CN108827447A - 一种异频双脉冲cotdr传感装置和方法 - Google Patents

一种异频双脉冲cotdr传感装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异频双脉冲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)、移频脉冲调制器(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)，将异频双脉冲注入传感光纤中，将返回的携带各探测点相位信息的信号光与本地参考光混合，解调得到相位信息，得到传感光纤中各处振动信息。与现有技术相比，本发明通过两个脉冲的相位差，消除光源相位噪声引起的无振动处相位变化，提高了COTDR振动传感的信噪比，消除参考光路受到外界振动导致的传感噪声，提高了COTDR装置的鲁棒性及实际工程应用中的稳定性。

Description

一种异频双脉冲COTDR传感装置和方法
技术领域
本发明涉及相干光时域反射技术领域和信号解调技术领域，特别是涉及一种
背景技术
相干光时域反射(COTDR)传感技术，在建筑结构健康监测、矿产探测、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，光源的相位噪声和参考光路受到外界振动导致COTDR信号相位受到干扰。这直接影响了COTDR传感信噪比和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
针对以上现有存在的问题，本发明提供一种异频双脉冲COTDR传感装置和方法，将异频双脉冲注入传感光纤中，将返回的携带各探测点相位信息的信号光与本地参考光混合，解调得到相位信息，得到传感光纤中各处振动信息。
本发明的一种异频双脉冲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)、移频脉冲调制器(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)包括两路输出：一路连接至所述移频脉冲调制器(4)的输入端；所述移频脉冲调制器(4)的输出端连接至掺铒光纤放大器(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)的该路输出端连接至所述第二光电探测器(10)的输入端；再经所述第二光电探测器(10)的该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)的一路输出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)；
所述调制信号产生装置(3)与所述移频脉冲调制器(4)连接；
所述光纤环行器(6)的另一路输出端与传感光纤(7)连接；
其中：
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，一路经过移频脉冲调制器产生信号光，一路作为本地参考光；
所述调制信号产生装置(3)，产生异频双脉冲调制信号；
所述移频脉冲调制器(4)，用于用于调制产生异频双脉冲光信号，；
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；
所述传感光纤(7)，用于感受声波振动信号和传输光信号；
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，输出相应数字电压信号；
信号采集和解调装置(11)，用于采集光电探测器输出数字电压信号，并处理数据。
一种异频双脉冲COTDR传感装置和方法，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；信号光经过由调制信号产生装置控制的移频脉冲调制器，被调制成光频率分别为f0+f1和f0+f2、宽度分别为W1和W2、脉冲间隔为W0的异频双脉冲，其中f1、f2分别为两个脉冲的移频频率；
步骤二、异频双脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和光环行器，然后被注入传感光纤中，在经过的传感光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿传感光纤返回含有用于解调相位信息φ1(t)、光频率为f0+f1的光信号和用于解调相位信息φ2(t)、光频率为f0+f2的光信号，一同经过光环行器返回，之后，到达光混合器，与本地参考光混合干涉；
步骤三、一同返回的两种频率的光信号，在光混合器中分别与本地参考光发生混合干涉，由光混合器输出I信号和Q信号，分别为：
I信号：
I＝A1(t)cos(2πf1t+φ1(t))+A2(t)cos(2πf2t+φ2(t))
Q信号：
Q＝A1(t)sin(2πf1t+φ1(t))+A2(t)sin(2πf2t+φ2(t))
其中，A1(t)，A2(t)分别为两个脉冲后向瑞利散射光与参考光的拍频信号强度，φ1(t),φ2(t)分别为两个脉冲的相位信息，A1(t)，A2(t)，φ1(t)，φ2(t)均为随时间t变化的函数。
步骤四、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进行解调处理，该解调处理包括：I、Q信号分别经过数字滤波，得到信号I1＝A1(t)cos(2πf1t+φ1(t))、I2＝A2(t)cos(2πf2t+φ2(t))、Q1＝A1(t)sin(2πf1t+φ1(t))和Q2＝A2(t)sin(2πf2t+φ2(t))，
按计算得到中间结果
M1＝sin(2π(f1-f2)t+(φ1(t)-φ2(t)))，按计算得到中间结果M2＝cos(2π(f1-f2)t+(φ1(t)-φ2(t)))，再按照(M1′·M2-M1·M2′)-2π(f1-f2)计算得到两脉冲相位差的微分(φ1(t)-φ2(t))′，最后经过积分得到传感光纤各处的两脉冲相位差φ1(t)-φ2(t)，从而得到传感光纤各处受到振动情况。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：
