CN108489517A - 基于脉冲内偏振态数字编码的cotdr传感装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置，包括光源(1)、1×2耦合器(2)、调制信号产生装置(3)、双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、光混合器(8)、第一、第二光电探测器(9)、(10)以及信号采集和解调装置(11)。与现有技术相比，本发明消除了传感光纤扭转、弯曲等改变双折射性质的事件导致的后方光纤的传感失效问题，提高了COTDR传感技术在实际工程应用中的稳定性和适用环境范围；设计灵活，能根据传感光纤性质、传感环境特点优化光脉冲组合，增强了系统对各种环境适应性。

Description

基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置及方法
技术领域
本发明涉及相干光时域反射技术领域和光脉冲数字调制技术领域，特别涉及一种COTDR传感装置及其传感方法。
背景技术
相干光时域反射(COTDR)传感技术，是石油、岩土、安防等领域的重要检测手段和重要研究方向，在建筑结构健康监测、石油矿产井下环境监测、海底光缆监测、水下监听等方面有着广泛的应用和需求。COTDR传感技术，将本地参考光与注入光纤的后向瑞利散射光信号混合放大，解调得到传感光纤各处的光相位信息，从而实时探知外界振动、声波信号导致的光纤各处相位变化，进而实现对振动源、声源的识别和定位。如在沿输油输气管道安全监测方面，通过沿管道固定的传感光纤，COTDR装置可以实时监测管道漏点、异常振动等状况。
由于COTDR技术使用本地参考光与后向瑞利散射信号光混合放大，传感光纤的扭转、弯曲等改变双折射性质的事件，导致该事件后方所有光纤的COTDR信号在无扰动情况下仍然发生变化，即光纤前段受到的扭动、弯曲等扰动，导致其后方的光纤传感失效。这直接影响了COTDR技术在实际工程应用中的稳定性和适用环境范围，限制了COTDR技术在实际工程应用中适用范围。
发明内容
本发明目的是提出一种基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置及方法，基于脉冲内偏振态数字编码的移频脉冲光构建出COTDR传感系统；使用双偏振四平行马赫增德尔调制器产生数字化脉冲，光脉冲的偏振态、强度和相位的组合。
本发明的一种脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置，该装置包括光源1、1×2耦合器2、调制信号产生装置3、双偏振四平行马赫增德尔电光调制器4、掺铒光纤放大器5、光纤环行器6、传感光纤7、光混合器8、第一、第二光电探测器9、10以及信号采集和解调装置11；其中：所述光源1输出端与所述1×2耦合器2的输入端连接；所述光源1×2耦合器2的包括两路输出端：一路连接至所述调制信号产生装置3的输入端；所述调制信号产生装置3包括两路输出端：一路连接至所述双偏振四平行马赫增德尔电光调制器4的输入端，另一路连接至所述掺铒光纤放大器5的输入端；所述掺铒光纤放大器5的输出端连接至所述光纤环行器6的输入端；所述1×2耦合器2的另一路输出端连接至所述光混合器8的一路输入端，所述光混合器8的一路输出端连接至所述第二光电探测器10；再经所述第二光电探测器10的一路输出端连接至信号采集和解调装置11；所述光纤环行器6的输入端的一路输入端连接至所述光混合器8的另一路输入端，所述光混合器8的另一路输出端连接至所述第二光电探测器10；再经所述第二光电探测器10的另一路输出端连接至信号采集和解调装置11；
所述光源1，用于提供系统所需长相干长度的激光输出；
所述1×2耦合器2，用于将连续激光器发出的激光分成两路，一路经过双偏振四平行马赫增德尔电光调制器调制产生信号光，一路作为本地参考光；
所述调制信号产生装置3，使用任意波形发生器产生分别用于X、Y偏振方向调制的二路信号，经过射频放大器放大，由90度电桥生成相位相差90°的I、Q信号(I即in-phase表示同相；Q即quadrature表示正交，与I相位差90度。现在普遍表示相差90°相位的两路信号，例如sin和cos)；
所述双偏振四平行马赫增德尔电光调制器4，用于调制产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲；
所述掺铒光纤放大器5，用于放大经过调制产生的信号光，增益10～30dB，满足长距离探测的要求；
所述光纤环行器6，用于将信号光输入传感光纤并将反射回的信号光输入到解调光路中。；传感光纤7，用于感受声波振动信号和传输光信号，长度0.1km～50km；
所述光混合器8，用于实现相干探测，输入为反射的瑞利散射信号光和本地参考光；
所述第一、第二光电探测器9、10，用于接收光混合器输出的信号，带宽50MHz～20GHz。
本发明的一种脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感方法，该方法具体包括以下流程：
步骤一、光源发出频率为f0的连续激光经过1×2耦合器分为本地参考光和信号光两路光；由调制信号产生装置控制的双偏振四平行马赫增德尔电光调制器，被调制成脉冲内偏振态数字编码、光频率为f0+Δf的移频光脉冲，Δf为移频频率；其中，控制电光调制器的调制信号产生4路信号；其4路信号的振幅值为AX和AY，一个移频光脉冲内的偏振态编码个数为n，对应偏振方向与快轴夹角步进步长为AX依次取n个值，分别为 AY依次取n个值，分别为 A0为设定的电压常量；产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲偏振态，移频光脉冲内各偏振态对应光强保持不变；
