CN113566858B - 一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分布式光纤传感技术领域，公开了一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，利用波分复用技术将探测光波长为1550nm的相干探测相位敏感光时域反射系统和探测光波长为1310nm的辅助干涉结构相结合，借助辅助干涉结构对外界振动信号进行快速感知，从而利用计算机控制实现单频探测状态与多频探测状态的切换，避免外界无振动信号时的多频探测导致的计算资源的浪费。此外，多频探测状态下，利用随机数生成器产生随机信号驱动并控制相位调制器，实现多频探测激光中三个频率分量强度的随机变化，增强多频瑞利后向散射光中各频率分量间的不相关度，提升频率分集效率。因此，本发明可在实现干涉衰落抑制的同时提升系统实时性能。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体为一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统。
背景技术
近年来，光纤振动传感技术因其耐腐蚀、绝缘性好、抗电磁干扰、测量范围广等优点，吸引了众多研究者的关注。相位敏感光时域反射系统作为一种典型的光纤振动传感系统，因其响应速度快和灵敏度高等特点，在结构健康监测、周界安防以及油气管道监测等领域显示出巨大应用潜力。
相位敏感光时域反射系统通过窄线宽激光器生成探测激光，其在光纤中传播时会不断生成瑞利后向散射光。由于系统所使用的窄线宽激光器相干长度较长，使得瑞利后向散射光容易发生干涉衰落现象，导致在某些位置处的瑞利后向散射光强度接近于零，造成信号相位解调产生误差。
频率分集技术是应用较为广泛的干涉衰落抑制方法。频率分集技术利用各类激光调制器件生成包含多个频率分量的多频探测激光，使得系统从单频探测状态转化为多频探测状态，最后通过对接收到的多频瑞利后向散射光进行光电转换和信号聚合来消除干涉衰落。与单频探测状态相比，多频探测状态由于需要分别对多个频率分量的信号进行滤波、聚合、相位解调等操作，导致信号处理时间成倍增加。此外，由于振动信号并非始终存在，外界无振动信号时的多频探测会浪费大量的计算资源，严重影响系统响应的实时性。同时，传统频率分集技术中的多个频率分量强度通常固定不变，造成不同频率的瑞利后向散射光之间存在一定相关度，从而影响了频率分集效率。因此，提升实时性能并优化干涉衰落抑制效率仍是相位敏感光时域反射系统需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服传统频率分集技术中多个频率分量强度固定不变、当外界无振动信号时仍采用多频探测状态会浪费大量计算资源的弊端，公开一种可实现单频探测状态与多频探测状态高效切换，且多个频率分量强度可随机变化的双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，可在实现干涉衰落抑制的同时提升系统实时性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，包括：1550nm激光器、第一光纤耦合器、声光调制器、相位调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、第一波分复用器、第一传感光纤、压电陶瓷、第二传感光纤、第二波分复用器、第一光隔离器、法拉第旋转镜、第二光纤耦合器、平衡光电探测器、计算机、随机数生成器、1310nm激光器、第二光隔离器、第三光纤耦合器、延迟光纤、第四光纤耦合器、光电探测器和阈值比较器；
所述1550nm激光器的输出端连接第一光纤耦合器的输入端；第一光纤耦合器的第一输出端依次经声光调制器、相位调制器、掺铒光纤放大器后连接环形器的第一连接端，第一光纤耦合器的第二输出端连接第二光纤耦合器的第一输入端；环形器的第二连接端连接第一波分复用器的第二输入端；第一波分复用器的输出端经第一传感光纤、压电陶瓷和第二传感光纤连接到第二波分复用器的输入端；第二波分复用器的第一输出端连接第一光隔离器，第二波分复用器的第二输出端连接法拉第旋转镜；环形器的第三连接端连接第二光纤耦合器的第二输入端；第二光纤耦合器的第一输出端和第二输出端与平衡光电探测器连接；平衡光电探测器的信号输出端连接计算机的输入端；
所述1310nm激光器的输出端经第二光隔离器连接第三光纤耦合器的第二输入端；第三光纤耦合器的第一输出端经延迟光纤连接第四光纤耦合器的第一输入端，第三光纤耦合器的第二输出端连接第四光纤耦合器的第二输入端；第四光纤耦合器的输出端连接第一波分复用器的第一输入端；第三光纤耦合器的第一输入端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与阈值比较器的输入端连接，阈值比较器的输出端与计算机连接；
