CN110470327A - 一种光时域分析仪和分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光时域分析仪和分析方法，通过利用前向拉曼放大，同时放大前向泵浦光以及泵浦光产生的瑞利散射和自发布里渊散射，不但延伸了系统距离，大幅度提升了系统的信噪比，同时也使该系统保持了单端测量的优点；通过使用差分光电探测器进行外差检测，可以避免泵浦光产生的自发布里渊散射对系统的影响；通过设置频谱仪，可以在一个系统中得到解调后的瑞利散射和自发布里渊散射信号；并且在频谱仪中设置第一低通滤波器和第二低通滤波器，可以减小噪声对测量信号的影响，实现对测量信号的平滑处理。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种光时域分析仪和分析方法。
背景技术
光时域反射仪技术由于其分布式传感的特性，在许多传感领域有其独特的 优势，因而得到了很多关注。光时域反射仪技术(OTDR)根据其实现原理可分为 偏振光时域反射仪技术(P-OTDR)、相位敏感光时域反射仪技术(Phase sensitive optical time domainreflectometry，简称为PS-OTDR)等。其中，偏振光时域反射 仪技术中激光器出射的激光被调制成占空比很小的光脉冲，这些光脉冲的偏振 态由一个偏振装置所控制，当光脉冲在光纤中传输时，由瑞利散射或菲涅尔反 射产生的背向传输信号携带着光纤不同部分偏振效应的信息，通过测量背向传 输光的偏振态，可以得到偏振效应沿光纤分布的情况，再根据偏振效应与传感 物理量的关系，就可以得到传感物理量随光纤长度的分布。相位敏感光时域反 射仪技术将光源换成相干性非常好的光源，光时域反射仪的背向散射光之间就 会相互干涉，形成干涉条纹，而外界环境参数(温度变化、应力、振动等均具 有较高的灵敏度)的变化，尤其是外界振动，会引起光纤长度和有效折射率的 微小改变，从而改变干涉条纹的形状。
由于基于干涉效应的相位敏感光时域反射比较敏感。但是，由于干涉效应 的信号正比于相位变化的余弦函数，所以外力的作用呈周期变化，这造成相位 敏感光时域反射噪声较大、难以区分信号的强度。偏振光时域反射仪正相反， 不如相位敏感光时域反射敏感，但是信号的噪声小、线性范围较大。为了兼容 上述两种系统的优点，扬长避短，本发明提供一种光时域分析仪和分析方法， 其外力作用周期性变化，并且信号噪声小、线性范围大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种光时域分析仪和分析方法，其外力作用周期 性变化，并且信号噪声小、线性范围大。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种光时域分析仪，包括 激光器、第一耦合器、第二耦合器、声光调制器、非线性放大器、第一带通滤 波器滤波、环形器、波分复用器、拉曼光纤激光器、第二带通滤波器、差分光 电探测器、频谱仪、A/D转换器、处理器和传感光纤；
激光器产生的光信号被50：50的第一耦合器分成两路，下面一路作为外差 检测的本振光，进入50：50的第二耦合器。上面一路进入声光调制器进行声光 调制，调制后的光脉冲被非线性放大器放大，然后被第一带通滤波器滤波，以 去除放大器自发辐射噪声，光脉冲通过环形器的第一端口到达波分复用器，通 过波分复用器进入光纤，拉曼光纤激光器作为该系统的泵浦源，产生的泵浦光 信号通过波分复用器进入光纤前端，光脉冲在光纤中前行，并不断产生瑞利散 射光，同时光脉冲和瑞利散射光在光纤中被拉曼泵浦光分布式放大，瑞利散射 光散射回环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出，并被第二带通滤波器 滤波，随后通过第二耦合器与本振光拍频，第二耦合器的输出端信号被差分光 电探测器探测，差分后的电信号通过频谱仪进行外差检测，得到瑞利散射信号 以及布里渊散射信号，随后通过A/D转换器进行采集，并在处理器进行实时的 信号处理。