1、本发明的一种异频双脉冲COTDR传感装置，利用两脉冲相位差，消除光源相位噪声引起的无振动处相位变化，提高了COTDR振动传感的信噪比；同时，消除参考光路受到外界振动导致的传感噪声，提高了COTDR装置的鲁棒性及实际工程应用中的稳定性。
2、本发明的一种异频双脉冲COTDR传感装置，两脉冲强度、宽度的灵活调节，能根据需求灵活调节传感空间分辨率并且保持返回光信号强度稳定。
3、采用基于I、Q信号解调的异频双脉冲COTDR解调算法，解调得到传感光纤各处相位差变化，相位差与光纤应力线性相关，消除了干涉光强信号与应力非线性相关导致的传感结果畸变失真。
附图说明
图1是本发明中一种异频双脉冲COTDR传感装置结构示意图；
图2是本发明中调制信号产生装置的调制信号示意图；
图3是基于I、Q信号解调的异频双脉冲COTDR解调算法框图；
图中，1、光源，2、1×2耦合器，3、调制信号产生装置，4、移频脉冲调制器，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、光电探测器，10、光电探测器，11、信号采集和解调装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
实施例1：一种异频双脉冲COTDR传感装置
如图1所示，光源1发出频率为f0的连续激光经过1×2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控制的移频脉冲调制器4，被调制光频率分别为f0+f1和f0+f2、宽度分别为W1和W2、间隔W0的异频双脉冲，其中f1、f2分别为两个脉冲的移频频率；异频双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，异频双脉冲沿传感光纤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，含有用于解调相位信息φ1(t)、光频率为f0+f1的光信号和用于解调相位信息φ2(t)、光频率为f0+f2的光信号一同经过光纤环行器6返回后，到达光混合器8，与本地参考光混合干涉；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；
1×2耦合器2，用于将连续激光器发出的激光分成两路，一路经过移频脉冲调制器产生信号光，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，产生异频双脉冲调制信号，其采样率100MS/s～10GS/s；
移频脉冲调制器4，用于调制产生异频双脉冲光信号，其带宽10MHz～1GHz满足高速调制需求，其包括声光调制器或双平行马赫增德尔调制器；
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返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，输入为返回的瑞利散射信号光和本地参考光；
第一、第二光电探测器9、10，用于接收光混合器输出的信号，输出相应数字电压信号，带宽10MHz～1GHz；
信号采集和解调装置11，用于采集光电探测器输出数字电压信号，并处理数据。
实施例2：一种异频双脉冲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；信号光经过由调制信号产生装置控制的移频脉冲调制器，被调制成光频率分别为f0+f1和f0+f2、宽度分别为W1和W2、间隔W0的异频双脉冲，其中f1、f2分别为两个脉冲的移频频率。其中，调制信号产生装置的调制信号按如图2所示变化，在每个重复周期中T，含有2个脉冲信号，各自宽度为W1和W2，脉冲间隔为W0。异频双脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环行器，然后被注入传感光纤中，异频双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φ1(t)、光频率为f0+f1的光信号和用于解调相位信息φ2(t)、光频率为f0+f2的光信号，一同经过环行器返回后到达光混合器，与本地参考光混合干涉。一同返回的两种频率的光信号，在光混合器中分别与本地参考光在光混合器中混合干涉后，光混合器输出的信号分别为I信号I＝A1(t)cos(2πf1t+φ1(t))+A2(t)cos(2πf2t+φ2(t))和Q信号Q＝A1(t)sin(2πf1t+φ1(t))+A2(t)sin(2πf2t+φ2(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。按图3所示解调算法框图处理信号，I、Q信号分别经过数字滤波，得到信号I1＝A1(t)cos(2πf1t+φ1(t))、I2＝A2(t)cos(2πf2t+φ2(t))、Q1＝A1(t)sin(2πf1t+φ1(t))和Q2＝A2(t)sin(2πf2t+φ2(t))，按计算得到中间结果M1＝sin(2π(f1-f2)t+(φ1(t)-φ2(t)))，按计算得到中间结果M2＝cos(2π(f1-f2)t+(φ1(t)-φ2(t)))，再按照(M1′·M2-M1·M2′)-2π(f1-f2)计算得到两脉冲相位差的微分(φ1(t)-φ2(t))′，最后经过积分得到传感光纤各处的两脉冲相位差φ1(t)-φ2(t)，从而得到传感光纤各处受到振动情况。
其中，调制产生的异频双脉冲的移频量f1、f2采用10MHz～1GHz，f1和f2的差值采用10MHz～500MHz；脉冲宽度W1采用5ns～500ns，脉冲宽度W2采用5ns～500ns，脉冲之间间隔W0采用5ns～500ns，对应的空间分辨率为为1.5米～150米，其中n为光纤有效折射率、c为真空中光速。

