CN113804282B - 一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，将相位敏感光时域反射仪模块、DFB光纤激光器模块、稳频模块等数个模块集成，使用DFB光纤激光器产生本征光信号与参考光信号进行相干混频，产生差频信号，并通过滤波器将差频信号滤出，经过光电探测器，将含有频差信息的电信号传送给采集卡，并通过傅里叶变换获取频差信息，然后上位机程序将频差信号发送至微波信号源，并通过高频同轴电缆对单边带调制器进行调频，达到抑制频漂的目的，最终输出频率稳定的激光信号。本发明可用于稳定光纤激光器的频率，提高相位敏感光时域反射仪的传感精度，提高系统和空间分辨率，使得测量更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体为一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪。
背景技术
随着科学技术的发展，我国已进入大型基础设施的大规模建设阶段，其中主要包括地下传输系统(如给排水管道、燃气管道、煤炭传输系统)，轨道交通系统(如高铁轨道、地铁轨道、轻轨轨道)和大型土木建筑(如大型桥梁)等，实际应用中需要监测这些长距离基础设施的健康状态，并且在故障发生时能迅速识别并报警。故障发生时常伴随应变、温度和振动等多个物理量的变化，其中振动是比较重要的测试参数之一，如管道的裂缝、泄漏，土木结构中材料的断裂等都伴随振动事件的发生，这些振动事件的频率范围可高达兆赫兹数量级。分布式光纤传感能对传感光纤沿线每一个位置实现远程实时监测，并且具有抗电磁干扰，体积小和多点测量等优势。对于现有的基于瑞利散射的光纤传感系统的研究主要集中在基于外界参量引起散射光强度、偏振及相位的改变来实现传感上，最终是通过光强的变化来实现探测。
对于相位敏感光时域反射仪来说，激光器的频率漂移会降低系统的传感精度，恶化系统空间分辨率。因此，保证激光器输出频率的稳定性至关重要，一方面可以通过改进激光器材料、保持环境稳定等方法来提高频率稳定性，另一方面可以通过搭建新结构、利用数据处理方法来消除传感系统中的频率漂移。目前常用的稳频方法主要有以下几种：
1.利用原子吸收谱线稳定激光频率，由于谱线的频率有限，并不能覆盖所有的频率，因此这种方法并不能适用所有情况；
2.光学谐振腔稳频方法，这种方法因具有对波长的普适性、短期频率稳定度好等优点，成为最受青睐的主动稳频方法之一，然而，光纤激光器中最常用的稳频操作是通过PZT压电陶瓷作用在光纤激光器的整个谐振腔或者是作用于增益光纤，这两种方法前者缺乏对稳频操作的优化处理，对谐振腔整体进行操作难以说明具体对谐振腔中的哪部分起到了作用，后者的稳频精度不够理想，PZT压电陶瓷微小的步进，都会导致谐振腔长发生明显的变化，调制难度较大；
3.边带锁频技术稳频方法，为了实现整个激光器系统低噪声运转，需要消除电光相位调制器的残余边带调制，电光相位调制器入射光场偏振态必须为严格的垂直线偏振光，这种方法对装置要求苛刻，受外部影响较大。
发明内容
针对现有稳频方法存在的缺陷，本发明提出一种抑制光纤激光器频率漂移的新方案，具体为一种基于微波调制的高精度稳频相位敏感光时域反射仪，用于提高相位敏感光时域反射仪的传感精度和空间分辨率，使得测量更加准确。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，包括：可见泵浦源、波分复用器、第一相移光纤光栅、第一光隔离器、第二光隔离器、第一光纤耦合器、第二相移光纤光栅、单边带调制器、第二光纤耦合器、光混频器、布拉格光纤光栅滤波器、光电探测器、数据采集卡、上位机、微波信号源、声光调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、第三光隔离器、光电调制器和数据采集卡；其中，泵浦源的出射端通过单模光纤跳线与波分复用器的入射端a连接，波分复用器的端口b通过单模光纤跳线与第一相移光纤光栅的入射端连接，第一相移光纤光栅的输出端通过单模光纤跳线与第一光隔离器的输出端连接，波分复用器的输出端c通过单模光纤跳线与第二光隔离器的入射端连接；
第二光隔离器的输出端通过单模光纤跳线与第一光纤耦合器的入射端连接，第一光纤耦合器的第一输出端与第二相移光纤光栅的入射端连接，第二相移光纤光栅的输出端与光混频器的入射端d连接，第一光纤耦合器的第二输出端与单边带调制器的端口g连接，单边带调制器的端口h与第二光纤耦合器的入射端连接，第二光纤耦合器的第一输出端与光混频器的入射端e连接，光混频器的输出端f与布拉格光纤光栅滤波器的入射端连接，布拉格光纤光栅滤波器的输出端与光电探测器的入射端连接，光电探测器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接，数据采集卡的信号输出端与上位机连接，上位机通过USB与微波信号源连接，微波信号源的输出端与单边带调制器的端口i连接；
第二光纤耦合器的第二输出端与声光调制器的入射端连接，声光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的入射端连接，掺铒光纤放大器的输出端与光环形器的端口j连接，光环形器的端口k经传感光纤与第三光隔离器的入射端连接，光环形器的端口l与光电调制器的入射端连接，光电调制器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接。