在以上技术方案的基础上，优选的，频谱仪包括第三带通滤波器、可调谐 带通滤波器、第一包络检波器、第二包络检波器、第一低通滤波器和第二低通 滤波器；
第二耦合器的输出端信号被差分光电探测器探测，从探测器输出的信号分 成两路，上路负责瑞利散射信号的解调，下路负责自发布里渊散射信号的解调， 上路的第三带通滤波器中心频率为200M，滤波后的信号通过第一包络检波器提 取包络，从而提取瑞利散射信号；下路的可调谐带通滤波器能够调整其中心频 率以对应布里渊增益谱内的各个频率的自发布里渊散射光，经过可调谐带通滤 波器通过第二包络检波器提取包络，从而得到自发布里渊散射信号，最后两路 信号通过AD转换器转换后进行后续的信号处理。
进一步优选的，还包括偏振开关、偏振控制器和任意波形发生器；
激光器产生的光信号被50：50的第一耦合器分成两路，下面一路作为外差 检测的本振光，通过顺次串联的偏振开关、偏振控制器进入50：50的第二耦合 器；
任意波形发生器产生脉冲光信号分别至A/D转换器的模拟输入端、声光调 制器的输入端和偏振开关的输入端。
在以上技术方案的基础上，优选的，激光器为最大输出功率为12dBm、线 宽为～3kHz的ULS。
进一步优选的，声光调制器调制信号为770Hz，脉冲宽度为80ns，声光的 频移为200MHz。
进一步优选的，差分光电探测器探测的带宽为11GHz。
本发明的一种光时域分析仪和分析方法相对于现有技术具有以下有益效 果：
(1)通过利用前向拉曼放大，同时放大前向泵浦光以及泵浦光产生的瑞利散 射和自发布里渊散射，不但延伸了系统距离，大幅度提升了系统的信噪比，同 时也使该系统保持了单端测量的优点；
(2)通过使用差分光电探测器进行外差检测，可以避免泵浦光产生的自发布 里渊散射对系统的影响；
(3)通过设置频谱仪，可以在一个系统中得到解调后的瑞利散射和自发布里 渊散射信号；并且在频谱仪中设置第一低通滤波器和第二低通滤波器，可以减 小噪声对测量信号的影响，实现对测量信号的平滑处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种光时域分析仪的结构图；
图2为本发明一种光时域分析仪中同步机制；
图3为本发明一种光时域分析方法的流程图；
图4为本发明一种光时域分析方法中同步解调流程图。
图中，PC-偏振控制器，PS-偏振开关，AOM-声光调制器，AWG-任意波 形发射器，EDFA-非线性放大器，BPF1-第一带通滤波器，BPF2-第二带通滤 波器，BPF3-第三带通滤波器，ESA-频谱仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是 全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出 创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一、
如图1所示，本发明的一种光时域分析仪，包括激光器、第一耦合器、第 二耦合器、声光调制器、非线性放大器、第一带通滤波器滤波、环形器、波分 复用器、拉曼光纤激光器、偏振开关、偏振控制器、任意波形发生器、第二带 通滤波器、差分光电探测器、频谱仪、A/D转换器、处理器、传感光纤；其中， 频谱仪包括第三带通滤波器、可调谐带通滤波器、第一包络检波器、第二包络 检波器、第一低通滤波器和第二低通滤波器；
本实施例中，拉曼光纤激光器的波长取1455nm，激光器为最大输出功率为 12dBm、线宽为～3kHz的ULS，声光调制器的频移为200MHz，波分复用器为定 制的1310&1455&1550nm三波长的波分复用器，第二带通滤波器滤波中心波长 为1550nm，差分光电探测器的带宽为11GHz。
