CN111238550B - 一种数字调制式扫频的光频域反射计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统，包括数字式扫频光源模块、传感光路模块和光电信号处理系统，所述数字式扫频光源模块产生频率线性变化的光信号，所述光信号输入至所述传感光路模块传输后，后向散射光信号与本地光相干涉后进入所述光电信号处理系统进行数据分析，得出传感检测结果。该分布式光频域反射计系统有效克服调谐激光器工作时可能产生的非线性扫频问题，避免信号采集时的非等间隔采样，增强扫频范围调节的灵活性，具有结构简单，调频方便的特点。

Description

一种数字调制式扫频的光频域反射计系统
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统。
背景技术
分布式光纤传感技术因其具有分布式测量的能力，拥有很高的军事和民用价值，在安防系统、油气管道监测、高层建筑监测等领域有广泛的应用。其中的光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometer)因为具有高分辨率和高精度的检测能力越来越受到人们的关注。光频域反射计系统采用波长可快速调谐的激光器作为光源，使得光频率产生线性调谐，并输入传感光纤，利用光纤的背向散射原理，测量光纤的传播特性。
光频域反射计系统的关键在于需要扫频范围较大的可调谐激光器，并且在光源的扫频过程中保持光频率高速线性的变化。光频域反射计的空间分辨率由其所使用的可调谐激光器的波长调谐范围决定，激光器的波长调谐范围越大，系统的空间分辨率越好，但通常扫频范围大的调谐激光器的线宽很宽，导致激光器的相干长度较小，极大的限制了系统的传感距离。除了使用可调谐激光器，还可用窄带激光源结合线性扫频的微波源得到线性扫频光源。文献Wang B,Fan X Y,Wang S A,et al.Millimeter-resolution long-rangeOFDR using ultra-linearly 100GHz-swept optical source realized by injection-locking technique and cascaded FWM process[J].Optics express,2017,25(4):3514-3524)中，通过扫频RF信号对激光器进行边带调制得到线性扫频信号，系统的空间分辨率达到了毫米级，但复杂的调制过程限制了系统的性能。
此外，波长可调谐激光器在调谐过程中，其光源频率扫频时一般存在一定的非线性变化干扰，在采集处理信号时，会带来非等间隔采样的问题，这就会造成光频域反射计的分辨率的严重恶化，影响系统性能。已有的文献研究中，通过在系统中增加附加干涉仪，与主干涉仪同步采集信号，来解决激光器的非线性效应问题，采用这种方法时，附加干涉仪为主干涉仪提供采样时钟脉冲，从而实现等频率间隔采样，抑制光源频率非线性扫频对分辨率的影响。但难以消除非线性扫频的影响，而且根据奈奎斯特采样定理，系统的最大传感距离被附加干涉仪限制，如文献Feng B W,Liu K,Liu T G,et al.Improving OFDR spatialresolution by reducing external clock sampling error[J].Opticscommunications,365(15):74-79.记载的技术方案。
基于以上现有光频域反射计系统的缺点，寻找高线性度扫频光源技术来实现高分辨率的光频域反射计十分有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统，有效克服波长调谐激光器工作时可能产生的非线性扫频问题，避免信号采集处理时的非等间隔采样，增强扫频范围调节的灵活性，具有结构简单，调频方便的特点。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为：
一种数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统，包括传感光路模块和光电信号处理系统，其特征在于，还包括数字式扫频光源模块，所述数字式扫频光源模块产生频率线性变化的光信号，所述光信号输入至所述传感光路模块后，后向散射光信号与本地光相干涉后输入所述光电信号处理系统进行数据分析，得出传感检测结果。
所述数字式扫频光源模块包括激光器、电光调制器、数字微波扫频源以及至少一个第一滤波器；其中，所述激光器输出原始光信号；所述数字微波扫频源输出频率线性变化的射频信号来驱动所述电光调制器；所述电光调制器对输入的原始光信号进行电光调制；调制后的光信号经所述第一滤波器滤波后输入传感光路模块。
其中，所述激光器为窄线宽激光器，输出原始光信号。
其中，所述数字微波扫频源输出同步时钟信号至光电信号处理系统以为光电信号处理系统进行数据采集提供同步时钟。
其中，所述数字微波扫频源输出能够数字式调节频率、脉宽、扫频范围的射频信号。
其中，所述第一滤波器滤除所述电光调制器输出的光信号中的多余边带频率。
数字微波扫频源输出的射频信号脉宽和扫频宽度直接决定了电光调制器输出的光信号的脉宽和扫频宽度，通过控制射频信号脉宽和扫频宽度即可以控制数字式扫频光源模块输出的光信号的脉宽和扫频宽度。
