CN110617874B - 基于双脉冲移相干涉的φ-otdr系统及相位解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双脉冲移相干涉的Φ‑OTDR系统及相位解调方法，该系统包括激光光源、光开关、相位调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、信号发生器、声源振动器件、FPGA、光电探测器、瞬态光电信号处理器和计算机。方法为：首先生成两个宽度一致且具有延时的连续双脉冲，然后对连续双脉冲进行相位调制，并进行光功率放大，再由光环形器输入到传感光纤，返回的背向瑞利散射光脉冲之间发生干涉叠加；在传感光纤中加入声源振动器件，引起光纤相位变化；携带振动信号的干涉信号由光电探测器接收，对多组数据进行采集和处理，实现对外界振动信号的相位解调。本发明抗干扰能力强且减少了非线性干扰，具有结构简单、精度高的优点。

Description

基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法。

背景技术

分布式光纤声学传感器(DOFAS)已广泛应用于几种实际应用中的振动检测，如入侵检测、铁路安全监测和地震监测。因此，沿光纤同时检索多个事件的能力对于DOFAS的实际应用至关重要，完整检索声学信号的波形可用于收集关于振动事件的更多信息。基于相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)的光纤入侵传感器系统，具有分布式多点检测、灵敏度高、信噪比高、响应速度快、动态范围广、隐蔽性强、不受地形地貌影响等优势，可以实现长距离分布式检测外界扰动情况的应用，在周界安防入侵监测方面极具潜力，已成为研究的热点。

现在的传感技术主要分为基于光时域反射计和基于干涉仪结构的分布式光纤传感器。基于光时域反射计的传感技术对于不同的散射原理：拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射，提出了对应的3种分布式传感器，其中对基于瑞利散射的光时域反射计，又根据检测方法的不同分为偏振光时域反射计(POTDR)和相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)。在光纤传感技术中，信号检测方法是其核心技术之一。目前Φ-OTDR相位解调方案主要有相位生成载波法(零差法)、外差法和3×3迈克尔逊干涉仪法等。相位生成载波法一般用于消除随机相位漂移、相位衰落等影响的干涉型光纤传感器中，但易受到频率和传感距离的限制，使得系统的检测频率范围降低；3×3迈克尔逊干涉仪法可以检测更高的目标频率，没有调制深度的限制，但系统结构较复杂；外差法结构简单，但器件成本高，光源相干性高，要求频率偏移小，探测器带宽高，易受到距离的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、精度高、抗干扰能力强的基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统，包括开激光光源、光开关、相位调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、信号发生器、声源振动器件、FPGA、光电探测器、瞬态光电信号处理器和计算机；

所述激光光源发出的激光，顺次发送至光开关和相位调制器；所述FPGA给予光开关一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号；相位调制器的出射光输入掺铒光纤放大器进行信号放大，放大后的光信号从光环形器的1号口进入到2号口，并从2号口输出到传感光纤，在传感光纤内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号；将传感光纤盘绕一段固定放置于声源振动器件上，信号发生器发送给声源振动器件一个正弦调制信号，使得声源振动器件产生特定频率和幅度的振动，声源振动器件产生的振动引起传感光纤内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器的2号口，并由3号口输出到光电探测器，然后进入瞬态光电信号处理器进行数据采集，所采集的数据传送至计算机进行计算，解调出声源振动器件的正弦振动相位信号。

一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统的相位解调方法，包括以下步骤：

步骤1、激光光源发出的激光，顺次发送至光开关和相位调制器；FPGA给予光开关一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，形成经相位调制的激光脉冲；

步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入掺铒光纤放大器进行信号放大，再通过光环形器进入传感光纤，在传感光线内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号；将传感光纤盘绕一段固定放置于声源振动器件上，信号发生器发送给声源振动器件一个正弦调制信号，使得声源振动器件产生特定频率和幅度的振动，声源振动器件产生的振动引起传感光纤内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器的2号口，并由3号口输出到光电探测器；

步骤3、光电探测器将携带有振动信号的干涉光信号转换为电信号，瞬态光电信号处理器对该电信号进行数据采集，并将所采集的数据发送至计算机，解调得到合相位θ，再通过三步移相算法去除θ的初始直流相和环境漂移相，解调出传感光纤振动位置由声源振动器件产生的正弦振动相位信号Φ(t)。