计算机的输出端与随机数生成器的控制端连接，计算机用于根据阈值比较器的输出，控制随机数生成器产生随机数，随机数生成器的信号输出端与相位调制器的控制驱动端连接。
所述的一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，还包括带通滤波器、第一数据采集卡和第二数据采集卡；
所述平衡光电探测器的输出信号经带通滤波器进行带通滤波后，经第一数据采集卡采集数据并输出到计算机；
光电探测器的输出信号经第二数据采集卡采集数据后输出到阈值比较器。
所述第一光纤耦合器为分光比为探测光：本地光=99:1的1×2光纤耦合器；所述第二光纤耦合器和第三光纤耦合器为2×2光纤耦合器；第四光纤耦合器为分光比为50:50的1×2光纤耦合器。
所述的一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，还包括：信号发生器、数模转换器和信号功率放大器，所述随机数生成器的信号输出端依次经数模转换器将数字信号转换为电压信号，再经信号功率放大器进行电压放大后输出到相位调制器的控制驱动端；
信号发生器连接声光调制器的控制驱动端，用于驱动声光调制器将连续光调制为脉冲光。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明提供了一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，利用双波长波分复用技术，构建对瑞利后向散射光干涉衰落不敏感的辅助干涉结构，借助辅助干涉结构对外界振动信号进行快速感知，并根据阈值比较器获取振动信号的持续状态，从而利用计算机控制实现单频探测状态与多频探测状态的切换，避免计算资源的浪费。
二、本发明利用声光调制器与相位调制器的级联实现频率分集，生成包含三个频率分量的多频瑞利后向散射光，并借助多频瑞利后向散射光的信号弱相关性，通过信号聚合消除干涉衰落。
三、本发明利用随机数生成器产生随机信号，并通过数模转化与功率放大产生用于驱动与控制相位调制器的随机调制电压，实现多频探测激光中三个频率分量强度的随机变化，从而增强多频瑞利后向散射光中各频率分量间的不相关度，提升频率分集效率。
附图说明
图1为本发明的一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统的结构示意图。
图中，1、1550nm激光器，2、第一光纤耦合器，3、声光调制器，4、信号发生器，5、相位调制器，6、掺铒光纤放大器，7、环形器，8、第一波分复用器，9、第一传感光纤，10、压电陶瓷，11、第二传感光纤，12、第二波分复用器，13、第一光隔离器，14、法拉第旋转镜，15、第二光纤耦合器，16、平衡光电探测器，17、带通滤波器，18、第一数据采集卡，19、计算机，20、随机数生成器，21、数模转换器，22、信号功率放大器，23、1310nm激光器，24、第二光隔离器，25、第三光纤耦合器，26、延迟光纤，27、第四光纤耦合器，28、光电探测器，29、第二数据采集卡，30、阈值比较器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，包括1550nm激光器1、第一光纤耦合器2、声光调制器3、信号发生器4、相位调制器5、掺铒光纤放大器6、环形器7、第一波分复用器8、第一传感光纤9、压电陶瓷10、第二传感光纤11、第二波分复用器12、第一光隔离器13、法拉第旋转镜14、第二光纤耦合器15、平衡光电探测器16、带通滤波器17、第一数据采集卡18、计算机19、随机数生成器20、数模转换器21、信号功率放大器22、1310nm激光器23、第二光隔离器24、第三光纤耦合器25、延迟光纤26、第四光纤耦合器27、光电探测器28、第二数据采集卡29和阈值比较器30。
其中，所述1550nm激光器1的输出端连接第一光纤耦合器2的a输入端；第一光纤耦合器2的b输出端连接声光调制器3的输入端，第一光纤耦合器2的c输出端连接第二光纤耦合器15的a输入端；信号发生器4连接声光调制器3的控制驱动端c；声光调制器3的输出端连接相位调制器5的输入端；相位调制器5的输出端经掺铒光纤放大器6连接环形器7的第一连接端a；环形器7的第二连接端b连接第一波分复用器8的b输入端；第一波分复用器8的c输出端经第一传感光纤9、压电陶瓷10和第二传感光纤11连接到第二波分复用器12的a输入端；第二波分复用器12的b输出端连接第一光隔离器13，第二波分复用器12的c输出端连接法拉第旋转镜14；环形器7的第三连接端c连接第二光纤耦合器15的b输入端；第二光纤耦合器15的c输出端和d输出端分别连接平衡光电探测器16的两个输入端；平衡光电探测器16的输出端经带通滤波器17连接到第一数据采集卡18的输入端；第一数据采集卡18的输出端连接计算机19的a输入端；计算机19的c输出端经随机数生成器20、数模转换器21和信号功率放大器22连接到相位调制器5的c输入端。
