CN109297581A - 一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于相位敏感光时域反射计(Φ‑OTDR)的二次相位差分测量方法,用于补偿Φ‑OTDR中激光器频率漂移造成的影响。其中，所述测量结构包括激光器模块、Φ‑OTDR传感模块、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传感模块包括声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤和光电探测器。所述测量方法是在传统Φ‑OTDR的基础上，通过采用二次相位差分算法，对信号中的相位信息按照一定的间距进行差分后，通过在非振动区域选取固定间距的两个点再次进行相位作差，以消除激光器频率漂移引起的相位信号漂移，降低频率漂移噪声对Φ‑OTDR传感性能的影响，提高了系统对振动事件定量测量的准确度和对低频信号的探测能力。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种用于补偿相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)中频率漂移的方法。
背景技术
Φ-OTDR(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,相位敏感光时域反射计)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，本发明旨在提供一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，通过使用二次相位差分算法对激光器频率漂移引起的相位变化进行补偿，进而消除激光器频率漂移对Φ-OTDR传感性能的影响。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，基于相位敏感光时域反射计，所述相位敏感光时域反射计包含激光器、第一耦合器、声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、第二耦合器和光电探测器；所述测量方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集卡采集来自光电探测器的Φ-OTDR信号；
步骤二、在所述传感光纤上选取间距为DAB的两点A、B，对相应位置处的Φ-OTDR信号进行相位解调，得到A、B两点处的相位信息，对两点处的相位信息做差，计算得到A、B两点的差分相位；
步骤三、再使A、B点保持间距不变，从传感光纤起始端开始沿传感光纤以采样间隔ΔL滑动，按照步骤二计算得到整根传感光纤上各位置处间距为DAB的两点之间的差分相位；
步骤四、在传感光纤上不受扰动的区域选取另外两点C、D，且使点C、点D之间的距离为DAB；对C、D两点处的相位信息做差，计算得到C、D两点的差分相位；
步骤五、对A、B两点间的差分相位与C、D两点间的差分相位作差，输出补偿频率漂移后光纤沿线散射光的相位信息。
如前所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，进一步地，步骤一所述的Φ-OTDR信号来自：
所述激光器发射光信号，经所述第一耦合器分成两路信号，功率较高的一路连续光经过所述声光调制器转换为具有特定宽度和周期的探测脉冲，再经过所述光放大器进行功率补偿后进入所述环形器的第一端口，通过所述环形器的第二端口出射进入所述传感光纤；
所述传感光纤中携带有外界扰动信息的背向瑞利散射光再次经过所述环形器的第二端口，从所述环形器的第三端口出射至所述第二耦合器，与所述第一耦合器输出的另一路光信号相干，形成所述Φ-OTDR信号。
如前所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，进一步地，
在步骤一中，数据采集卡采集的Φ-OTDR信号I(zi,t)表达式为：
其中，n是传感光纤的有效折射率；c是光在真空中的速度；f(t)为所述第一耦合器输出的另一路光信号的频率，即本地参考光的频率，表示激光器输出频率随时间的变化情况；zi是传感光纤上第i个散射点所处的位置；z0是本地参考光光路的长度；fAOM是声光调制器的频率；为外界扰动带来的相位变化信息；θR是背向瑞利散射光的初始相位；θ0为所述第一耦合器输出的另一路光信号的初始相位；
在步骤二中，点A和点B间差分相位表达式为：
其中，为由于激光器频率漂移带来的干扰相位信息；
在步骤四中，点C与点D间差分相位表达式为：
在步骤五中，所述补偿频率漂移后原始振动事件带来的相位变化表示为：
如前所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，进一步地，所述相位敏感光时域反射计的第一耦合器为90:10耦合器，第二耦合器为50:50耦合器。
如前所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，进一步地，其特征在于：所述相位敏感光时域反射计的激光器采用窄线宽激光器。
如前所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，进一步地，步骤四中所述的不受扰动的区域可以专门设置与外界隔离的光纤区域或选取明确已知不受扰动的区域。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(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)本发明不需要改变原有Φ-OTDR传感主模块的结构，没有破坏原有系统的完整性，对传感信息没有干扰，没有影响。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传感系统中，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。
附图说明
图1是Φ-OTDR传感系统示意图；
图2是实施例中Φ-OTDR传感系统中由光电探测器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是本发明中二次相位差分算法的原理示意图；
图5是实施例中由C、D两点进行相位作差监测到的激光器频率漂移引起的相位随时间变化图；
图6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
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1是本发明基于的Φ-OTDR传感系统示意图。如图1所示，本实施例中，相位敏感光时域反射计的结构包括窄线宽1550nm激光器、耦合器1、耦合器2、声光调制器(AOM)、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、光电探测器和数据采集卡。
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。第一光路传感路径如下：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2与本地参考光进行耦合，产生的相干光输入到光电探测器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。
