CN107957276A - 基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计及其测量方法。该系统是在传统Φ‑OTDR的基础上，通过引入具有特定光程差的时延光纤和连接光纤，形成一个具有固定臂长差的马赫－曾德尔干涉仪(MZI)，构成一个激光器频率漂移检测模块。根据系统中MZI的信号强度得到激光器的频率漂移，并通过相位补偿算法对Φ‑OTDR传感系统的相位进行补偿，以消除激光器频率漂移对Φ‑OTDR传感性能的影响。本发明通过构建新型Φ‑OTDR系统来消除激光器频率漂移对传感性能的影响，并且通过相位补偿等处理方法可以降低噪声的影响，提高了系统对振动事件定量测量的准确度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计及其测量方法。
背景技术
相位敏感光时域反射计(Phase Sensitive Optical Time DomainReflectometry,Φ-OTDR)响应速度快，是一种利用光纤中后向瑞利散射光的分布式光纤传感技术，它通过光纤中瑞利散射相干效应进行传感，当光纤未受到外部事件扰动时，光纤中返回的瑞利散射信号将呈现稳定的相干波形，即每条光功率曲线上的起伏波动形状相同，不会随着时间而变化。反之，倘若光纤上某处受到外部事件扰动时，那么该处返回的瑞利散射信号的相干波形将发生变化，也就是说光功率曲线上对应位置的起伏波动形状将改变。基于这个原理，就可以通过检测光功率曲线上相干衰落波形，找出波形变化的位置，这就表明该位置的光纤受到了外界的扰动。由于影响瑞利相干波形的是光纤中传输光的相对相位，只要外界扰动事件引起了光纤长度在波长级别的变化，这个扰动信号就能被Φ-OTDR捕捉，所以Φ-OTDR系统灵敏度很高，常用于探测动态扰动事件，用来获取动态扰动事件的位置与频率等信息。
激光器自身的线宽，频率漂移以及输出功率大小对Φ-OTDR的影响非常大。Φ-OTDR中使用的窄线宽激光器，如果频率漂移严重，就会导致其曲线发生畸变，不仅降低了信噪比，也限制了整个系统对低频扰动的测量能力，这样的激光器不适合用于传感。常用的激光器一般为半导体激光器和光纤激光器，激光是在谐振腔中反复振荡后输出的，而谐振腔长度一个微小的变化就会引起输出的激光具有严重的频漂。此外，由于激光器中的控温系统具有滞后性，最终使得激光器的内部温度在一定范围中波动，这也会引起激光器频漂。激光器的频率并不是稳定向单一方向漂移，漂移的方向是随机的，它漂移的轨迹类似于随机游走噪声，在短时间内也能产生较大的漂移，因为Φ-OTDR曲线对于光源的频率漂移较为敏感，因此就会引起Φ-OTDR曲线畸变，获取的扰动事件的位置与频率等信息不准确，从而降低Φ-OTDR系统的传感性能。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计及其测量方法，通过构建马赫－曾德尔干涉仪来检测激光器频率漂移，通过相位补偿消除激光器频率漂移对Φ-OTDR传感性能的影响。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计，包括激光器模块、Φ-OTDR传感主模块、激光器频率漂移检测模块、数据采集卡和处理器，所述激光器模块包括激光器和第一耦合器，所述Φ-OTDR传感主模块包括第二耦合器、声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、第三耦合器和第一光电探测器，所述激光器频率漂移检测模块包括第四耦合器、连接光纤、时延光纤、第五耦合器和第二光电探测器；激光器输出的连续光信号经第一耦合器分成功率不同的两路光信号，功率较高的光信号输入第二耦合器，功率较低的光信号输入第四耦合器，第二耦合器将输入的光信号分成功率不同的两路光信号，功率较高的光信号作为传感光输入声光调制器，功率较低的光信号作为本地参考光输入第三耦合器的第一输入端，声光调制器根据脉冲发生器输出的脉冲信号将传感光调制为特定的脉冲光信号并输入光放大器，光放大器对输入的脉冲光信号进行功率补偿，环形器的第二端口连接传感光纤，补偿后的脉冲光信号输入环形器的第一端口并通过环形器的第二端口导入传感光纤，背向瑞利散射信号携带传感信息散射回环形器的第二端口，并从环形器的第三端口输入第三耦合器的第二输入端，第三耦合器将输入的两路光信号进行耦合，产生的相干光经第一探测器被数据采集卡采集，由处理器进行信号分析，得到传感光纤沿线的传感信息；第四耦合器将输入的光信号分成两路功率相等的光信号，其中一路光信号经连接光纤输入第五耦合器的第一输入端，另一路光信号经时延光纤输入第五耦合器的第二输入端，时延光纤与连接光纤具有固定的光程差，二者组成一个具有固定臂长差的马赫-曾德尔干涉仪，第五耦合器将输入的两路光信号进行耦合，产生的相干光经第二光电探测器被数据采集卡采集，由处理器进行信号处理，得到激光器频率漂移变化信息。