所述1310nm激光器23的输出端经第二光隔离器24连接第三光纤耦合器25的b输入端；第三光纤耦合器25的c输出端经延迟光纤26连接第四光纤耦合器27的a输入端，第三光纤耦合器25的d输出端连接第四光纤耦合器27的b输入端；第四光纤耦合器27的c输出端连接第一波分复用器8的a输入端；光电探测器28的输入端连接第三光纤耦合器25的a输入端，光电探测器28的输出端经第二数据采集卡29、阈值比较器30连接到计算机19的b输入端。
具体地，本实施例中，所述第一光纤耦合器2为分光比为探测光：本地光=99:1的1×2光纤耦合器；所述第二光纤耦合器15和第三光纤耦合器25为2×2光纤耦合器；第四光纤耦合器27为50:50的1×2光纤耦合器。
具体地，本发明实施例中，定义的各个光纤耦合器的输入端和输出端仅仅是为了说明光纤耦合器的端口设置情况，并不等于限制了光纤耦合器中光的传播方向是从输入端向输出端传播。也就是说，同一个光纤耦合器，其各个输入端设置在一侧，各个输出端设置在另一侧，本领域技术人员公知，光纤耦合器为双向结构，当光从输入端输入时，将从输出端输出，当光从输出端输入时，将从输入端输出。
具体地，本实施例中，1550nm激光器1发出中心波长为1550nm的连续窄线宽激光输入到第一光纤耦合器2，第一光纤耦合器2将连续激光分为99%和1%两部分，99%的激光作为探测光从第一光纤耦合器2的b端口输出，1%的激光作为本地光从第一光纤耦合器2的c端口输出；从第一光纤耦合器2的b输出端输出的探测光输入到声光调制器3，信号发生器4连接声光调制器3的控制端并为其提供驱动脉冲信号，声光调制器3在信号发生器4的驱动下将连续探测光调制成脉冲光，并产生200MHz的频移；调制后的探测脉冲光从声光调制器3输出到相位调制器5；从相位调制器5输出后，再经掺铒光纤放大器6进行功率放大后进入环形器7的第一连接端a；探测脉冲光经环形器7的第二连接端b进入第一波分复用器8的b端口，然后从第一波分复用器8的c端口输出，经第一传感光纤9、压电陶瓷10、第二传感光纤11传输到第二波分复用器12的a端口；其中压电陶瓷10作为模拟振动源产生振动信号；第二波分复用器12的b端口将1550nm的探测脉冲光输出到第一光隔离器13后被隔离以避免菲涅尔反射；1550nm探测脉冲光产生的瑞利后向散射光经环形器7的第三连接端c输出到第二光纤耦合器15的b输入端； 从第一光纤耦合器2的c端口输出的1%的本地光进入第二光纤耦合器15的a输入端并与进入第二光纤耦合器15的b输入端的瑞利后向散射光进行拍频产生拍频信号光；拍频信号光从第二光纤耦合器15的c输出端和d输出端分别输出到平衡光电探测器16的a输入端和b输入端；平衡光电探测器16把光信号转化为电信号并从其c端口输出到带通滤波器17，带通滤波器17将滤除噪声后的拍频信号送入第一数据采集卡18的输入端；第一数据采集卡18将连续信号转换为数字信号并送入计算机19的a输入端；计算机19对第一数据采集卡18采集的信号进行滤波、幅值解调与相位解调等信号处理，并将解调得到的外界振动信号进行显示，包括振动位置、振动波形以及频率信息。
所述1310nm激光器23产生中心波长为1310nm的连续激光经过第二光隔离器24进入第三光纤耦合器25的b输入端，第三光纤耦合器25将连续激光分成功率比为50:50的两路激光并分别从c输出端和d输出端输出；从第三光纤耦合器25的c输出端输出的1310nm连续激光经延迟光纤26进入第四光纤耦合器27的a输入端，从第三光纤耦合器25的d输出端输出的1310nm连续激光直接进入第四光纤耦合器27的b输入端，第四光纤耦合器27的c输出端将两路1310nm连续激光输出到第一波分复用器8的a输入端；1310nm连续激光从第一波分复用器8的c输出端输出进入第一传感光纤9并经过压电陶瓷10和第二传感光纤11传输到第二波分复用器12的a输入端；第二波分复用器12的c输出端将1310nm连续激光输出进入法拉第旋转镜14；1310nm连续激光通过法拉第旋转镜14进行反射并返回；根据光的干涉条件，同一光源发出的光，只有相位差恒定的光才能发生干涉，因此满足以下路径的两束光会发生干涉，分别为：
(1) 23→24→25→26→27→8→9→10→11→12→14→12→11→10→9→8→27→25；