进一步地，步骤1中所述的FPGA给予光开关一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，具体如下：

由FPGA产生脉冲信号作用于光开关产生光脉冲，一个周期内双脉冲宽度均为τ₁，双脉冲的周期为T₁；由FPGA产生脉冲信号作用于相位调制器产生相位脉冲调制，一个周期内相位调制脉冲宽度为τ₂，周期为T₂，相位为π/2；为了让连续双脉冲内加上相应的相位调制，需满足T₁＝T₂，且τ₁＜τ₂。

进一步地，步骤2中所述的在传感光线内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号，具体如下：

激光脉冲在传感光纤中发生背向瑞利散射光脉冲相干涉，双脉冲间的延时为τ，且满足

其中n为光纤介质折射率，L为双脉冲之间的间隔，c为光在真空中传播速度。

进一步地，步骤2中声源振动器件所产生振动信号的振动周期远大于FPGA给予相位调制器的调制周期T，即时间t在一个调制周期T内，振动信号在时域内保持恒定，才能够根据时间的不同来标定位置，从而在光电探测器端口获取三路光信号。

进一步地，步骤1中所述激光光源发出的激光，顺次发送至光开关和相位调制器；FPGA给予光开关一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，形成经相位调制的激光脉冲，具体如下：

由光开关输出的连续双脉冲信号如下：

式中：C为常数，k为整数，T是单个双脉冲的周期，t为时间，τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲间的间隔宽度，Φ为各种相位调制的集合；

由于相位调制器依次对双脉冲调制，第一个双脉冲不加调制，第二个双脉冲给第二个脉冲进行π/2调制，第三个双脉冲给第一个脉冲进行π/2调制，故一个完整的相位调制周期对应于三对连续的双光脉冲，相位调制信号位置如下：

式中：τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲间的间隔宽度，τ₂为相位调制脉冲宽度，

表示z_m处脉冲的相位调制，t为时间，π/2是相位调制深度；根据式

得到最终对应的连续三个周期的干涉光强相位调制量分别为0、

进一步地，步骤2中声源振动器件产生的振动引起传感光纤内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器的2号口，并由3号口输出到光电探测器，具体如下：

携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器的2号口，并由3号口输出到光电探测器，光电探测器探测到的干涉光强信号I(t)表示为：

式中：A、B均为常数，t为时间，

是光脉冲的初始相位，

分别代表双脉冲的初始相位；

是振动引起的相变，Φ_m表示由位于z_m处的脉冲作用的振动引起的总相变，

表示由位于z_m处的另一个脉冲作用的振动引起的总相变；

是双脉冲间延时形成的调制相位，

表示z_m处脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制；τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲的脉冲宽度；

令合相位

则干涉光强表达式简化为：

式中，A、B均为常数，t为时间，

是双脉冲间延时形成的调制相位，

表示z_m处脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制。

进一步地，步骤3中光电探测器将携带有振动信号的干涉光信号转换为电信号，瞬态光电信号处理器对该电信号进行数据采集，并将所采集的数据发送至计算机，解调得到合相位θ，再通过三步移相算法去除θ的初始直流相和环境漂移相，解调出传感光纤振动位置由声源振动器件产生的正弦振动相位信号Φ(t)，具体如下：

传感光纤中背向瑞利散射光间干涉叠加后，通过光电转换，连续输出对应于三个不同相位调制的光脉冲信号，经标定三组双脉冲不同位置的相位调制信号，找到振动点位置，从而获取传感光纤的三路移相信号的光强信号I₁,I₂,I₃；

根据

得到I₁,I₂,I₃,表达式为：

根据三步移相算法，解得：

式中：A、B均为常数，t为时间，τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲的脉冲宽度，π/2是相位调制深度；