进一步地，所述激光器频率漂移检测模块放置于一个恒温密闭的稳定空间中，保证其免受外界环境干扰。
进一步地，所述第一耦合器和第二耦合器均为90:10耦合器，第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器均为50:50耦合器。
进一步地，所述激光器采用窄线宽激光器。
基于上述相位敏感光时域反射计的测量方法，包括以下步骤：
(1)激光器发射光信号经第一耦合器分成两路信号，其中一路功率较高的信号输入Φ-OTDR传感主模块，同时在传感光纤的某一位置处施加扰动信号，数据采集卡采集N组Φ-OTDR信号，并由处理器进行信号分析；
(2)在Φ-OTDR传感主模块采集信号的同时，第一耦合器输出的一路功率较低的信号输入激光器频率漂移检测模块，数据采集卡采集N组频率信号，并由处理器进行信号分析，得到激光器频率漂移引起的相位变化信息；
(3)将激光器频率漂移引起的相位变化按比例对Φ-OTDR信号进行相位补偿，消除激光器频率漂移的影响。
进一步地，在步骤(1)中，数据采集卡采集的Φ-OTDR信号表达式如下：
上式中，fb是声光调制器的频率；f是激光器发出的光源频率；θR是背向瑞利散射光的初始相位；ΔL为本地参考光与背向瑞利散射光的光程差；n是光纤的有效折射率；c是光在真空中的速度；θLocal为本地参考光的初始相位；θ(t)为外界扰动带来的相位变化；
将N组Φ-OTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，得到每个点的相干信号强度随时间的变化，将每个位置随时间变化的信号通过I/Q解调、滤波、希尔伯特变换以及解缠绕处理后，初步分析出扰动事件的强度和频率信息；通过选取振动区域之前和振动区域之后的两个点进行相位做差获取由于外界扰动带来的相位变化信息θ(t)，设进行相位做差的振动区域之前和振动区域之后的两个点之间的间距为d；
在步骤(2)中，数据采集卡采集的频率信号的表达式如下：
上式中，D为马赫-曾德尔干涉仪的双臂光程差；
将N组频率信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，通过数据拟合，得到每个点的光信号强度随时间的变化，将获取的光信号强度变化信息转换为由于激光器频率漂移引起的相位变化信息
在步骤(3)中，Φ-OTDR传感主模块总相位变化的表达式如下：
根据马赫-曾德尔干涉仪的双臂光程差D与步骤(1)中进行相位做差的振动区域之前和振动区域之后的两个点之间的间距d的系数关系对Φ-OTDR信号进行相位补偿。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明可以在实际扰动事件监测时消除激光器频率漂移的影响，实现对原始振动信号的准确恢复，提高传感性能；
(2)本发明可以通过激光器频率漂移的大小和快慢来判断Φ-OTDR对扰动信号定位以及测量准确性的高低；
(3)本发明中涉及的两个模块，激光器频率漂移检测模块与Φ-OTDR传感主模块之间独立探测，互不干扰，互不影响，不需要改变原有Φ-OTDR传感主模块的结构。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是实施例中Φ-OTDR传感主模块中由光电探测器1采集的一组相干信号强度变化图；
图3是实施例中没有经过频漂补偿的振动信号波形图；
图4是实施例中激光器频率漂移检测模块监测到的输出信号强度随时间变化图及其数值拟合曲线图；
图5是实施例中经过频漂补偿之后的振动信号波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计，包括窄线宽1550nm激光器、耦合器1、耦合器2、耦合器3、耦合器4、耦合器5、声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、连接光纤、时延光纤、光电探测器1、光电探测器2和数据采集卡。耦合器2、声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、耦合器3和光电探测器1组成Φ-OTDR传感主模块；耦合器4、连接光纤、时延光纤、耦合器5和光电探测器2组成激光器频率漂移检测模块。