步骤二、脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环形器，然后被注入传感光纤中，脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回，含有用于解调相位信息φ(t)的光信号，经过环形器返回后到达光混合器，与本地参考光混合干涉；
步骤三、信号光与本地参考光在光混合器中混合干涉后，当输出的信号分别为I信号I＝I(t)cos(2πΔft+φ(t))和Q信号Q＝I(t)sin(2πΔft+φ(t))，光信号光电探测器接收转化成电压信号并由信号采集和解调装置处理；
步骤四、脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在传感光纤各处产生的光信号的偏振态和相位信息与光纤各处X、Y方向相位差δ(Z)无关，消除了δ(Z)对光混合器输出信号中I(t)、φ(t)的影响；采用I、Q信号相位解调算法，根据计算得到φ′(t)，再积分，解调得到传感光纤各处的相位信息φ(t)，计算各处相位在每帧之间的变化，得到传感光纤各处受到的振动情况。
与现有技术相比，本发明消除了传感光纤扭转、弯曲等改变双折射性质的事件导致的后方光纤的传感失效问题，提高了COTDR传感技术在实际工程应用中的稳定性和适用环境范围；设计灵活，能根据传感光纤性质、传感环境特点优化光脉冲组合，增强了系统对各种环境适应性。
附图说明
图1是本发明的脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置结构示意图；
图2是产生调制信号的装置结构示意图；
图3是调制信号振幅值变化和脉冲光强变化示意图；
图4是本发明中经过调制产生的偏振态编码移频脉冲光的偏振态成分示意图；
图中，1、光源，2、1x2耦合器，3、调制信号产生装置，4、双偏振四平行马赫增德尔电光调制器，5、掺铒光纤放大器，6、光纤环行器，7、传感光纤，8、光混合器，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、光电探测器，12、信号采集和解调装置。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。
实施例1：基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置
如图1所示，光源1发出频率为的连续激光经过1x2耦合器2，分为本地参考光和信号光两路光：信号光经过由调制信号产生装置3控制的双偏振四平行马赫增德尔电光调制器4，被调制成脉冲内偏振态数字编码、光频率为f0+Δf的移频光脉冲；脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲先后经过掺铒光纤放大器5放大、光纤环行器6传输，被注入传感光纤7中，脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲沿传感光纤7传输，并在传感光纤7各处依次产生后向瑞利散射沿光纤返回，含有传感光纤7各处的光相位信息，返回光信号经过光纤环行器6返回后到达光混合器8，与本地参考光混合；光混合器8输出I、Q光，由光电探测器9、10分别接收，转化为电压信号；经过信号采集和解调装置11处理，得到传感光纤7中的各位置振动信息。其中：
光源1，采用窄线宽(100Hz～1MHz)连续激光器，用于提供系统所需长相干长度的激光输出；
1x2耦合器2，用于将连续激光器发出的激光分成两路，一路经过双偏振四平行马赫增德尔电光调制器调制产生信号光，一路作为本地参考光，其包括单模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或偏振分束器；
调制信号产生装置3，如图2所示，使用任意波形发生器产生分别用于X、Y偏振方向调制的2路信号，经过射频放大器放大，由90度电桥生成相位相差90°的I、Q信号；
双偏振四平行马赫增德尔电光调制器4，用于调制产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲，其带宽20GHz～100GHz满足高速调制需求；
掺铒光纤放大器5，用于放大经过调制产生的信号光，增益10～30dB，满足长距离探测的要求；
光纤环行器6，用于将信号光输入传感光纤并将反射回的信号光输入到解调光路中。
传感光纤7，用于感受声波振动信号和传输光信号，长度0.1km～50km；
光混合器8，用于实现相干探测，输入为反射的瑞利散射信号光和本地参考光；
光电探测器9、10，用于接收光混合器输出的信号，带宽50MHz～20GHz。
实施例2：基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感方法