(2) 23→24→25→27→8→9→10→11→12→14→12→11→10→9→8→27→26→25；
也就是说，去程经过延时光纤26回程不经过延时光纤26的一束光和去程不经过延时光纤26回程经过延时光纤26的一束光在第三光纤耦合器25中发生干涉，并通过第三光纤耦合器25的a输入端输出，进入光电探测器28；光电探测器28将光信号转化为电信号并通过第二数据采集卡29将数字信号输入阈值比较器30。本实施例中，1310nm激光器23的信号经传感光纤和压电陶瓷后返回信号并被光电探测器探测，形成了辅助干涉结构。阈值比较器30根据辅助干涉结构对振动信号的感知，并将其与阈值信号进行比较后输出一个开关量传输到计算机19，计算机19根据该开关量控制随机数生成器20是否生成随机数。具体方法为：当辅助干涉结构检测到振动信号时，阈值比较器30输出逻辑量1传输到计算机19，计算机19输出信号控制随机数生成器20产生随机数，随机数生成器20输出的随机数经数模转换器21将数字信号转换为电压信号，再经信号功率放大器22放大后输入到相位调制器5的控制驱动端c，相位调制器5在随机电压调制信号驱动下，将输入的探测脉冲光调制成包含三个频率分量且光强随机的多频探测脉冲光，控制相位敏感光时域反射系统工作在多频探测状态。当辅助干涉结构没有检测到振动信号时，阈值比较器30输出逻辑量0传输到计算机19，计算机19不会向随机数生成器20输出控制信号，随机数生成器20也不会通过数模转换器21与信号功率放大器22产生用于驱动与控制相位调制器5的随机电压调制驱动信号，则通过相位调制器5后的光束为单频脉冲光，进而控制相位敏感光时域反射系统工作在单频探测状态。也就是说，当没有检测到振动信号时相位调制器5会产生单频脉冲光，当检测到振动信号时相位调制器5经随机电压调制信号驱动会产生包含三个频率分量且光强随机的多频探测脉冲光。
本实施例中，通过第一波分复用器8与第二波分复用器12实现探测光波长为1550nm的相干探测相位敏感光时域反射系统与探测光波长为1330nm的辅助干涉结构的波分复用。具体地，第一波分复用器8的a输入端和b输入端的波长分别为1310nm和1550nm，第二波分复用器12的b输出端和c输出端对应的波长分别为1550nm和1310nm。1310nm探测光经过的第一波分复用器8的a输入端和c输出端、第一传感光纤9、压电陶瓷10、第二传感光纤11、第二波分复用器12的a输入端和c输出端以及法拉第旋转镜14作为1310nm波长的辅助干涉结构的传感单元；1550nm探测光经过的第一波分复用器8的b输入端和c输出端、第一传感光纤9、压电陶瓷10、第二传感光纤11、第二波分复用器12的a输入端和b输出端以及第一光隔离器13作为1550nm波长的相干探测相位敏感光时域反射系统的传感单元。
具体地，本实施例中，定义的各个波分复用器的输入端和输出端也仅仅是为了说明波分复用器的端口设置情况，并不等于限制了波分复用器中光的传播方向是从输入端向输出端传播。也就是说，同一个波分复用器中，其输入端设置在一侧，输出端设置在另一侧，本领域技术人员公知，波分复用器为双向结构，当光从输入端输入时，将从输出端输出，当光从输出端输入时，将从输入端输出。
本实施例中，辅助干涉结构采用对瑞利后向散射光干涉衰落不敏感的非平衡马赫泽德-萨格奈克干涉结构，辅助干涉结构基于激光强度检测原理，不需相位解调便可实现振动信号的快速检测，能对外界振动信号进行快速感知，并通过阈值比较器30向计算机提供振动信号的持续状态，实现单频探测状态与多频探测状态的高效切换；当辅助干涉结构没有检测到振动信号时，阈值比较器30输出逻辑量0并传输给计算机19控制相干探测相位敏感光时域反射系统工作在单频探测状态；当辅助干涉结构检测到振动信号时，阈值比较器30输出逻辑量1并传输给计算机19控制相干探测相位敏感光时域反射系统工作在多频探测状态；在计算机19启动多频探测过程中，同时利用随机数生成器20产生随机信号，并通过数模转换器21与信号功率放大器22产生用于驱动与控制相位调制器5的随机调制电压，实现多频探测光中三个频率分量强度的随机变化，从而增强多频瑞利后向散射光中各频率分量间的不相关度，提升频率分集效率。
因此，本发明提供了一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，其优点与有益效果如下：
一、本发明利用双波长波分复用技术，构建对瑞利后向散射光干涉衰落不敏感的辅助干涉结构，借助辅助干涉结构对外界振动信号进行快速感知，并根据阈值比较器获取振动信号的持续状态，从而利用计算机控制实现单频探测状态与多频探测状态的切换，避免计算资源的浪费。