窄线宽1550nm激光器的输出端接耦合器1后被分为光功率比值为90:10的两路连续光，其中光功率90％的光路为第一光路，光功率10％的光路为第二光路。第一路光路传感路径如下：经过功率比90:10耦合器2将连续光信号按照功率分为90％的传感光和10％的本地参考光，设置与声光调制器相匹配的电源电压，在脉冲函数发生器上设置合适的脉冲宽度和脉冲周期以及电平电压等参数后，连续光入射进入声光调制器，经过声光调制器调制输出周期脉冲光，声光调制器输出的脉冲光进入光放大器进行功率补偿，补偿后的脉冲光进入环形器1端口，环形器2端口接传感光纤，背向瑞利散射光携带传感信息散射回来再经过环形器2端口，从环形器3端口出射进入耦合器3与本地参考光进行耦合，产生的相干光输入到光电探测器1由采集卡采集相干光信号，经过处理器做信号分析，得到光纤沿线的传感信息。第二路光路传感路径如下：从耦合器1的10％端口输出的连续光经过连接光纤进入耦合器4，进入耦合器4的连续光被等分为50:50的两路连续光，分别是经过具有特定长度时延光纤的第三路光以及经过连接光纤的第四路光。第三路光和第四路光在50:50的耦合器5进行耦合发生干涉，出射光进入光电探测器2，由采集卡采集相干光信号，传至处理器做信号分析，得到激光器频率漂移变化信息。
在Φ-OTDR传感主模块中，从环形器3端口出射，出射光强度如下式所示：
其中，fb是声光调制器的频率；f是激光器发出的光源频率；θR是散射光的初始相位；θ(t)为振动事件引入的相位变化。
另一路作为本地参考光，强度如下所示：
其中，ΔL为本地参考光和背向瑞利散射光之间的光程差；n是光纤的有效折射率；c是光在真空中的速度；θLocal为本地参考光的初始相位。本地参考光与背向瑞利散射光经过耦合器3耦合产生相干信号，由光电探测器1将光信号转换为电信号，光电探测器1探测到的信号表达式如下：
由采集卡采得N组Φ-OTDR信号，传至处理器做信号分析。
在激光器频率漂移检测模块中，激光器发出的连续光经过耦合器被分为两路强度相等的光信号进入具有特定光程差的连接光纤和时延光纤，进入连接光纤的光信号强度表达式为：
其中，θ1为连接光纤中光信号的初始相位；另一路进入时延光纤的光信号强度表达式为：
其中，D为连接光纤和时延光纤之间的光程差；两路光经过合输出到光电探测器2，光电探测器2探测到的信号表达式如下：
当光源频率发生漂移时，即使光纤没有发生振动，但由于叠加信号的相位差产生了变化，仍会使返回的信号产生变化，从而对传感系统的测量准确性造成影响。因此，本系统中一方面采用高稳定度的窄线宽激光光源，减少其自身的频漂，另一方面通过采取基于MZI的频漂补偿的方法来解决光源频漂带来的影响。
本实施例的工作过程如下：
采用如图1所示的系统，由激光器发出脉冲周期100us脉宽为300ns的光脉冲信号，经过光放大器进行功率补偿，补偿后的脉冲光进入环形器1端口，环形器2端口接待测光纤产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光回来再经过环形器2端口，从环形器3端口出射进入耦合器3与本地参考光相干后进入光电探测器1，由光电探测器1将光信号转换为电信号传入采集卡，采集卡每隔10ms采集一次，共采得1000组Φ-OTDR信号，其中一组相干信号如图2所示，可以得到各个位置处相干信号强度的变化情况(变化的总时间为10s，选取显示4-6km范围)。将采集得到的1000组信号传至处理器做信号分析，可以得到光纤沿线的传感信息。在整个系统中，环形器2端口连接的传感光纤长度为6km，脉冲周期为100us脉宽为300ns,振动信号通过压电陶瓷施加在传感光纤5km处。
在系统中，耦合器2是一个功率比50:50的光纤耦合器，通过耦合器2的1端口输入的连续光经过2端口输出进入长度为11米的延迟光纤，经过3端口输出的连续光进入长度为1米的连接光纤。两路光之后再经由一个功率比50:50的耦合器3合为一路。
将得到的由采集卡采集的1000组信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，可以得到每个位置处相干信号随时间的变化情况。在待测传感光纤上通过任意函数发生器产生特定信号驱动压电陶瓷施加振动，将每个位置随时间变化的信号通过I/Q解调，滤波，希尔伯特变换以及解缠绕等处理后，可以初步分析出扰动事件的强度和频率信息。通过选取振动区域之前和振动区域之后的两个点进行相位做差可以获取由于外界扰动带来的相位变化信息，解调得到振动波形如图3所示，从图中可以观察到频率为0.5Hz的扰动事件，但是由于受到激光器频率漂移的影响，振动波形畸形较为严重，相位漂移较为明显。
