CN108180978A - 一种结合pgc技术和φ-otdr技术探测光纤振动的方法及装置 - Google Patents

一种结合pgc技术和φ-otdr技术探测光纤振动的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结合PGC技术和Φ‑OTDR技术探测光纤振动的方法及装置，该方法将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ‑OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。本发明具有低噪声、灵敏度高、性能稳定的特点。

Description

一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感的方法，尤其涉及一种结合PGC(phasegenerated carrier)技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置。
背景技术
世界上首次出现的的衰减小于20dB/km的光纤是康宁公司在1970年研制的，自此光纤的各方面性能都得到了极大的提升，加上光纤成本的降低，使得光纤在通信中发挥了极大的作用。在通信系统中，光纤主要是作为光信号传输的媒介，而实际上当光纤所处环境的外界状态(如温度、应变、磁场)等发生变化后，光纤中传输的光波的各种参数(如强度、相位信息、偏振态等)都会受到调制，探测通过光纤中光波的不同参数信息便可以实现传感。相对于传统的机械式以及电式传感器，光纤传感器具有许多独特的优点；
1.耐腐蚀、抗高温、体积小、质量捂，能够适用多种环境。光纤由于自身材料(其主要成分为二氧化硅SiO2)的特点能够在强腐蚀性、高温等恶劣环境下正常工作。此外光纤直径极小，质量轻，能够与待测物紧密的结合，且不影响待测物的性能。因此光纤传感器能够植入到待测物中，构成新型智能传感器。
2.灵敏度高。由于使用光波作为探测信号而光信号通常具有较短的波长和极高的频率，这使得其可以应用于各种微小信号检测的场合。
3.可测参量多、对象广。光纤传感器可以实现对温度、应变、位移、压力、电流、电压、加速度等参量的测试，还能够被应用于测量折射率、光辐射、湿度等领域。
不同的应用场合，传感器所需要具备的测量范围不同，按照测量范围进行分类可分为：
1.点式传感器：它仅能够实现单点事件或该点附近较小区域内事件的探测；
2.准分布式光纤传感器：它由多个点式的传感器组成，通过各种复用技术实现多点信号的测量，光纤光栅是一种使用较为普遍的准分布式光纤传感器；
3.分布式光纤传感器。这类技术能够对整条光纤进行连续的，无盲区的测量，能够应用于大范围、长距离的场合，是光纤传感技术一个十分重要的分支。
自1976年Barnsen和Jensor最早提出了光纤中背向散射光可以应用于传感后，基于背向瑞利散射光的OTDR技术(Optical Time Domain Reflectometer)的出现使得分布式光纤传感技术的概念更加突出。20世纪80年代，基于布里渊散射光和拉曼散射光的分布式传感技术也分别被报道。在90年代初这些分布式传感器的性能得到了极大的提升，引起了更多研究者关注，被认为是极具潜力的一个研究方向。基于瑞利散射的OTDR技术，基于布里渊散射光的分布式传感技术，以及基于拉曼散射的拉曼光时域反射技术是分布式光纤传感技术中三个重要的分支。其中基于布里渊散射光的分布式传感技术中主要包括BOTDR技术(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)BOTDA技术(Brillouin Optical TimeDomain Analysis)。
分布式光纤传感器是大型基础设施结构健康监测的优秀解决方案，对大型基础设施的温度进行监测可以有效的预防火灾等险情，而对振动进行监测可以进行周界安防。温度和振动的监测是分布式光纤传感技术两个重点关注的参量。同时，温度和振动也是静态参量和动态参量的两种典型参量。在诸多分布式光纤传感技术中基于瑞利散射的OTDR技术和BOTDR技术，在温度和振动的监测上具有突出的优点，是两种应用十分广泛的分布式光纤传感技术。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法，该方法将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ-OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。
进一步地，所述采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，具体为：原信号分别与单倍频和二倍频混频低通滤波后得到两个正交的正弦项和余弦项，将两个正交项相除得到正切信号，再进行反正切运算，最后经过高通滤波实现信号的解调。
一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置，该装置包括：激光二极管、隔离器、功率分叉器、第一EDFA功率放大器、第一环形器、第一FBG光纤布拉格光栅、第二环形器第二EDFA功率放大器、第三环形器第二FBG光纤布拉格光栅、衰减器、压电陶瓷、压电陶瓷调制器和待测光纤；其中，所述激光二极管、隔离器和功率分叉器依次相连，功率分叉器的输出端分别连接第一EDFA功率放大器和衰减器；第一EDFA功率放大器连接第一环形器的第一端口，第一环形器的第二端口和第三端口分别连接第一FBG光纤布拉格光栅、第二环形器的第一端口，第二环形器的第二端口连接待测光纤，第三端口依次连接第二EDFA功率放大器、第三环形器的第一端口，第三环形器的第二端口连接第二FBG光纤布拉格光栅，第三端口输入光纤干涉仪；衰减器与压电陶瓷相连后输入光纤干涉仪，压电陶瓷由压电陶瓷调制器驱动。
进一步地，所述光纤干涉仪包括依次连接的2x1耦合器、光电二极管、模拟数字转换器、DSP芯片，2x1耦合器接收压电陶瓷输出的参考光和第三环形器的第三端口输出的信号光，通过光电二极管转换成电信号，通过模拟数字转换器转化成数字信号，通过DSP芯片将干涉信号进行解调，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。
