CN107907151A - 基于光频调制与直接探测的фotdr与传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光频调制与直接探测的ФOTDR与传感方法。包括信号发生器、单频可调谐激光器、脉冲发生器、光放大器、窄带滤波器、环形器、传感光纤、光电探测器、信号采集与处理系统；本发明通过对光源进行正弦光频调制使传感光纤中各个位置的瑞利散射光强度产生周期性调制，抑制了ФOTDR系统中的相干衰落现象。同时瑞利散射光强度的周期性变化起到了载波的作用，外界信号加载在该载波上，瑞利散射信号直接由光电探测器探测，通过傅里叶变换可以得到瑞利散射信号的频率信息，从而实现对外界信号的传感。本发明避免了由于相干衰落引起的系统灵敏度下降问题，保证了整段传感光纤所有位置良好的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光频调制与直接探测的相位敏感型光时域反射仪（ФOTDR）与传感方法。
背景技术
相位敏感型光时域反射仪系统在周界安防、地震波检测、石油勘探及分布式声传感等领域具有重大应用价值。与其它分布式光纤传感系统相比，ФOTDR在信噪比、系统复杂度、响应频率、检测灵敏度等方面具有综合优势，在高灵敏度动态分布式测量领域受到高度关注。利用光电探测器对瑞利散射信号强度进行直接探测，通过傅里叶变换可以直接得到外界信号的频率信息。这种方案结构简单，数据处理便捷，在周界安防等领域广泛应用。
ФOTDR相对于传统分立式光纤传感器的一大优势是光纤中每个位置都可以看成一个传感单元，整根光纤相当于由大量传感单元组成的传感阵列，可以通过光纤对沿线情况进行分布式监测。然而，由于ФOTDR的探测信号是光纤中随机分布的瑞利散射光相干叠加的结果，故光纤中各个位置的瑞利散射光强分布不均匀。由于光纤中瑞利散射点的分布相对稳定，导致在光纤中某些位置长期出现干涉强度极小值，即相干衰落点。在这些相干衰落点光强很弱，导致这些位置信噪比与灵敏度很低。这种现象导致ФOTDR系统在这些位置的“漏警”或者“误判”。这种情况在弱信号监测中尤其突出。相干衰落问题导致ФOTDR的某些位置传感性能严重下降，无法实现真正的分布式传感，从而严重制约着ФOTDR的应用。故抑制ФOTDR系统中相干衰落现象具有重要的意义。
近年来，研究者们提出了一些方法抑制ФOTDR中的相干衰落。中国发明专利申请《一种可消衰落噪声的分布式光纤振动传感系统及其解调方法》(申请号：201610635522.8，公开日：2016.10.26)通过产生多个频段不同且不重叠的数字带通滤波器，结合来自多个扫频探测光脉冲的瑞利背向散射光数据，利用移相平均法进行消衰落处理，并利用其数据处理方法解调出振动信号，但是该方法装置与解调算法较复杂。论文（Characteristics andexplanations of interference fading of a ФOTDR with a multi-frequencysource, Journal of Lightwave Technology,2013,31(17)）讨论了频分复用对相干衰落抑制的潜在应用。论文（Interference-fading-free phase-demodulated OTDR system）讨论了相移双脉冲对脉冲内干涉导致的信号衰落的可行性。虽然研究者们针对ФOTDR中的相干衰落提出了多个解决方法，但是大多装置较复杂，且需要结合较复杂的数据处理方法实现相干衰落的抑制。
发明内容
本发明针对ФOTDR系统中的相干衰落及其导致的系统性能下降的问题，提出了一种基于光频调制与直接探测的相位敏感型光时域反射仪与传感方法。本发明对单频可调谐激光进行正弦光频调制。由于光纤中某一位置的瑞利散射光强取决于脉冲内所有瑞利散射点瑞利散射光的相干叠加结果，而不同频率的光在同一位置的瑞利散射相干叠加光强不同，故周期性光频调制实际上导致光纤中各个位置的瑞利散射光强发生周期性调制，避免了某一位置光强长期较弱的情况出现，从而避免了光纤中相干衰落现象的发生，保证了光纤中每个位置的较高灵敏度。同时，正弦光频调制对光纤中各位置的瑞利散射光强的周期性调制实际上产生了一个频率等于调制频率的载波。当光纤中某个位置有振动发生时，信号加载在这个调制载波上。光纤的瑞利散射光直接由光电探测器探测，通过对光纤各个位置的瑞利散射信号进行傅里叶变换得到加载在调制载波上的外界信号的频率信息，从而实现对外界振动的传感。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于光频调制与直接探测的ФOTDR，包括信号发生器1、单频可调谐激光器2、脉冲发生器3、光放大器4、窄带滤波器5、环形器6、传感光纤7、光电探测器8、信号采集与处理系统9。所述信号发生器1的输出端口11连接到所述单频可调谐激光器2的调制端口21，所述单频可调谐激光器2的输出端口22连接到所述脉冲发生器3的输入端口31，所述脉冲发生器3的输出端口32连接到所述光放大器4的输入端口41，所述光放大器4的输出端口42连接到所述窄带滤波器5的输入端口51，所述窄带滤波器5的输出端口52连接到所述环形器6的输入端口61，所述环形器6的第一输出端口62连接到所述传感光纤7的输入端口71，所述环形器6的第二输出端口63连接到所述光电探测器8的输入端口81，所述光电探测器8的输出端口82连接到所述信号采集与处理系统9的输入端口91。