表示z_m处下脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制，

是双脉冲间延时形成的调制相位，

θ为和相位，

是光脉冲的初始相位，Φ(t)是振动引起的相变。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过采用相位调制器、光环形器、传感光纤、信号发生器、声源振动器件、FPGA、光电探测器、瞬态光电信号处理器，系统结构简单、灵敏度高；(2)通过生成两个宽度一致且具有延时的连续双脉冲，然后对连续双脉冲进行相位调制，并进行光功率放大，再由光环形器输入到传感光纤，返回的背向瑞利散射光脉冲之间发生干涉叠加，脉冲调制和相位调制方法简单，参数修改方便；(3)在传感光纤中加入声源振动器件，引起光纤相位变化；携带振动信号的干涉信号由光电探测器接收，对多组数据进行采集和处理，实现对外界振动信号的相位解调，有较好的动态范围，频率稳定性好，具有信噪比高、精度高、抗干扰能力强的优点。

附图说明

图1为本发明基于双脉冲移相干涉解调的Φ-OTDR系统的结构示意图。

图2为本发明中的相位调制的光脉冲的结构示意图。

图3为本发明中的双脉冲光时域反射计的工作原理图。

图4为本发明实施例中的振动区域的三路移相的时域信号图，其中(a)为震动位置示意图，(b)是(a)的震动位置处的三路移相时域信号示意图。

图5为本发明中的振动区域解调出来的正弦信号相位图。

图6为本发明实施例中的振动区域的频域图。

图中标号：1激光光源、2光开关、3相位调制器、4掺铒光纤放大器、5光环形器、6传感光纤、7信号发生器、8声源振动器件、9 FPGA、10光电探测器、11瞬态光电信号处理器、12计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2和图3，本发明基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统，包括开激光光源1、光开关2、相位调制器3、掺铒光纤放大器4、光环形器5、传感光纤6、信号发生器7、声源振动器件8、FPGA9、光电探测器10、瞬态光电信号处理器11和计算机12；

所述激光光源1发出的激光，顺次发送至光开关2和相位调制器3；所述FPGA9给予光开关2一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器3一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号；相位调制器3的出射光输入掺铒光纤放大器4进行信号放大，放大后的光信号从光环形器5的1号口进入到2号口，并从2号口输出到传感光纤6，在传感光纤6内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号；将传感光纤6盘绕一段固定放置于声源振动器件8上，信号发生器7发送给声源振动器件8一个正弦调制信号，使得声源振动器件8产生特定频率和幅度的振动，声源振动器件8产生的振动引起传感光纤6内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器5的2号口，并由3号口输出到光电探测器10，然后进入瞬态光电信号处理器11进行数据采集，所采集的数据传送至计算机12进行计算，解调出声源振动器件8的正弦振动相位信号。

作为一种具体示例，所述激光光源1是具有高功率、强相干性、窄线宽和低频率漂移特性的激光光源。

本发明基于双脉冲移相干涉解调的Φ-OTDR相位解调方法，包括以下步骤：

步骤1、激光光源1发出的激光，顺次发送至光开关2和相位调制器3；FPGA9给予光开关2一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器3一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，形成经相位调制的激光脉冲；

步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入掺铒光纤放大器4进行信号放大，再通过光环形器5进入传感光纤6，在传感光线6内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号；将传感光纤6盘绕一段固定放置于声源振动器件8上，信号发生器7发送给声源振动器件8一个正弦调制信号，使得声源振动器件8产生特定频率和幅度的振动，声源振动器件8产生的振动引起传感光纤6内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器5的2号口，并由3号口输出到光电探测器10；

步骤3、光电探测器10将携带有振动信号的干涉光信号转换为电信号，瞬态光电信号处理器11对该电信号进行数据采集，并将所采集的数据发送至计算机12，解调得到合相位θ，再通过三步移相算法去除θ的初始直流相和环境漂移相，解调出传感光纤6振动位置由声源振动器件8产生的正弦振动相位信号Φ(t)。

进一步地，步骤1中所述的FPGA9给予光开关2一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器3一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，具体如下：

由FPGA 1产生脉冲信号作用于光开关2产生光脉冲，一个周期内双脉冲宽度均为τ₁，双脉冲的周期为T₁；由FPGA9产生脉冲信号作用于相位调制器3产生相位脉冲调制，一个周期内相位调制脉冲宽度为τ₂，周期为T₂，相位为π/2；为了让连续双脉冲内加上相应的相位调制，需满足T₁＝T₂，且τ₁＜τ₂。具体如下：