进一步地，所述激光二极管为DFB激光二极管或DBR激光二极管。
进一步地，所述功率分叉器分出90-99％功率的光用作探测光输入第一EDFA功率放大器，剩余1-10％功率的光为参考光输入衰减器。
本发明的有益效果是：
1.本发明具有低噪声、高灵敏度、高精度识别和分析、稳定性高的特点。
2.本发明基于高灵敏度PGC相位测量，使该结构可以获得极高的温度及应变分辨力，可通过缩短光源线宽来扩展动态测量范围。
3.本发明可实现分布式探测，可实现实时多点的同时探测，可通过和光纤干涉仪复用提高空间分辨率并实现通信和传感的同时进行。
附图说明
图1为本发明结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置的光路示意图；
图中，激光二极管1、隔离器2、功率分叉器3、第一EDFA功率放大器4、第一环形器5、第一FBG光纤布拉格光栅6、第二环形器7、第二EDFA功率放大器8、第三环形器9、第二FBG光纤布拉格光栅10、衰减器11、压电陶瓷12、压电陶瓷调制器13、2x1耦合器14、光电二极管15、模拟数字转换器16、DSP芯片17、待测光纤18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的工作原理如下：
1.常规干涉仪中的两束光，信号光和参考光当仅为两束光干涉的情形下，E1(t)＝A1cos(ωt+φ1)，E2(t)＝A2cos(ωt+φ2)
则
本发明在参考光加入了调制深度为M、超声频率为ω0的光程差调制，以获取干涉条纹的高分辨解析，即的相位差被调制。设其对相位的调制为H＝Msin(ω0t+Δφ1)，则此时探测到的光强为：
I(t)＝I0+I1cos(Δφ0+H)＝I0+I1cos(Δφ0)cos(H)-I1sin(Δφ0)sin(H)
式中，I为信号光和参考光干涉表达项，I0为信号光和参考光的光强和，Δ为信号光和参考光调制前的相位差，M为调制深度，ω0为调制声波的频率，为调制初始相位，t为时间。
上式可写为其中载波信号为Ccosω0t，为待测信号和环境漂移共同引起的相位变化，其中Dcosωst为待测信号幅度，为环境噪声引起的相位变化。是相位因子，且载波信号频率远高于待测信号，故可看做它载着待测信号，故为相位载波。由贝塞尔函数展开得：
因此，只要采用数字正交取样法(如Bessel函数展开)，通过使干涉信号分别与幅度分别为G、H，角频率为ω0和2ω0的载波混频、低通滤波即可在干涉信号中分解出偶函数分量幅值和奇函数分量幅值： 经除法器得求反正切再经高通滤波后得到就可以精确的计算出相位差的值。
2.当待测光纤上外界应变加入时，引起的相位变化量随应变ε(t)关系如下：
其中n(0)为基模的有效折射率，μ为泊松比，为常数，其中p11和p12为弹光系数，常温下n(0)＝1.46，p11＝0.121和p12＝0.270，μ＝0.17，在光纤应变范围内，相位变化量和应变基本成正比。
基于上述原理，本发明采用反正切PGC(phase generated carrier)解调法，检测动态应变的相移，进而获得应变信息，根据光纤传递过程的衰减获得位置信息，进而实现光纤分布式应变传感。
具体来说，本发明提供的一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法，将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ-OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。
如图1所示，本发明为实现上述方法，提供了一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置，该装置包括：激光二极管1、隔离器2、功率分叉器3、第一EDFA功率放大器4、第一环形器5、第一FBG光纤布拉格光栅6、第二环形器7第二EDFA功率放大器8、第三环形器9第二FBG光纤布拉格光栅10、衰减器11、压电陶瓷12、压电陶瓷调制器13和待测光纤18；其中，所述激光二极管1、隔离器2和功率分叉器3依次相连，功率分叉器3的输出端分别连接第一EDFA功率放大器4和衰减器11；第一EDFA功率放大器4连接第一环形器5的第一端口，第一环形器5的第二端口和第三端口分别连接第一FBG光纤布拉格光栅6、第二环形器7的第一端口，第二环形器7的第二端口连接待测光纤18，第三端口依次连接第二EDFA功率放大器8、第三环形器9的第一端口，第三环形器9的第二端口连接第二FBG光纤布拉格光栅10，第三端口输入光纤干涉仪；衰减器11与压电陶瓷12相连后输入光纤干涉仪，压电陶瓷12由压电陶瓷调制器13驱动。
进一步地，所述光纤干涉仪包括依次连接的2x1耦合器14、光电二极管15、模拟数字转换器16、DSP芯片17，2x1耦合器14接收压电陶瓷12输出的参考光和第三环形器9的第三端口输出的信号光，通过光电二极管15转换成电信号，通过模拟数字转换器16转化成数字信号，通过DSP芯片17将干涉信号进行解调，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。
进一步地，所述激光二极管1为DFB激光二极管或DBR激光二极管。
进一步地，所述功率分叉器3分出90-99％功率的光用作探测光输入第一EDFA功率放大器4，剩余1-10％功率的光为参考光输入衰减器11。
该装置的实现过程如下：
步骤1：DFB/DBR激光二极管作为光源，由隔离器防止回波至DFB/DBR激光二极管而影响其稳定性，由功率分叉器分出90-99％功率的光经过EDFA放大，通过FBG降低ASE(自发辐射噪声)用作探测光，剩余1-10％功率的光为参考光，通过PZT进行相位外调制。
步骤2：探测光通过环形器进入待测光纤，产生后向瑞利散射回波，该回波通过环形器后，用光纤耦合器耦合至干涉仪中。
步骤3：参考光的固定相位差和振动幅度M的相位由压电陶瓷带动光纤调制后，输入于步骤2所述的干涉仪中；参考光和回波的光强度由电控光纤可调衰减器调节至1:1后，在干涉仪中产生干涉，产生的干涉信号由24位以上ADC模数转换器转换后由DSP取样。
步骤4：提取并处理干涉数据。