在Φ-OTDR传感主模块采集信号的同时，对激光器频率漂移系统中由耦合器5输出的光信号进行数据采集，采集时间间隔同样是10ms，采样段数是1000段，将得到的由采集卡采集的1000组信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，选取某一固定位置可以得到一个随时间变化的信号(变化的总时间为10s)，对该信号进行数据拟合，可以求得该位置处信号强度变化信息，进而可以利用公式(4)-(6)获取与MZI双臂的光程差相对应的相位变化信息。如图4所示，即为某一位置处激光器频率漂移引起的光信号强度变化情况，图中的平滑曲线为数据拟合的结果。因此可以根据信号随时间变化的快慢以及信号幅度的大小来判断激光器频率漂移变化情况。
总相位变化表达式如下：
由两部分组成，即外界扰动带来的相位变化θ(t)以及由于激光器频率漂移带来的同样与激光器的频率呈正相关的相位变化通过计算MZI双臂的光程差D以及Φ-OTDR传感主模块中进行相位做差的振动区域之前和振动区域之后的两个点之间的间距d之间的系数关系可以有效地对传感信号进行相位补偿，消除激光器频率漂移的影响，实现对原始振动信号θ(t)的准确恢复，提高传感性能。如图5所示，即为频率漂移补偿之后的振动波形，通过与图3没有经过频率漂移补偿的振动波形对比可以发现，引入频率漂移补偿装置可以帮助我们更加准确的恢复出原始振动信息。并且，当信号变化较快且幅度变化较大时，激光器频率漂移情况较为严重，此时激光器频率漂移对Φ-OTDR传感主模块的影响较大，此时得到的Φ-OTDR信号测量误差较大；反之，当信号变化较慢且幅度变化较小时，激光器频率漂移情况较缓慢，此时激光器频率漂移对Φ-OTDR传感主模块的影响较小，此时得到的Φ-OTDR信号测量误差较小。
此外，由于Φ-OTDR传感主模块和激光器频率漂移检测模块之间相互独立，不仅可以做到不干扰传感信号，又可以消除频率漂移带来的影响，测量出由激光器频率漂移引起的相位变化，并且通过将干扰相位补偿到Φ-OTDR传感主模块中，还可以有效提高Φ-OTDR系统对振动信号的恢复能力，提高传感功能，提升对扰动事件位置和频率的识别能力，从而更好地实现对扰动事件位置和频率的识别。
本发明可以消除激光器频率漂移对Φ-OTDR传感主模块传感检测的影响，抗干扰能力强而且可以实现对激光器频率漂移的实时补偿，在提高Φ-OTDR系统的准确度方面效果十分明显。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计，其特征在于：包括激光器模块、Φ-OTDR传感主模块、激光器频率漂移检测模块、数据采集卡和处理器，所述激光器模块包括激光器和第一耦合器，所述Φ-OTDR传感主模块包括第二耦合器、声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、第三耦合器和第一光电探测器，所述激光器频率漂移检测模块包括第四耦合器、连接光纤、时延光纤、第五耦合器和第二光电探测器；激光器输出的连续光信号经第一耦合器分成功率不同的两路光信号，功率较高的光信号输入第二耦合器，功率较低的光信号输入第四耦合器，第二耦合器将输入的光信号分成功率不同的两路光信号，功率较高的光信号作为传感光输入声光调制器，功率较低的光信号作为本地参考光输入第三耦合器的第一输入端，声光调制器根据脉冲发生器输出的脉冲信号将传感光调制为特定的脉冲光信号并输入光放大器，光放大器对输入的脉冲光信号进行功率补偿，环形器的第二端口连接传感光纤，补偿后的脉冲光信号输入环形器的第一端口并通过环形器的第二端口导入传感光纤，背向瑞利散射信号携带传感信息散射回环形器的第二端口，并从环形器的第三端口输入第三耦合器的第二输入端，第三耦合器将输入的两路光信号进行耦合，产生的相干光经第一探测器被数据采集卡采集，由处理器进行信号分析，得到传感光纤沿线的传感信息；第四耦合器将输入的光信号分成两路功率相等的光信号，其中一路光信号经连接光纤输入第五耦合器的第一输入端，另一路光信号经时延光纤输入第五耦合器的第二输入端，时延光纤与连接光纤具有固定的光程差，二者组成一个具有固定臂长差的马赫-曾德尔干涉仪，第五耦合器将输入的两路光信号进行耦合，产生的相干光经第二光电探测器被数据采集卡采集，由处理器进行信号处理，得到激光器频率漂移变化信息。
