CN109974756B - 基于差分相位脉冲发射和时域合并的φ-otdr技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ‑OTDR技术，包括窄线宽激光光源、第一光纤耦合器、相位调制器、声光调制器、光学放大器、光纤环形器、传感光纤、第二光纤耦合器、双平衡光电探测器、模数转换器以及数字信号处理器；所述窄线宽激光光源输出的连续光信号经过第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的第一输出光端口与相位调制器的光输入端口相连，所述相位调制器的光输出端口与声光调制器的光输入端口相连，所述声光调制器放入光输出端口与光学放大器的光输入端口相连，所述光学放大器的光输出端口与光纤环形器的第一光学端口相连，本发明只需要采用单脉冲，只需对后半个脉冲进行相位调制，不会导致空间分辨率降低。

Description

基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术
技术领域
本发明属于Φ-OTDR技术领域，具体涉及基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术。
背景技术
相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是一种新型的分布式光纤声音传感技术（DAS），利用光纤中的后向瑞利散射，可以实现分布式动态检测。后向瑞利散射信号的光相位和扰动强度之间是线性响应的关系，对于实现外界信号的定量化测量，提高信号测量精度和事件识别精度具有重要意义。但在基于外差相干Φ-OTDR的相位解调过程中，存在信号衰落，包括偏振衰落和相干衰落。偏振衰落来自于后向瑞利散射信号和参考光之间的偏振不匹配，可以通过偏振分集接收消除。相干衰落在于光纤沿线折射率的随机分布。
现有技术一：文献【Pan Z. Q., Liang K. Z., Zhou J., et al. Interference-fading-free phase-demodulated OTDR system [M]//Liao Y., Jin W., Sampson D.D., et al. 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Pts 1-3.Bellingham; Spie-Int Soc Optical Engineering. 2012.】中提出利用调相脉冲对，通过对其中一个脉冲进行相位调制，可以改变光纤链路的干涉衰落分布情况，通过对不同次测量结果进行筛选可以减小干涉衰落现象。但是，该技术采用双脉冲作为探测脉冲，会导致空间分辨率下降，且干涉衰落消除不够彻底。
现有技术二：文献【Xiao Wang, Bin Lu, et al. Interference-fading-freeΦ-OTDR Based on Differential Phase Shift Pulsing Technology [J]. IEEEPhotonics Technology Letters, 2019, 31(1), 1041-1135.】中提出差分相移脉冲方案，不需要采用双脉冲，只需在一个脉冲内进行0或π的相位调制，然后进行综合判决，在不牺牲空间分辨率的情况下，可使干涉衰落的概率大大降低。但是，该方案同样存在干涉衰落消除不够彻底，多次探测脉冲的能量没有综合利用的问题。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，本发明通过对探测光脉冲的后半脉冲分别进行0，π/3，2π/3和π的相位调制，四个相位序列可以获得四次不同的测量结果。然后利用时域合并技术综合利用四个相位序列；该技术方案结构相对简单，抑制相干衰落效果更加明显，综合利用了多次测量结果的信号，不会造成信号能量损失，可有效提高信噪比。
技术方案：本发明所述基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，包括窄线宽激光光源、第一光纤耦合器、相位调制器、声光调制器、光学放大器、光纤环形器、传感光纤、第二光纤耦合器、双平衡光电探测器、模数转换器以及数字信号处理器；所述窄线宽激光光源输出的连续光信号经过第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的第一输出光端口与相位调制器的光输入端口相连，所述相位调制器的光输出端口与声光调制器的光输入端口相连，所述声光调制器放入光输出端口与光学放大器的光输入端口相连，所述光学放大器的光输出端口与光纤环形器的第一光学端口相连，探测光信号通过所述光纤环形器的第二光学端口进入传感光纤，从所述传感光纤中散射回的信号通过所述光纤环形器的第二光学端口进入所述光纤环形器的第三光学端口，所述第三光学端口与所述第二光纤耦合器的第一光学输入端口相连，所述第二光纤耦合器的第二光学输入端口与所述第一光纤耦合器的第二输出光端口相连，所述第二光纤耦合器的两组光学输出端口分别与双平衡光电探测器相连，所述双平衡光电探测器的输出端口与模数转换器相连，所述模数转换器的输出端口与数字信号处理器相连，所述数字信号处理器进行数字信号处理。