所述信号发生器1对所述单频可调谐激光器2施加正弦谐波光频调制信号使之变成调频激光；所述调频激光经所述脉冲发生器3变成脉冲光；所述脉冲光经光放大器4放大后输入窄带滤波器5滤除自发辐射（ASE）噪声，然后经环形器6输入传感光纤7，传感光纤7的反射光经环形器6返回端口输入光电探测器8进行探测，探测信号输入数据采集与处理系统9进行处理。
所述信号发生器1施加给可调谐单频激光器2的调制信号频率低于输入光脉冲重复频率。
所述信号发生器1施加给可调谐单频激光器2的调制信号的幅度应足够大，这样产生光频调制的幅度可以有效引起传感光纤7各个位置处瑞利散射信号的强度调制。
所述脉冲发生器3可以为声光调制器、电光强度调制器或半导体光放大器等。
所述光放大器4可以为掺铒光纤放大器、拉曼放大器或其它具有光放大功能的光放大器。
所述窄带滤波器5中心波长与可调谐单频激光器2波长一致。
所述传感光纤7可以为单模光纤或多模光纤。
所述数据采集与处理系统9包括数据采集卡与计算机。其中：数据采集卡对输入的电信号进行采样后输入计算机，计算机进行分析得到外界信号的频率信息。
本发明还提供了一种基于光频调制与直接探测的ФOTDR的传感方法，其实现步骤如下：
第一步，所述信号发生器1对所述单频可调谐激光器2施加正弦谐波光频调制信号使之变成调频激光；
第二步，所述调频激光经所述脉冲发生器3变成周期性脉冲光；
第三步，所述脉冲光经光放大器4放大；
第四步，所述光放大器4的输出光输入窄带滤波器5滤除自发辐射（ASE）噪声；
第五步，所述窄带滤波器5输出光经环形器6输入传感光纤7；
第六步，传感光纤7瑞利散射信号经环形器6第二输出端口63输入光电探测器8；
第七步，所述光电探测器8输出信号输入数据采集与处理系统9进行处理，通过对传感光纤7中各个位置的瑞利散射信号进行傅里叶变换得到外界信号的频率信息，从而实现外界信号的传感。
本发明具有以下有益效果：
通过对光源进行正弦光频调制使传感光纤中各个位置的瑞利散射光强度产生周期性调制，抑制了ФOTDR系统中的相干衰落现象。同时瑞利散射光强度的周期性变化起到了载波的作用，外界信号加载在该载波上，瑞利散射信号直接由光电探测器探测，通过傅里叶变换可以得到瑞利散射信号的频率信息，从而实现对外界信号的传感。本发明避免了由于相干衰落引起的系统灵敏度下降问题，保证了整段传感光纤所有位置良好的信噪比。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1为信号发生器，2为单频可调谐激光器，3为脉冲发生器，4为光放大器，5为窄带滤波器，6为环形器，7为传感光纤，8为光电探测器，9为信号采集与处理系统。
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详细说明。
参见图1，本发明由信号发生器1、单频可调谐激光器2、脉冲发生器3、光放大器4、窄带滤波器5、环形器6、传感光纤7、光电探测器8及信号采集与处理系统9组成。所述信号发生器1的输出端口11连接到所述对单频可调谐激光器2的调制端口21；所述单频可调谐激光器2的输出端口22连接到所述脉冲发生器3的输入端口31；所述脉冲发生器3的输出端口32连接到所述光放大器4的输入端口41；所述光放大器4的输出端口42连接到所述窄带滤波器5的输入端口；所述窄带滤波器5的输出端口52连接到所述环形器6的输入端口61；所述环形器6的第一输出端口62连接到所述传感光纤7的输入端口71；所述环形器6的第二输出端口63连接到所述光电探测器8的输入端口81；所述光电探测器8的输出端口82连接到所述信号采集与处理系统9的输入端口91。
本发明的具体实施过程如下：
步骤1：信号发生器1输出正弦谐波光频调制信号加载到所述单频可调谐激光器2的调制端口21，调制单频可调谐激光器2输出光频使之呈正弦变化。调节信号发生器1可以改变调制频率与幅度；
步骤2：单频可调谐激光器2输出的调频激光输入脉冲发生器3调制成周期性脉冲光，脉冲光宽度与重复频率可以根据情况进行设定；
步骤3：脉冲发生器3输出的脉冲光输入光放大器4，通过调节光放大器4的增益控制输出功率；
步骤4：光放大器4的输出光输入窄带滤波器5以滤除光放大器4的自发辐射噪声，所述窄带滤波器5的中心波长与单频可调谐激光器2中心波长一致；
步骤5：窄带滤波器5的输出光依次经过环形器6输入端口61、第一输出端口62输入到所述传感光纤7；
步骤6：传感光纤7瑞利散射信号经环形器6第二输出端口63输入光电探测器8；