其中，激光器产生的光信号被50：50的第一耦合器分成两路，下面一路作 为外差检测的本振光，通过顺次串联的偏振开关、偏振控制器进入50：50的第 二耦合器，任意波形发生器产生脉冲光信号分别至A/D转换器的模拟输入端、 声光调制器的输入端和偏振开关的输入端；上面一路进入声光调制器进行声光 调制，调制信号为770Hz，脉冲宽度为80ns，调制后的光脉冲被非线性放大器 放大，然后被第一带通滤波器滤波，以去除放大器自发辐射噪声，光脉冲通过 环形器的第一端口到达波分复用器，波分复用器的1550nm端进入光纤，1455nm 的拉曼光纤激光器作为该系统的泵浦源，产生的1455nm的泵浦光信号通过波分复用器进入光纤前端，光脉冲在光纤中前行，并不断产生瑞利散射光，同时 光脉冲和瑞利散射光在光纤中被拉曼泵浦光分布式放大，1550nm和1455nm的 瑞利散射光散射回环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出，并被中心波 长为1550nm的第二带通滤波器滤波，随后通过第二耦合器与本振光拍频，第二 耦合器的输出端信号被差分光电探测器探测，从探测器输出的信号分成两路， 上路负责瑞利散射信号的解调，下路负责自发布里渊散射信号的解调，上路的 第三带通滤波器中心频率为200M，滤波后的信号通过第一包络检波器提取包 络，从而提取瑞利散射信号；下路的可调谐带通滤波器能够调整其中心频率以对应布里渊增益谱内的各个频率的自发布里渊散射光，经过可调谐带通滤波器 通过第二包络检波器提取包络，从而得到瑞利散射信号以及布里渊散射信号， 随后通过A/D转换器进行采集，并在处理器进行实时的信号处理。
实施例二、
在实施例一的基础上，本实施例提供一种光时域分析方法，如图3所示， 包括以下步骤：
S1、将1550nm的激光器产生的光信号分成两路，其中一路作为本振光，另 一路经调制后输入传感光纤中，将1455nm的拉曼光纤激光器作为该系统的泵 浦源，产生的1455nm的泵浦光信号通过波分复用器进入光纤前端，1550nm的 光信号和1450nm的光信号在光纤传感中发生瑞利散射光和布里渊散射信号；
由于布里渊散射存在偏振相关增益，所以如果直接对自发布里渊散射进行 探测，得到的自发布里渊散射信号会有非常大的偏振噪声，本实施例克服偏振 噪声的是偏振分集的方法，就是将同一布里渊散射信号与两个正交偏振的本振 光拍频，然后叠加两个拍频的信号，从而得到偏振相关增益无关的布里渊散射 曲线。在本实施例中，布里渊散射信号和两个正交偏振的本振光分别表示为：
其中，a和b为-1到+1之间的任一值，而δ、θ、为随机的相位值，拍频 以后再叠加的信号功率η可以表示为：
因此，拍频再叠加后的各个位置的布里渊散射信号不受与本振光的偏振角 的差值的影响。
S2、将同一布里渊散射信号与两个正交偏振的本振光拍频，然后叠加两个 拍频的信号，从而得到偏振相关增益无关的布里渊散射曲线；
S3、通过差分光电探测器探测瑞利散射光和布里渊散射信号，差分后的电 信号通过频谱仪进行外差检测和解调，得到瑞利散射信号以及布里渊散射信号， 随后通过A/D转换器进行采集，并在处理器进行实时的信号处理。
其中，如图4所示，S3中还包括对瑞利散射光和布里渊散射信号的解调进 行同步，具体步骤为：
S201、设光脉冲的重复周期为T，以NT为时间单位对本振光的偏振态进 行切换，以T为单位对图2中的可调谐带通滤波器的中心频率进行调谐，以完 成对布里渊散射谱的扫频；
S202、当得到一个本振的偏振态对应的瑞利散射信号和布里渊散射信号后， 将本振光的偏振角旋转90°，重复上述的扫频以及信号采集，以偏振切换周期 为单位，对N个周期的相位进行信号处理，而对相邻的两个偏振切换周期的同 频率的布里渊散射信号进行叠加，最终在实现对瑞利散射信号和自发布里渊散 射信号的同步解调。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光时域分析仪，其特征在于：包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、声光调制器、非线性放大器、第一带通滤波器滤波、环形器、波分复用器、拉曼光纤激光器、第二带通滤波器、差分光电探测器、频谱仪、A/D转换器、处理器和传感光纤；