由光开关2输出的连续双脉冲信号如下：

式中：C为常数，k为整数，T是单个双脉冲的周期，t为时间，τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲间的间隔宽度，Φ为各种相位调制的集合；

由于相位调制器3依次对双脉冲调制，第一个双脉冲不加调制，第二个双脉冲给第二个脉冲进行π/2调制，第三个双脉冲给第一个脉冲进行π/2调制，故一个完整的相位调制周期对应于三对连续的双光脉冲，相位调制信号位置如下：

式中：τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲间的间隔宽度，τ₂为相位调制脉冲宽度，

表示z_m处脉冲的相位调制，t为时间，π/2是相位调制深度；根据式

得到最终对应的连续三个周期的干涉光强相位调制量分别为0、

进一步地，步骤2中所述的在传感光线6内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号，具体如下：

激光脉冲在传感光纤6中发生背向瑞利散射光脉冲相干涉，双脉冲间的延时为τ，且满足

其中n为光纤介质折射率，L为双脉冲之间的间隔，c为光在真空中传播速度。

进一步地，步骤2中声源振动器件8所产生振动信号的振动周期远大于FPGA9给予相位调制器3的调制周期T，即时间t在一个调制周期T内，振动信号在时域内保持恒定，才能够根据时间的不同来标定位置，从而在光电探测器10端口获取三路光信号。

进一步地，步骤2中声源振动器件8产生的振动引起传感光纤6内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器5的2号口，并由3号口输出到光电探测器10，具体如下：

携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器5的2号口，并由3号口输出到光电探测器10，光电探测器10探测到的干涉光强信号I(t)表示为：

式中：A、B均为常数，t为时间，

是光脉冲的初始相位，

分别代表双脉冲的初始相位；

是振动引起的相变，Φ_m表示由位于z_m处的脉冲作用的振动引起的总相变，

表示由位于z_m处的另一个脉冲作用的振动引起的总相变；

是双脉冲间延时形成的调制相位，

表示z_m处脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制；τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲的脉冲宽度；

令合相位

则干涉光强表达式简化为：

式中，A、B均为常数，t为时间，

是双脉冲间延时形成的调制相位，

表示z_m处脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制。

进一步地，步骤3中光电探测器10将携带有振动信号的干涉光信号转换为电信号，瞬态光电信号处理器11对该电信号进行数据采集，并将所采集的数据发送至计算机12，解调得到合相位θ，再通过三步移相算法去除θ的初始直流相和环境漂移相，解调出传感光纤6振动位置由声源振动器件8产生的正弦振动相位信号Φ(t)，具体如下：

传感光纤中背向瑞利散射光间干涉叠加后，通过光电转换，连续输出对应于三个不同相位调制的光脉冲信号，经标定三组双脉冲不同位置的相位调制信号，找到振动点位置，从而获取传感光纤6的三路移相信号的光强信号I₁,I₂,I₃；

根据

得到I₁,I₂,I₃,表达式为：

根据三步移相算法，解得：

式中：A、B均为常数，t为时间，τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲的脉冲宽度，π/2是相位调制深度；

表示z_m处下脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制，

是双脉冲间延时形成的调制相位，

θ为和相位，

是光脉冲的初始相位，Φ(t)是振动引起的相变。

实施例1

结合图4，本实施例采用基于双脉冲移相干涉解调的Φ-OTDR相位解调方法，先找到振动点位置如图4(a)所示，信噪比约为17db，然后画出三路时域信号如图4(b)所示，其中给传感光纤振动信号的电压为3v，频率为400hz。如图5所示，先用反正切法解得和相位，再进行相位解包得到传感光纤振动位置的相位信号Φ(t)。如图6所示，得到的振动频率为400hz，与振动信号的频率一致。

Claims (1)

1.一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统的相位解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、激光光源(1)发出的激光，顺次发送至光开关(2)和相位调制器(3)；FPGA(9)给予光开关(2)一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器(3)一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，形成经相位调制的激光脉冲，具体如下：