步骤7：光电探测器8输出信号输入信号采集与处理系统9。信号采集与处理系统9包括数字采集卡及计算机。数字采集卡将光电探测器7输出的电信号转换为数字信号，在计算机上利用信号处理程序实现传感信号的解调，最终通过对传感光纤中各个位置的瑞利散射信号进行傅里叶变换得到外界信号的频率信息，实现外界信号的传感。
本发明的核心是对激光器进行正弦频率调制，使传感光纤中各个位置的瑞利散射光强度产生周期性调制，抑制了ФOTDR系统中的相干衰落现象，避免了由于相干衰落引起的系统灵敏度下降问题。利用光电探测器直接对传感光纤的瑞利散射信号进行探测，通过傅里叶变换得到其频率信息，实现对外界信号的传感。
可以理解的是，虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。
Claims (9)
1.一种基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述ФOTDR包括信号发生器(1)、单频可调谐激光器(2)、脉冲发生器(3)、光放大器(4)、窄带滤波器(5)、环形器(6)、传感光纤(7)、光电探测器(8)、信号采集与处理系统(9)；所述信号发生器(1)的输出端口(11)连接到所述单频可调谐激光器(2)的调制端口(21)，所述单频可调谐激光器(2)的输出端口(22)连接到所述脉冲发生器(3)的输入端口(31)，所述脉冲发生器(3)的输出端口(32)连接到所述光放大器(4)的输入端口(41)，所述光放大器(4)的输出端口(42)连接到所述窄带滤波器(5)的输入端口(51)，所述窄带滤波器(5)的输出端口(52)连接到所述环形器(6)的输入端口(61)，所述环形器(6)的第一输出端口(62)连接到所述传感光纤(7)的输入端口(71)，所述环形器(6)的第二输出端口(63)连接到所述光电探测器(8)的输入端口(81)，所述光电探测器(8)的输出端口(82)连接到所述信号采集与处理系统(9)的输入端口(91)；
所述信号发生器(1)对所述单频可调谐激光器(2)施加正弦谐波光频调制信号使之变成调频激光；所述调频激光经所述脉冲发生器(3)变成脉冲光；所述脉冲光经光放大器(4)放大后输入窄带滤波器(5)滤除自发辐射（ASE）噪声，然后经环形器(6)输入传感光纤(7)，传感光纤(7)的反射光经环形器(6)返回端口输入光电探测器(8)进行探测，探测信号输入数据采集与处理系统(9)进行处理。
2.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述信号发生器(1)施加给可调谐单频激光器(2)的调制信号频率低于输入光脉冲重复频率。
3.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述信号发生器(1)施加给可调谐单频激光器2的调制信号的幅度应足够大，这样产生光频调制的幅度可以有效引起传感光纤(7)各个位置处瑞利散射信号的强度调制。
4.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述脉冲发生器(3)为声光调制器、电光强度调制器或半导体光放大器。
5.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述光放大器(4)为掺铒光纤放大器、拉曼放大器或其它具有光放大功能的光放大器。
6.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述窄带滤波器(5)中心波长与可调谐单频激光器(2)波长一致。
7.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述传感光纤(7)为单模光纤或多模光纤。
8.根据权利要求1所述基于光频调制与直接探测的ФOTDR，其特征在于：所述数据采集与处理系统(9)包括数据采集卡与计算机，其中：数据采集卡对输入的电信号进行采样后输入计算机，计算机进行分析得到外界信号的频率信息。
9.一种基于权利要求1至7任一条所述ФOTDR的传感方法，其特征在于，该方法的实现步骤如下：
第一步，所述信号发生器(1)对所述单频可调谐激光器(2)施加正弦谐波光频调制信号使之变成调频激光；
第二步，所述调频激光经所述脉冲发生器(3)变成周期性脉冲光；
第三步，所述脉冲光经光放大器(4)放大；
第四步，所述光放大器(4)的输出光输入窄带滤波器(5)滤除自发辐射（ASE）噪声；
第五步，所述窄带滤波器(5)输出光经环形器(6)输入传感光纤(7)；
第六步，传感光纤(7)瑞利散射信号经环形器(6)第二输出端口(63)输入光电探测器(8)；
第七步，所述光电探测器(8)输出信号输入数据采集与处理系统(9)进行处理，通过对传感光纤(7)中各个位置的瑞利散射信号进行傅里叶变换得到外界信号的频率信息，从而实现外界信号的传感。
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