2.根据权利要求1所述基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计，其特征在于：所述激光器频率漂移检测模块放置于一个恒温密闭的稳定空间中，保证其免受外界环境干扰。
3.根据权利要求1所述基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计，其特征在于：所述第一耦合器和第二耦合器均为90:10耦合器，第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器均为50:50耦合器。
4.根据权利要求1所述基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计，其特征在于：所述激光器采用窄线宽激光器。
5.基于权利要求1所述相位敏感光时域反射计的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)激光器发射光信号经第一耦合器分成两路信号，其中一路功率较高的信号输入Φ-OTDR传感主模块，同时在传感光纤的某一位置处施加扰动信号，数据采集卡采集N组Φ-OTDR信号，并由处理器进行信号分析；
(2)在Φ-OTDR传感主模块采集信号的同时，第一耦合器输出的一路功率较低的信号输入激光器频率漂移检测模块，数据采集卡采集N组频率信号，并由处理器进行信号分析，得到激光器频率漂移引起的相位变化信息；
(3)将激光器频率漂移引起的相位变化按比例对Φ-OTDR信号进行相位补偿，消除激光器频率漂移的影响。
6.基于权利要求5所述测量方法，其特征在于：在步骤(1)中，数据采集卡采集的Φ-OTDR信号表达式如下：
<mrow>
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<mn>1</mn>
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</mrow>
上式中，fb是声光调制器的频率；f是激光器发出的光源频率；θR是背向瑞利散射光的初始相位；ΔL为本地参考光与背向瑞利散射光的光程差；n是光纤的有效折射率；c是光在真空中的速度；θLocal为本地参考光的初始相位；θ(t)为外界扰动带来的相位变化；
将N组Φ-OTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，得到每个点的相干信号强度随时间的变化，将每个位置随时间变化的信号通过I/Q解调、滤波、希尔伯特变换以及解缠绕处理后，初步分析出扰动事件的强度和频率信息；通过选取振动区域之前和振动区域之后的两个点进行相位做差获取由于外界扰动带来的相位变化信息θ(t)，设进行相位做差的振动区域之前和振动区域之后的两个点之间的间距为d；
在步骤(2)中，数据采集卡采集的频率信号的表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
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<mo>(</mo>
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<mi>n</mi>
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<mi>f</mi>
<mi>c</mi>
</mfrac>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
上式中，D为马赫-曾德尔干涉仪的双臂光程差；
将N组频率信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，通过数据拟合，得到每个点的光信号强度随时间的变化，将获取的光信号强度变化信息转换为由于激光器频率漂移引起的相位变化信息
在步骤(3)中，Φ-OTDR传感主模块总相位变化的表达式如下：
根据马赫-曾德尔干涉仪的双臂光程差D与进行相位做差的振动区域之前和振动区域之后的两个点之间的间距d的系数关系对Φ-OTDR信号进行相位补偿。
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