二、本发明利用声光调制器与相位调制器的级联实现频率分集，生成包含三个频率分量的多频瑞利后向散射光，并借助多频瑞利后向散射光的信号弱相关性，通过信号聚合消除干涉衰落。
三、本发明利用随机数生成器产生随机信号，并通过数模转化与功率放大产生用于驱动与控制相位调制器的随机调制电压，实现多频探测激光中三个频率分量强度的随机变化，从而增强多频瑞利后向散射光中各频率分量间的不相关度，提升频率分集效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，包括：1550nm激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、声光调制器（3）、相位调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、光环形器（7）、第一波分复用器（8）、第一传感光纤（9）、压电陶瓷（10）、第二传感光纤（11）、第二波分复用器（12）、第一光隔离器（13）、法拉第旋转镜（14）、第二光纤耦合器（15）、平衡光电探测器（16）、计算机（19）、随机数生成器（20）、1310nm激光器（23）、第二光隔离器（24）、第三光纤耦合器（25）、延迟光纤（26）、第四光纤耦合器（27）、光电探测器（28）和阈值比较器（30）；
所述1550nm激光器（1）的输出端连接第一光纤耦合器（2）的输入端；第一光纤耦合器（2）的第一输出端依次经声光调制器（3）、相位调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）后连接环形器（7）的第一连接端，第一光纤耦合器（2）的第二输出端连接第二光纤耦合器（15）的第一输入端；环形器（7）的第二连接端连接第一波分复用器（8）的第二输入端；第一波分复用器（8）的输出端经第一传感光纤（9）、压电陶瓷（10）和第二传感光纤（11）连接到第二波分复用器（12）的输入端；第二波分复用器（12）的第一输出端连接第一光隔离器（13），第二波分复用器（12）的第二输出端连接法拉第旋转镜（14）；环形器（7）的第三连接端连接第二光纤耦合器（15）的第二输入端；第二光纤耦合器（15）的第一输出端和第二输出端与平衡光电探测器（16）连接；平衡光电探测器（16）的信号输出端连接计算机（19）的输入端；
所述1310nm激光器（23）的输出端经第二光隔离器（24）连接第三光纤耦合器（25）的第二输入端；第三光纤耦合器（25）的第一输出端经延迟光纤（26）连接第四光纤耦合器（27）的第一输入端，第三光纤耦合器（25）的第二输出端连接第四光纤耦合器（27）的第二输入端；第四光纤耦合器（27）的输出端连接第一波分复用器（8）的第一输入端；第三光纤耦合器（25）的第一输入端与光电探测器（28）的输入端连接，光电探测器（28）的输出端与阈值比较器（30）的输入端连接，阈值比较器（30）的输出端与计算机（19）连接；
计算机（19）的输出端与随机数生成器（20）的控制端连接，计算机（19）用于根据阈值比较器（30）的输出，控制随机数生成器（20）产生随机数，随机数生成器（20）的信号输出端与相位调制器（5）的控制驱动端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，还包括带通滤波器（17）、第一数据采集卡（18）和第二数据采集卡（29）；
所述平衡光电探测器（16）的输出信号经带通滤波器（17）进行带通滤波后，经第一数据采集卡（18）采集数据并输出到计算机（19）；
光电探测器（28）的输出信号经第二数据采集卡（29）采集数据后输出到阈值比较器（30）。
3.根据权利要求1所述的一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器（2）为分光比为探测光：本地光=99:1的1×2光纤耦合器；所述第二光纤耦合器（15）和第三光纤耦合器（25）为2×2光纤耦合器；第四光纤耦合器（27）为分光比为50:50的1×2光纤耦合器。
4.根据权利要求1所述的一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，其特征在于，还包括：信号发生器（4）、数模转换器（21）和信号功率放大器（22），所述随机数生成器（20）的信号输出端依次经数模转换器（21）将数字信号转换为电压信号，再经信号功率放大器（22）进行电压放大后输出到相位调制器（5）的控制驱动端；
信号发生器（4）连接声光调制器（3）的控制驱动端，用于驱动声光调制器（3）将连续光调制为脉冲光。
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