在Φ-OTDR传感系统中，从环形器3端口出射，出射光强度如下式所示：
其中，zi是传感光纤上第i个散射点所处的位置，由于散射光在光纤中经历了一个往返传播，因此光程上具有一个二倍的关系；其中fAOM是声光调制器的频率；fpulse是经过AOM调制输出的进入传感光纤的脉冲光的频率；θR是散射光的初始相位；为外界扰动带来的相位变化信息，本实施例中，在传感光纤某一位置处通过任意函数发生器产生特定信号驱动压电陶瓷来模拟外界振动信息。
第二光路作为本地参考光，强度如下所示：
E(z0,t)∝cos[kz0-2πf(t)t+θ0] (2)
其中，f(t)为本地参考光的频率，表示激光器输出频率随时间的变化情况，z0是本地参考光光路的长度，θ0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2耦合产生相干信号，由光电探测器将光信号转换为电信号，光电探测器探测到的信号表达式如下：
由数据采集卡采得N组Φ-OTDR信号，传至处理器做信号分析。
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，由光电探测器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，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。
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A和B进行相位作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。
对于采集得到的Φ-OTDR信号，利用图4中二次相位作差原理，在非振动区域选择两个点C、D，对C、D两个点的相位信息进行差分，就可以得到一个随时间变化的信号(变化的总时间为10s)，该信号就表示激光器频率漂移在C、D两个点之间引起的相位变化情况。如图5所示，即为某一位置处激光器频率漂移引起的C、D两个点之间相位变化情况，还可以根据信号随时间变化的快慢来判断激光器频率漂移变化情况。
总相位变化表达式如下：
ΔΦAB(t)由两部分组成，即原始振动事件带来的相位变化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
C、D两个点通过相位差分得到的相位表达式如下：
由于选取的C、D两个点之间的间距与Φ-OTDR传感系统中进行相位作差的振动区域之前和振动区域之后的两个点A和B之间的间距DAB相同，因此可以通过直接作差对传感信号进行相位补偿：
因此，可以利用公式(4)-(6)获取与C、D两个点之间的间距相对应的相位变化信息，进而可以消除激光器频率漂移的影响，实现对原始振动事件带来的相位变化的准确恢复，提高传感性能。
如图6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。
此外，由于基于二次相位差分算法进行相位敏感光时域反射计频率漂移补偿的测量方法无需增加任何结构，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传感系统中，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系统传感检测的影响，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。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，其特征在于，基于相位敏感光时域反射计，所述相位敏感光时域反射计包含激光器、第一耦合器、声光调制器、脉冲信号发生器、光放大器、环形器、传感光纤、第二耦合器和光电探测器；所述测量方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集卡采集来自光电探测器的Φ-OTDR信号；
步骤二、在所述传感光纤上选取间距为DAB的两点A、B，对相应位置处的Φ-OTDR信号进行相位解调，得到A、B两点处的相位信息，对两点处的相位信息做差，计算得到A、B两点的差分相位；
步骤三、再使A、B点保持间距不变，从传感光纤起始端开始沿传感光纤以采样间隔ΔL滑动，按照步骤二计算得到整根传感光纤上各位置处间距为DAB的两点之间的差分相位；
步骤四、在传感光纤上不受扰动的区域选取另外两点C、D，且使点C、点D之间的距离为DAB；对C、D两点处的相位信息做差，计算得到C、D两点的差分相位；
步骤五、对A、B两点间的差分相位与C、D两点间的差分相位作差，输出补偿频率漂移后光纤沿线散射光的相位信息。
2.如权利要求1所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，其特征在于，步骤一所述的Φ-OTDR信号来自：
所述激光器发射光信号，经所述第一耦合器分成两路信号，功率较高的一路连续光经过所述声光调制器转换为具有特定宽度和周期的探测脉冲，再经过所述光放大器进行功率补偿后进入所述环形器的第一端口，通过所述环形器的第二端口出射进入所述传感光纤；
所述传感光纤中携带有外界扰动信息的背向瑞利散射光再次经过所述环形器的第二端口，从所述环形器的第三端口出射至所述第二耦合器，与所述第一耦合器输出的另一路光信号相干，形成所述Φ-OTDR信号。
3.如权利要求1所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，其特征在于：
在步骤一中，数据采集卡采集的Φ-OTDR信号I(zi,t)表达式为：
其中，n是传感光纤的有效折射率；c是光在真空中的速度；f(t)为所述第一耦合器输出的另一路光信号的频率，即本地参考光的频率，表示激光器输出频率随时间的变化情况；zi是传感光纤上第i个散射点所处的位置；z0是本地参考光光路的长度；fAOM是声光调制器的频率；为外界扰动带来的相位变化信息；θR是背向瑞利散射光的初始相位；θ0为所述第一耦合器输出的另一路光信号的初始相位；
在步骤二中，点A和点B间差分相位表达式为：
其中，为由于激光器频率漂移带来的干扰相位信息；
在步骤四中，点C与点D间差分相位表达式为：
在步骤五中，所述补偿频率漂移后原始振动事件带来的相位变化表示为：
4.如权利要求1所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，其特征在于：所述相位敏感光时域反射计的第一耦合器为90:10耦合器，第二耦合器为50:50耦合器。
5.如权利要求1所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，其特征在于：所述相位敏感光时域反射计的激光器采用窄线宽激光器。
6.如权利要求1所述的一种用于补偿相位敏感光时域反射计中频率漂移的二次相位差分测量方法，其特征在于：步骤四中所述的不受扰动的区域是专门设置与外界隔离的光纤区域或选取明确已知不受扰动的区域。
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