所述激光器产生的光信号被50：50的第一耦合器分成两路，下面一路作为外差检测的本振光，进入50：50的第二耦合器。上面一路进入声光调制器进行声光调制，调制后的光脉冲被非线性放大器放大，然后被第一带通滤波器滤波，以去除放大器自发辐射噪声，光脉冲通过环形器的第一端口到达波分复用器，通过波分复用器进入光纤，拉曼光纤激光器作为该系统的泵浦源，产生的泵浦光信号通过波分复用器进入光纤前端，光脉冲在光纤中前行，并不断产生瑞利散射光，同时光脉冲和瑞利散射光在光纤中被拉曼泵浦光分布式放大，瑞利散射光散射回环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出，并被第二带通滤波器滤波，随后通过第二耦合器与本振光拍频，第二耦合器的输出端信号被差分光电探测器探测，差分后的电信号通过频谱仪进行外差检测，得到瑞利散射信号以及布里渊散射信号，随后通过A/D转换器进行采集，并在处理器进行实时的信号处理。
2.如权利要求1所述的一种光时域分析仪，其特征在于：所述频谱仪包括第三带通滤波器、可调谐带通滤波器、第一包络检波器、第二包络检波器、第一低通滤波器和第二低通滤波器；
所述第二耦合器的输出端信号被差分光电探测器探测，从探测器输出的信号分成两路，上路负责瑞利散射信号的解调，下路负责自发布里渊散射信号的解调，上路的第三带通滤波器中心频率为200M，滤波后的信号通过第一包络检波器提取包络，从而提取瑞利散射信号；下路的可调谐带通滤波器能够调整其中心频率以对应布里渊增益谱内的各个频率的自发布里渊散射光，经过可调谐带通滤波器通过第二包络检波器提取包络，从而得到自发布里渊散射信号，最后两路信号通过AD转换器转换后进行后续的信号处理。
3.如权利要求2所述的一种光时域分析仪，其特征在于：还包括偏振开关、偏振控制器和任意波形发生器；
所述激光器产生的光信号被50：50的第一耦合器分成两路，下面一路作为外差检测的本振光，通过顺次串联的偏振开关、偏振控制器进入50：50的第二耦合器；
所述任意波形发生器产生脉冲光信号分别至A/D转换器的模拟输入端、声光调制器的输入端和偏振开关的输入端。
4.如权利要求1所述的一种光时域分析仪，其特征在于：所述激光器为最大输出功率为12dBm、线宽为～3kHz的ULS。
5.如权利要求4所述的一种光时域分析仪，其特征在于：所述声光调制器调制信号为770Hz，脉冲宽度为80ns，声光的频移为200MHz。
6.如权利要求5所述的一种光时域分析仪，其特征在于：所述差分光电探测器探测的带宽为11GHz。
7.一种光时域分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将1550nm的激光器产生的光信号分成两路，其中一路作为本振光，另一路经调制后输入传感光纤中，将1455nm的拉曼光纤激光器作为该系统的泵浦源，产生的1455nm的泵浦光信号通过波分复用器进入光纤前端，1550nm的光信号和1450nm的光信号在光纤传感中发生瑞利散射光和布里渊散射信号；
S2、将同一布里渊散射信号与两个正交偏振的本振光拍频，然后叠加两个拍频的信号，从而得到偏振相关增益无关的布里渊散射曲线；
S3、通过差分光电探测器探测瑞利散射光和布里渊散射信号，差分后的电信号通过频谱仪进行外差检测和解调，得到瑞利散射信号以及布里渊散射信号，随后通过A/D转换器进行采集，并在处理器进行实时的信号处理。
8.如权利要求7所述的一种光时域分析方法，其特征在于：所述S2中布里渊散射信号和两个正交偏振的本振光分别表示为：
其中，a和b为-1到+1之间的任一值，而δ、θ、为随机的相位值；
拍频以后再叠加的信号功率η可以表示为：
9.如权利要求7所述的一种光时域分析方法，其特征在于：所述S3中还包括对瑞利散射光和布里渊散射信号的解调进行同步，具体步骤为：
S201、设光脉冲的重复周期为T，以NT为时间单位对本振光的偏振态进行切换，以T为单位对频谱仪进行调谐，以完成对布里渊散射谱的扫频；
S202、当得到一个本振的偏振态对应的瑞利散射信号和布里渊散射信号后，将本振光的偏振角旋转90°，重复上述的扫频以及信号采集，以偏振切换周期为单位，对N个周期的相位进行信号处理，而对相邻的两个偏振切换周期的同频率的布里渊散射信号进行叠加，最终在实现对瑞利散射信号和自发布里渊散射信号的同步解调。
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