如图1所示，光源发出频率为f0的连续激光经过1x2耦合器分为本地参考光和信号光两路光；由调制信号产生装置控制的双偏振四平行马赫增德尔电光调制器，被调制成脉冲内偏振态数字编码、光频率为f0+Δf的移频光脉冲。其中，控制电光调制器的调制信号为如图2所示装置产生的4路信号；其4路信号的振幅值AX和AY按图3(a)(b)所示变化，一个移频光脉冲内的偏振态编码个数为n，对应偏振方向与快轴夹角步进步长为对应各个AX为 对应各个AY为 产生的脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲偏振态按图4所示；光脉冲光强按图3(c)所示，移频光脉冲内各偏振态对应光强不变。脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环形器，然后被注入传感光纤中，脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回，含有用于解调相位信息φ(t)的光信号，经过环形器返回后到达光混合器，与本地参考光混合干涉。信号光与本地参考光在光混合器中混合干涉后，当输出的信号分别为I信号I＝I(t)cos(2πΔft+φ(t))和Q信号Q＝I(t)sin(2πΔft+φ(t))，光信号光电探测器接收转化成电压信号并由信号采集和解调装置处理。采用I、Q信号相位解调算法，按计算得到φ′(t)，再积分，解调得到传感光纤各处的相位信息；计算各处相位在每帧之间的变化，得到传感光纤各处受到的振动情况。
其中，调制产生的移频光脉冲移频量Δf采用50MHz～20GHz；移频光脉冲内的偏振态编码个数n采用4～1000；偏振方向与快轴夹角步进步长对应为90°～0.36°。

Claims (2)

1.一种基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2耦合器(2)、调制信号产生装置(3)、双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、光混合器(8)、第一、第二光电探测器(9)、(10)以及信号采集和解调装置(11)；其中：所述光源(1)输出端与所述1×2耦合器(2)的输入端连接；所述光源1×2耦合器(2)的包括两路输出端：一路连接至所述调制信号产生装置(3)的输入端；所述调制信号产生装置(3)包括两路输出端：一路连接至所述双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)的输入端，另一路连接至所述掺铒光纤放大器(5)的输入端；所述掺铒光纤放大器(5)的输出端连接至所述光纤环行器(6)的输入端；所述1×2耦合器(2)的另一路输出端连接至所述光混合器(8)的一路输入端，所述光混合器(8)的一路输出端连接至所述第二光电探测器(10)；再经所述第二光电探测器(10)的一路输出端连接至信号采集和解调装置(11)；所述光纤环行器(6)的输入端的一路输入端连接至所述光混合器(8)的另一路输入端，所述光混合器(8)的另一路输出端连接至所述第二光电探测器(10)；再经所述第二光电探测器(10)的另一路输出端连接至信号采集和解调装置(11)；
所述光源(1)，用于提供系统所需长相干长度的激光输出；
所述1×2耦合器(2)，用于将连续激光器发出的激光分成两路，一路经过双偏振四平行马赫增德尔电光调制器调制产生信号光，一路作为本地参考光；
所述调制信号产生装置(3)，使用任意波形发生器产生分别用于X、Y偏振方向调制的二路信号，经过射频放大器放大，由90度电桥生成相位相差90°的I、Q信号；
所述双偏振四平行马赫增德尔电光调制器(4)，用于调制产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲；
所述掺铒光纤放大器(5)，用于放大经过调制产生的信号光，增益10～30dB，满足长距离探测的要求；
所述光纤环行器(6)，用于将信号光输入传感光纤并将反射回的信号光输入到解调光路中；
传感光纤(7)，用于感受声波振动信号和传输光信号，长度0.1km～50km；
所述光混合器(8)，用于实现相干探测，输入为反射的瑞利散射信号光和本地参考光；
所述第一、第二光电探测器(9)(10)，用于接收光混合器输出的信号。
2.一种基于脉冲内偏振态数字编码的COTDR传感方法，其特征在于，该方法具体包括以下流程：
步骤一、光源发出频率为f0的连续激光经过1×2耦合器分为本地参考光和信号光两路光；由调制信号产生装置控制的双偏振四平行马赫增德尔电光调制器，被调制成脉冲内偏振态数字编码、光频率为f0+Δf的移频光脉冲，Δf为移频频率；其中，控制电光调制器的调制信号产生4路信号；其4路信号的振幅值为AX和AY，一个移频光脉冲内的偏振态编码个数为n，对应偏振方向与快轴夹角步进步长为AX依次取n个值，分别为 AY依次取n个值，分别为 A0为设定的电压常量；产生脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲偏振态，移频光脉冲内各偏振态对应光强保持不变；
步骤二、脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环形器，然后被注入传感光纤中，脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回，含有用于解调相位信息φ(t)的光信号，经过环形器返回后到达光混合器，与本地参考光混合干涉；
步骤三、信号光与本地参考光在光混合器中混合干涉后，当输出的信号分别为I信号I＝I(t)cos(2πΔft+φ(t))和Q信号Q＝I(t)sin(2πΔft+φ(t))，光信号光电探测器接收转化成电压信号并由信号采集和解调装置处理；
步骤四、脉冲内偏振态数字编码的移频光脉冲在传感光纤各处产生的光信号的偏振态和相位信息与光纤各处X、Y方向相位差δ(Z)无关，消除了δ(Z)对光混合器输出信号中I(t)、φ(t)的影响；采用I、Q信号相位解调算法，根据计算得到φ′(t)，再积分，解调得到传感光纤各处的相位信息φ(t)，计算各处相位在每帧之间的变化，得到传感光纤各处受到的振动情况。
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