所述传感光路模块包括第一耦合器、光环形器、传感光纤、第二耦合器；其中，所述数字式扫频光源模块输出的光信号经第一耦合器分束形成第一束光信号和第二束光信号，所述第一束光信号作为探测光通过所述光环形器进入所述传感光纤，在所述传感光纤中产生的后向散射光经所述环形器输入所述第二耦合器，所述后向散射光与作为本地光的第二束光信号在所述第二耦合器中进行干涉后输出光信号。
所述光电信号处理系统的功能包括光电检测、信号放大以及数据采集，对输入的光信号进行光电转换，放大后进行数据采集，采集到的信号输入至计算机中进行分析处理，得到检测结果。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1、采用的数字微波扫频源产生的射频信号具有很高的线性度，保证了对电光调制器的线性调制，而且射频信号的脉宽和扫频宽度可以数字式调节。
2、采用的数字微波扫频源驱动电光调制器，结合滤波器，可以获得频率线性变化的调制光，克服光源频率的非线性调谐问题。
3、采用的数字微波扫频源同时给光电信号处理系统的数据采集提供同步时钟信号，克服信号的非等间隔采样问题。
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做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例提供的数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中数字调制式扫频光源输出光信号频率变化示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1是本发明实施例提供的数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统的结构示意图。参见图1，本实施例提供的数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统包括激光器1、电光调制器2、数字微波扫频源3、滤波器4构成的数字式扫频光源模块，所输出的光信号的频率变化如图2所示。其中，激光器1作为光源，发出原始光信号；电光调制器2对该原始光信号进行电光调制，经过调制后的光信号有多个频率的边带信息；数字微波扫频源3产生频率线性变化的射频信号来驱动电光调制器2，并为光电信号处理系统中的数据采集提供同步时钟信号，所述的射频信号的频率、脉宽、扫频范围可以数字式调节；滤波器4用于滤除电光调制后光信号的多余频率信息。
分布式光频域反射计系统还包括耦合器5、环形器6、传感光纤7、耦合器8组成的传感光路模块。其中，数字式扫频光源模块输出的频率线性变化的光信号由耦合器5进入传感光路，并进行分束，分成探测光和本地光，探测光经环形器6进入传感光纤7，在传感光纤7中产生的后向散射光经环形器6输入至耦合器8，与本地光在耦合器8中发生干涉，输出相干光。
耦合器8输出的光信号进入光电信号处理系统9进行光电转换、信号放大、数据采集等处理，对采集到的信号进行时域和频域分析即可得到检测结果。
对于数字调制式光频域反射系统，激光器1作为光源发出直流光，经过电光调制器2进行电光调制后，产生频率线性变化的调制边带，调制边带的光频率由数字微波扫频源3控制，在经过滤波器4进行滤波，滤除多余的频率信息，滤波后的光信号经过耦合器5后分束，一束光通过环形器6进入传感光纤7，含有传感信息的后向散射光信号与分束后的本地光在耦合器8中会发生干涉，干涉光进入光电信号处理系统9，在系统内对电信号进行光电转换、信号放大等处理后，进行数据采集，在计算机内进行相应的分析处理，得到传感检测结果。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种数字调制式扫频的分布式光频域反射计系统，包括传感光路模块和光电信号处理系统，其特征在于，还包括数字式扫频光源模块，所述数字式扫频光源模块输出频率线性变化的光信号，所述光信号输入至所述传感光路模块后，后向散射光信号与本地光相干涉后输入所述光电信号处理系统进行数据分析，得出传感检测结果；
所述数字式扫频光源模块包括激光器、电光调制器、数字微波扫频源以及至少一个第一滤波器；其中，所述激光器为窄线宽激光器，输出原始光信号；所述数字微波扫频源输出频率线性变化的射频信号来驱动所述电光调制器；所述电光调制器对输入的原始光信号进行电光调制；调制后的光信号经所述第一滤波器滤波后输入传感光路模块；
所述数字微波扫频源输出能够数字式调节频率、脉宽、扫频范围的射频信号；所述数字微波扫频源输出同步时钟信号至光电信号处理系统以为光电信号处理系统进行数据采集提供同步时钟；
所述第一滤波器滤除所述电光调制器输出的光信号中的多余边带频率；
所述传感光路模块包括第一耦合器、光环形器、传感光纤、第二耦合器；其中，所述数字式扫频光源模块输出的光信号经第一耦合器分束形成第一束光信号和第二束光信号，所述第一束光信号作为探测光通过所述光环形器进入所述传感光纤，在所述传感光纤中产生的后向散射光经所述光 环形器输入所述第二耦合器，所述后向散射光与作为本地光的第二束光信号在所述第二耦合器中进行干涉后输出光信号；
所述光电信号处理系统的功能包括光电检测、信号放大以及数据采集，对输入的光信号进行光电转换，输出的电信号经过放大后进行数据采集，采集到的信号输入至计算机中进行分析处理，得到检测结果。
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