优选地，还包括相位调制器驱动信号源和声光调制器驱动信号源，所述相位调制器驱动信号源控制所述相位调制器对后半个脉冲进行0，π/3，2π/3和π的相位调制，所述声光调制器驱动信号源控制所述声光调制器产生光脉冲。
优选地，所述相位调制器驱动信号源和声光调制器驱动信号源通过特定信号发生器或任意波形生成器制作。
优选地，所述窄线宽激光光源采用窄线宽激光器发出，窄线宽激光器为窄线宽光纤激光器或半导体激光器，所述窄线宽激光光源的中心波长是1550nm,线宽为2.5kHz。
优选地，所述第一光纤耦合器为保偏耦合器，包括两组输出光端口，波段为1550nm，分光比为9：1；所述第二光纤耦合器为普通单模光纤耦合器，分光比为1:1。
优选地，所述相位调制器通过模拟电压对通过的光信号进行相位调制。
优选地，所述声光调制器是使本振光与探测光产生几十MHz的频率差，并将连续光斩波产生光脉冲。
有益效果：（1）本发明相对于现有技术一，本发明采用单脉冲，只需对后半个脉冲进行相位调制，不需要采用双脉冲，不会导致空间分辨率降低，本发明的技术方案结构相对简单，通过不同探测周期内对后半个探测脉冲进行不同的相位调制，可以使得相干信号衰落大小变得可控，抑制相干衰落效果更加明显，后期数据处理压力小，探测信噪比更高；
（2）本发明相对于现有技术二，对探测光脉冲的后半脉冲分别进行0，π/3，2π/3和π的相位调制，四个相位序列可以获得四次不同的测量结果；然后数字信号处理器利用时域合并技术综合利用四个相位序列，将四次测量得到的不同位置处的矢量信号，进行相位归一化后，得到初始相位都为零，然后进行矢量叠加合成，综合利用四次测量结果，大大抑制干涉衰落问题，并提供测量的信噪比；本技术方案综合利用了多次测量结果的信号，不会造成信号能量损失，可有效提高信噪比。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为所述相位调制器和声光调制器产生的光脉冲序列关系示意图。
其中，1-窄线宽激光光源；2-第一光纤耦合器；3-相位调制器；4-声光调制器；5-光学放大器；6-光纤环形器；7-传感光纤；8-第二光纤耦合器；9-双平衡光电探测器；10-模数转换器；11-数字信号处理器；12-相位调制器驱动信号源；13-声光调制器驱动信号源。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，包括窄线宽激光光源1、第一光纤耦合器2、相位调制器3、声光调制器4、光学放大器5、光纤环形器6、传感光纤7、第二光纤耦合器8、双平衡光电探测器9、模数转换器10以及数字信号处理器11；所述窄线宽激光光源1采用窄线宽激光器发出，窄线宽激光器为窄线宽光纤激光器或半导体激光器，所述窄线宽激光光源的中心波长是1550nm,线宽为2.5kHz，所述窄线宽激光光源1输出的连续光信号经过第一光纤耦合器2，所述第一光纤耦合器2为保偏耦合器，包括两组输出光端口，波段为1550nm，分光比为9：1，所述第一光纤耦合器2的第一输出光端口与相位调制器3的光输入端口相连，所述相位调制器3的光输出端口与声光调制器4的光输入端口相连，所述声光调制器4放入光输出端口与光学放大器5的光输入端口相连，所述光学放大器5的光输出端口与光纤环形器6的第一光学端口相连，光纤环形器6是一个三端口的光纤环形器6，也可以采用接入光纤耦合器和隔离器的方法，其作用与光纤环形器6效果相同的方案；探测光信号通过所述光纤环形器6的第二光学端口进入传感光纤7，从所述传感光纤7中散射回的信号通过所述光纤环形器6的第二光学端口进入所述光纤环形器6的第三光学端口，所述第三光学端口与所述第二光纤耦合器8的第一光学输入端口相连，所述第二光纤耦合器8为普通单模光纤耦合器，分光比为1:1，所述第二光纤耦合器8的第二光学输入端口与所述第一光纤耦合器2的第二输出光端口相连，所述第二光纤耦合器8的两组光学输出端口分别与双平衡光电探测器9相连，所述双平衡光电探测器9的输出端口与模数转换器10相连，所述模数转换器10的输出端口与数字信号处理器11相连，所述数字信号处理器11进行数字信号处理，所述双平衡光电探测器9是将光信号转换为电信号的高速探测器，能够虑除直流成分，保留交流成分；所述相位调制器3通过模拟电压对通过的光信号进行相位调制；所述声光调制器4是使本振光与探测光产生几十MHz的频率差，并将连续光斩波产生光脉冲。
