤波后的电信号输出至功率放大器；
功率放大器，用于将滤波后的电信号放大，并将放大后的电信号输出至数据采集卡；
数据采集卡，用于根据触发脉冲，将放大后的电信号转换为数字信号进行处理，从而获得扰动位置、频率和振幅。
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1kHz，输出光功率为15dBm；脉冲调制器选用200M声光调制器，可以产生最小10ns的光脉冲；EDFA选用中兴的BA系列的放大器，中心频率在1550nm，工作波长20nm，恒电流增益可以达到16dBm；第一耦合器为90:10耦合器，第二耦合器为50:50耦合器；光纤的折射率为1.5；反射光栅的反射率为-35dB。
具体实验条件：实验中光纤传感单元为包括5个等间隔分布反射光栅的光纤，其中相邻两个反射光栅的间隔H为1us，光纤传感单元传输完一条探测光脉冲所需的时间T为5us。当探测光脉冲的宽度W为50ns时，反射光栅反射光强为-35dBm，而光纤中的瑞利散射光信号强度为-50~-60dBm，使得光纤光栅反射光强明显强于瑞利散射信号。令N=4进行4分时分复用，则对应的探测光脉冲重复周期变为1.25us，系统的检测速度也因此变为普通的基于反射光栅的Φ-OTDR系统的4倍。
结合实验参数的具体步骤如下：
步骤一：激光器产生连续模式窄线宽激光，将连续模式窄线宽激光分成两路光信号，其中，第一路为探测光，第二路为本振光；将探测光经脉冲调制转换为脉冲光，脉冲宽度在10ns—250ns，周期为1.25us；然后经过EDFA放大形成探测光脉冲，经过环形器后进入光纤传感单元。
步骤二：如图1所示，探测光脉冲在光纤传感单元中传输，在光纤中产生背向瑞利散射光、在反射光栅处产生反射光，所述反射光的强度远大于瑞利散射光的强度，故瑞利散射光可忽略不计。将反射光与本振光信号通过第二耦合器进行相干拍频后输出两路具有180°相位差的光信号R1和R2，将R1和R2输入到平衡探测器中转换为电信号，通过带通滤波器滤波，功率放大器放大后被数据采集卡转换为数字信号做后续处理。
步骤三：根据探测光脉冲的注入时间和反射光栅在光纤中的位置，从数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号。下面是对时分复用技术实现超高速检测的原理的说明：
当N=4时，包含5个反射光栅光纤传感单元反射信号叠加过程如图2所示，发送第一个探测光脉冲W1，得到对应的反射光栅反射信号；间隔1.25us，在探测光脉冲W1对应的第二个反射光栅后H/4处发送第二个探测光脉冲W2，得到对应的反射光栅反射信号；间隔1.25us，在探测光脉冲W1对应的第三个反射光栅后2H/4处发送第三个探测光脉冲W3，得到对应的反射光栅反射信号；间隔1.25us，在探测光脉冲W1对应的第四个反射光栅后3H/4处发送第三个探测光脉冲W3，得到对应的反射光栅反射信号；间隔1.25us，系统开始重复以上过程，分别在单个光栅之后0 *H /4、H/4、2H/4、3H/4处循环发送探测光脉冲，以保证得到对应的反射光栅反射信号在任何时候都不会重叠。至此本系统实现了对基于反射光栅的Φ-OTDR系统所需探测光脉冲周期5us的4等分时分复用，光纤传感单元中5个反射光栅反射信号的重复周期也从原来的5us降低为1.25us，系统对于扰动的检测速度也变为普通的基于反射光栅的Φ-OTDR系统的4倍。
这样通过触发脉冲的上升沿和反射光栅在光纤中的位置，我们就可以从数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号，从而实现超高速的扰动检测。
步骤四：利用相位解调方法解调出反射光栅2~5处相对于自己本身前一个光栅的相对相位信息，如图3所示。当扰动事件发生在反射光栅2和反射光栅3之间时，将使得反射光栅3处的相位信息相对于反射光栅2处的相位信息产生相应的变化，通过对反射光栅2~5处相对于自己前一个光栅的相对相位信息的变化进行检测，既可以实现扰动位置、频率和幅值的实时检测。
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 (4)
1.一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将连续模式窄线宽激光分成两路光信号，其中，第一路为探测光，第二路为本振光；
步骤二、将探测光经脉冲调制、放大后形成探测光脉冲注入至光纤传感单元中，所述光纤传感单元为包括若干个反射光栅的光纤，探测光脉冲的周期为2*T/N；其中，T为光纤传感单元传输完一条探测光脉冲所需的时间，N为可设置的时分复用数，且N需满足以下条件：
1）、N小于H/W，N为大于0的整数，其中，W为探测光脉冲的宽度，H为相邻两个反射光栅的间隔；
2）、H/(N*W)为非整数；
步骤三、探测光脉冲在光纤中产生背向瑞利散射光、在反射光栅处产生反射光；
步骤四、将反射光与本振光相干拍频后输出两路光信号，这两路光信号之间产生180°的相位差；
步骤五、将步骤四中的两路光信号转换为电信号，并经过滤波、放大、模数转换变为数字信号；
步骤六、根据探测光脉冲的注入时间和反射光栅在光纤中的位置，从步骤五获得的数字信号中提取出各个反射光栅处不同时刻的反射光信号；
步骤七、对步骤六获得的反射光信号采用相位解调方法，解调出各个反射光栅处光信号相位信息；
步骤八、根据步骤七解调出的各个反射光栅处光信号相位信息，获得扰动位置、频率和振幅。
2.根据权利要求1所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，所述相位解调方法为希尔伯特变换或正交变换。
3.根据权利要求1所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法，其特征在于，所述反射光栅的反射率低于-30dB。
4.基于权利要求1-3中任一项所述的一种分布式超高速扰动定量检测方法的装置，其特征在于，包括脉冲发生器、激光器、第一耦合器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤传感单元、第二耦合器、平衡探测器、带通滤波器、功率放大器和数据采集卡；其中，
脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输出至脉冲调制器，触发脉冲输出至数据采集卡；
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，用于将连续模式窄线宽激光分为两路：第一路为探测光，第二路为本振光；探测光输出至脉冲调制器，本振光输出至第二耦合器；
脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将探测光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；
掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大成探测光脉冲后输出至环形器；
环形器，用于将探测光脉冲由其第1端口输入，并由其第2端口注入至光纤传感单元；
光纤传感单元，用于将产生的背向瑞利散射光和反射光输出至环形器的第2端口，并由环形器的第3端口输出至第二耦合器；
第二耦合器，用于将反射光与本振光进行相干拍频，输出两路光至平衡探测器，这两路光之间产生180°的相位差；
平衡探测器，用于将第二耦合器输出的两路光转换成电信号后输出至带通滤波器；
带通滤波器，用于滤除电信号中的宽带噪声信号，并将滤波后的电信号输出至功率放大器；
功率放大器，用于将滤波后的电信号放大，并将放大后的电信号输出至数据采集卡；
数据采集卡，用于根据触发脉冲，将放大后的电信号转换为数字信号进行处理，从而获得扰动位置、频率和振幅。
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