Claims (2)

1.一种异频双脉冲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)、移频脉冲调制器(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)包括两路输出：一路连接至所述移频脉冲调制器(4)的输入端；所述移频脉冲调制器(4)的输出端连接至掺铒光纤放大器(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)的该路输出端连接至所述第二光电探测器(10)的输入端；再经所述第二光电探测器(10)的该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)的一路输出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)；
所述调制信号产生装置(3)与所述移频脉冲调制器(4)连接；
所述光纤环行器(6)的另一路输出端与传感光纤(7)连接；
其中：
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，一路经过移频脉冲调制器产生信号光，一路作为本地参考光；
所述调制信号产生装置(3)，产生异频双脉冲调制信号；
所述移频脉冲调制器(4)，用于调制产生异频双脉冲光信号；
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；
所述传感光纤(7)，用于感受声波振动信号和传输光信号；
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，输出相应数字电压信号；
信号采集和解调装置(11)，用于采集光电探测器输出数字电压信号，并处理数据。
2.一种异频双脉冲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；信号光经过由调制信号产生装置控制的移频脉冲调制器，被调制成光频率分别为f0+f1和f0+f2、宽度分别为W1和W2、脉冲间隔为W0的异频双脉冲，其中f1、f2分别为两个脉冲的移频频率；
步骤二、异频双脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和光环行器，然后被注入传感光纤中，在经过的传感光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿传感光纤返回含有用于解调相位信息φ1(t)、光频率为f0+f1的光信号和用于解调相位信息φ2(t)、光频率为f0+f2的光信号，一同经过光环行器返回，之后，到达光混合器，与本地参考光混合干涉；
步骤三、一同返回的两种频率的光信号，在光混合器中分别与本地参考光发生混合干涉，由光混合器输出I信号和Q信号，分别为：
I信号：
I＝A1(t)cos(2πf1t+φ1(t))+A2(t)cos(2πf2t+φ2(t))
Q信号：
Q＝A1(t)sin(2πf1t+φ1(t))+A2(t)sin(2πf2t+φ2(t))
其中，A1(t)、A2(t)分别为两个脉冲后向瑞利散射光与参考光的拍频信号强度，φ1(t),φ2(t)分别为两个脉冲的相位信息，A1(t)，A2(t)，φ1(t)，φ2(t)均为随时间t变化的函数；
步骤四、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进行解调处理，该解调处理包括：I、Q信号分别经过数字滤波，得到信号I1＝A1(t)cos(2πf1t+φ1(t))、I2＝A2(t)cos(2πf2t+φ2(t))、Q1＝A1(t)sin(2πf1t+φ2(t))和Q2＝A2(t)sin(2πf2t+φ2(t))，
按计算得到中间结果M1＝sin(2π(f1-f2)t+(φ1(t)-φ2(t)))，按计算得到中间结果M2＝cos(2π(f1-f2)t+(φ1(t)-φ2(t)))，再按照(M1′·M2-M1·M2′)-2π(f1-f2)计算得到两脉冲相位差的微分(φ1(t)-φ2(t))′，最后经过积分得到传感光纤各处的两脉冲相位差φ1(t)-φ2(t)，从而得到传感光纤各处受到振动情况。
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