还包括相位调制器驱动信号源12和声光调制器驱动信号源13，所述相位调制器驱动信号源12控制所述相位调制器3对后半个脉冲进行0，π/3，2π/3和π的相位调制，所述声光调制器驱动信号源13控制所述声光调制器4产生光脉冲；所述相位调制器驱动信号源12和声光调制器驱动信号源13通过特定信号发生器或任意波形生成器来产生，分别加载在相位调制器3（EOM）和声光调制器4上的信号（AOM）及EOM输出的信号，且加载在相位调制器3和声光调制器4及最终产生的光脉冲序列满足如图2所述的关系，其中声光调制器驱动信号源用于产生光脉冲信号，且脉冲信号的周期的是Tr，脉冲持续时间为T，相位调制器3驱动信号源中利用不同的电压信号，实现对探测光脉冲的后半脉冲分别进行0，π/3，2π/3和π的相位调制。
所述数字信号处理器11中利用时域合并技术综合利用四个相位序列，将四次测量得到的不同位置处的矢量信号，进行相位归一化后，得到初始相位都为零，然后进行矢量叠加合成，综合利用四次测量结果，大大抑制干涉衰落问题，并提供测量的信噪比。
本发明基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，通过不同探测周期内对后半个探测脉冲进行不同的相位调制，可以使得相干信号衰落大小变得可控；最后利用时域合并技术综合利用四个相位序列；本技术方案结构相对简单，抑制相干衰落效果更加明显，后期数据处理压力小，探测信噪比更高。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，其特征在于：包括窄线宽激光光源、第一光纤耦合器、相位调制器、声光调制器、光学放大器、光纤环形器、传感光纤、第二光纤耦合器、双平衡光电探测器、模数转换器以及数字信号处理器；所述窄线宽激光光源输出的连续光信号经过第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的第一输出光端口与相位调制器的光输入端口相连，所述相位调制器的光输出端口与声光调制器的光输入端口相连，所述声光调制器放入光输出端口与光学放大器的光输入端口相连，所述光学放大器的光输出端口与光纤环形器的第一光学端口相连，探测光信号通过所述光纤环形器的第二光学端口进入传感光纤，从所述传感光纤中散射回的信号通过所述光纤环形器的第二光学端口进入所述光纤环形器的第三光学端口，所述第三光学端口与所述第二光纤耦合器的第一光学输入端口相连，所述第二光纤耦合器的第二光学输入端口与所述第一光纤耦合器的第二输出光端口相连，所述第二光纤耦合器的两组光学输出端口分别与双平衡光电探测器相连，所述双平衡光电探测器的输出端口与模数转换器相连，所述模数转换器的输出端口与数字信号处理器相连，所述数字信号处理器进行数字信号处理；
还包括相位调制器驱动信号源和声光调制器驱动信号源，所述相位调制器驱动信号源控制所述相位调制器对后半个脉冲进行0，π/3，2π/3和π的相位调制，所述声光调制器驱动信号源控制所述声光调制器产生光脉冲；
数字信号处理器中利用时域合并技术综合利用四个相位序列，将四次测量得到的不同位置处的矢量信号，进行相位归一化后，得到初始相位都为零，然后进行矢量叠加合成，综合利用四次测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，其特征在于：所述相位调制器驱动信号源和声光调制器驱动信号源通过特定信号发生器或任意波形生成器制作。
3.根据权利要求1所述的基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，其特征在于：所述窄线宽激光光源采用窄线宽激光器发出，窄线宽激光器为窄线宽光纤激光器或半导体激光器，所述窄线宽激光光源的中心波长是1550nm,线宽为2.5kHz。
4.根据权利要求1所述的基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，其特征在于：所述第一光纤耦合器为保偏耦合器，包括两组输出光端口，波段为1550nm，分光比为9：1；所述第二光纤耦合器为普通单模光纤耦合器，分光比为1:1。
5.根据权利要求1所述的基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，其特征在于：所述相位调制器通过模拟电压对通过的光信号进行相位调制。
6.根据权利要求1所述的基于差分相位脉冲发射和时域合并的Φ-OTDR技术，其特征在于：所述声光调制器是使本振光与探测光产生几十MHz的频率差，并将连续光斩波产生光脉冲。
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