Claims (6)

1.一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法，其特征在于，将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ-OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。
2.根据权利要求1所述的探测光纤振动的方法，其特征在于，所述采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，具体为：原信号分别与单倍频和二倍频混频低通滤波后得到两个正交的正弦项和余弦项，将两个正交项相除得到正切信号，再进行反正切运算，最后经过高通滤波实现信号的解调。
3.一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置，其特征在于，该装置包括：激光二极管(1)、隔离器(2)、功率分叉器(3)、第一EDFA功率放大器(4)、第一环形器(5)、第一FBG光纤布拉格光栅(6)、第二环形器(7)、第二EDFA功率放大器(8)、第三环形器(9)、第二FBG光纤布拉格光栅(10)、衰减器(11)、压电陶瓷(12)、压电陶瓷调制器(13)和待测光纤(18)；其中，所述激光二极管(1)、隔离器(2)和功率分叉器(3)依次相连，功率分叉器(3)的输出端分别连接第一EDFA功率放大器(4)和衰减器(11)；第一EDFA功率放大器(4)连接第一环形器(5)的第一端口，第一环形器(5)的第二端口和第三端口分别连接第一FBG光纤布拉格光栅(6)、第二环形器(7)的第一端口，第二环形器(7)的第二端口连接待测光纤(18)，第三端口依次连接第二EDFA功率放大器(8)、第三环形器(9)的第一端口，第三环形器(9)的第二端口连接第二FBG光纤布拉格光栅(10)，第三端口输入光纤干涉仪；衰减器(11)与压电陶瓷(12)相连后输入光纤干涉仪，压电陶瓷(12)由压电陶瓷调制器(13)驱动。
4.根据权利要求3所述的探测光纤振动的装置，其特征在于，所述光纤干涉仪包括依次连接的2x1耦合器(14)、光电二极管(15)、模拟数字转换器(16)、DSP芯片(17)，2x1耦合器(14)接收压电陶瓷(12)输出的参考光和第三环形器(9)的第三端口输出的信号光，通过光电二极管(15)转换成电信号，通过模拟数字转换器(16)转化成数字信号，通过DSP芯片(17)将干涉信号进行解调，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。
5.根据权利要求3所述的探测光纤振动的装置，其特征在于，所述激光二极管(1)为DFB激光二极管或DBR激光二极管。
6.根据权利要求3所述的探测光纤振动的装置，其特征在于，所述功率分叉器(3)分出90-99％功率的光用作探测光输入第一EDFA功率放大器(4)，剩余1-10％功率的光为参考光输入衰减器(11)。
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