由FPGA(1)产生脉冲信号作用于光开关(2)产生光脉冲，一个周期内双脉冲宽度均为τ₁，双脉冲的周期为T₁；由FPGA(9)产生脉冲信号作用于相位调制器(3)产生相位脉冲调制，一个周期内相位调制脉冲宽度为τ₂，周期为T₂，相位为π/2；为了让连续双脉冲内加上相应的相位调制，需满足T₁＝T₂，且τ₁＜τ₂；

由光开关(2)输出的连续双脉冲信号如下：

式中：C为常数，k为整数，T是单个双脉冲的周期，t为时间，τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲间的间隔宽度，Φ为各种相位调制的集合；

由于相位调制器(3)依次对双脉冲调制，第一个双脉冲不加调制，第二个双脉冲给第二个脉冲进行π/2调制，第三个双脉冲给第一个脉冲进行π/2调制，故一个完整的相位调制周期对应于三对连续的双光脉冲，相位调制信号位置如下：

式中：τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲间的间隔宽度，τ₂为相位调制脉冲宽度，

表示z_m处脉冲的相位调制，t为时间，π/2是相位调制深度；根据式

得到最终对应的连续三个周期的干涉光强相位调制量分别为0、

步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入掺铒光纤放大器(4)进行信号放大，再通过光环形器(5)进入传感光纤(6)，在传感光线(6)内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号，具体如下：

激光脉冲在传感光纤(6)中发生背向瑞利散射光脉冲相干涉，双脉冲间的延时为τ，且满足

其中n为光纤介质折射率，L为双脉冲之间的间隔，c为光在真空中传播速度；

将传感光纤(6)盘绕一段固定放置于声源振动器件(8)上，信号发生器(7)发送给声源振动器件(8)一个正弦调制信号，使得声源振动器件(8)产生特定频率和幅度的振动，声源振动器件(8)所产生振动信号的振动周期远大于FPGA(9)给予相位调制器(3)的调制周期T，即时间t在一个调制周期T内，振动信号在时域内保持恒定，才能够根据时间的不同来标定位置，从而在光电探测器(10)端口获取三路光信号；

声源振动器件(8)产生的振动引起传感光纤(6)内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器(5)的2号口，并由3号口输出到光电探测器(10)，具体如下：

携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器(5)的2号口，并由3号口输出到光电探测器(10)，光电探测器(10)探测到的干涉光强信号I(t)表示为：

式中：A、B均为常数，t为时间，

是光脉冲的初始相位，

分别代表双脉冲的初始相位；

是振动引起的相变，Φ_m表示由位于z_m处的脉冲作用的振动引起的总相变，

表示由位于z_m处的另一个脉冲作用的振动引起的总相变；

是双脉冲间延时形成的调制相位，

表示z_m处脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制；τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲的脉冲宽度；

令合相位

则干涉光强表达式简化为：

式中，A、B均为常数，t为时间，

是双脉冲间延时形成的调制相位，

表示z_m处脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制；

步骤3、光电探测器(10)将携带有振动信号的干涉光信号转换为电信号，瞬态光电信号处理器(11)对该电信号进行数据采集，并将所采集的数据发送至计算机(12)，解调得到合相位θ，再通过三步移相算法去除θ的初始直流相和环境漂移相，解调出传感光纤(6)振动位置由声源振动器件(8)产生的正弦振动相位信号Φ(t)，具体如下：

传感光纤中背向瑞利散射光间干涉叠加后，通过光电转换，连续输出对应于三个不同相位调制的光脉冲信号，经标定三组双脉冲不同位置的相位调制信号，找到振动点位置，从而获取传感光纤(6)的三路移相信号的光强信号I₁,I₂,I₃；

根据

得到I₁,I₂,I₃,表达式为：

根据三步移相算法，解得：

式中：A、B均为常数，t为时间，τ是双脉冲的时间间隔，τ₁是双脉冲的脉冲宽度，π/2是相位调制深度；

表示z_m处下脉冲的相位调制，

表示z_m处另一个脉冲的相位调制，

是双脉冲间延时形成的调制相位，

θ为和相位，

是光脉冲的初始相位，Φ(t)是振动引起的相变。

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