其中，第一光纤耦合器的第一输出端与第二相移光纤光栅的入射端之间、第二相移光纤光栅的输出端与光混频器的入射端d之间、第一光纤耦合器的第二输出端与单边带调制器的端口g之间、单边带调制器的端口h与第二光纤耦合器的入射端之间、第二光纤耦合器的第一输出端与光混频器的入射端e之间、光混频器的输出端f与布拉格光纤光栅滤波器的入射端之间、布拉格光纤光栅滤波器的输出端与光电探测器的入射端之间、第二光纤耦合器的第二输出端与声光调制器的入射端之间、声光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的入射端之间、掺铒光纤放大器的输出端与光环形器的端口j之间、光环形器的端口l与光电调制器的入射端之间，均通过单模光纤跳线进行连接。
其中，微波信号源的输出端与单边带调制器的端口i之间通过高频同轴电缆连接。
其中，第一相移光纤光栅与第二相移光纤光栅放置在一个温控封装内。
与现有技术相比，本发明的优势如下：
一、本发明通过微波信号源控制单边带调制，构成负反馈调节，使得整个系统实现自动化调节，且调频响应速度完全满足频率漂移变化率的要求，频率调节更加实时精准，解决了PZT压电陶瓷微小的步进导致谐振腔长的明显变化使得频率调节不准确的问题。
二、本发明采用相移光纤光栅滤波，并且把DFB光纤激光器结构内部的相移光纤光栅与稳频元件中相移光纤光栅封装到一个温控箱内，避免了外部温度、噪声和振动对相移光纤光栅的影响，可以保证输出的参考光工作波长恒定在1550nm，测量精度更高。
三、本发明利用单边带调制器，将频差信号对原频率进行直接调节，对于光纤激光器稳频有直接有效的作用。相比于双边带调制，不需要光滤波器滤除多余边带，使用单边带调制不仅降低了装置成本，而且避免引入由于多余边带产生的噪声。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪的结构示意图。
图中，1、泵浦源；2、波分复用器；3、第一相移光纤光栅；4、第一光隔离器；5、第二光隔离器；6第一光纤耦合器；7、第二相移光纤光栅；8、单边带调制器；9、第二光纤耦合器；10、光混频器；11、布拉格光纤光栅滤波器；12、光电探测器；13、数据采集卡；14、上位机；15、微波信号源；16、声光调制器；17、掺铒光纤放大器；18、光环形器；19、传感光纤；20、第三光隔离器；21、光电调制器22、数据采集卡；23、温控封装。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都将属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明提供了一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，包括：可见泵浦源1、波分复用器2、第一相移光纤光栅3、第一光隔离器4、第二光隔离器5、第一光纤耦合器6、第二相移光纤光栅7、单边带调制器8、第二光纤耦合器9、光混频器10、布拉格光纤光栅滤波器11、光电探测器12、数据采集卡13、上位机14、微波信号源15、声光调制器16、掺铒光纤放大器17、光环形器18、传感光纤19、第三光隔离器20、光电调制器21和数据采集卡22；
其中，泵浦源1的出射端通过单模光纤跳线与波分复用器2的入射端a连接，波分复用器2的端口b通过单模光纤跳线与第一相移光纤光栅3的入射端连接，第一相移光纤光栅3的输出端通过单模光纤跳线与第一光隔离器4的输出端连接，波分复用器2的输出端c通过单模光纤跳线与第二光隔离器5的入射端连接；
第二光隔离器5的输出端通过单模光纤跳线与第一光纤耦合器6的入射端连接，第一光纤耦合器6的第一输出端与第二相移光纤光栅7的入射端连接，第二相移光纤光栅7的输出端与光混频器10的入射端d连接，第一光纤耦合器6的第二输出端与单边带调制器8的端口g连接，单边带调制器8的端口h与第二光纤耦合器9的入射端连接，第二光纤耦合器9的第一输出端与光混频器10的入射端e连接，光混频器10的输出端f与布拉格光纤光栅滤波器11的入射端连接，布拉格光纤光栅滤波器11的输出端与光电探测器12的入射端连接，光电探测器12的信号输出端与数据采集卡13的信号输入端连接，数据采集卡13的信号输出端与上位机14连接，上位机14通过USB与微波信号源15连接，微波信号源15的输出端与单边带调制器8的端口i连接；
第二光纤耦合器9的第二输出端与声光调制器16的入射端连接，声光调制器16的输出端与掺铒光纤放大器17的入射端连接，掺铒光纤放大器17的输出端与光环形器18的端口j连接，光环形器18的端口k经传感光纤19与第三光隔离器20的入射端连接，光环形器18的端口l与光电调制器21的入射端连接，光电调制器21的信号输出端与数据采集卡22的信号输入端连接。
其中，第一光纤耦合器6的第一输出端与第二相移光纤光栅7的入射端之间、第二相移光纤光栅7的输出端与光混频器10的入射端d之间、第一光纤耦合器6的第二输出端与单边带调制器8的端口g之间、单边带调制器8的端口h与第二光纤耦合器9的入射端之间、第二光纤耦合器9的第一输出端与光混频器10的入射端e之间、光混频器10的输出端f与布拉格光纤光栅滤波器11的入射端之间、布拉格光纤光栅滤波器11的输出端与光电探测器12的入射端之间、第二光纤耦合器9的第二输出端与声光调制器16的入射端之间、声光调制器16的输出端与掺铒光纤放大器17的入射端之间、掺铒光纤放大器17的输出端与光环形器18的端口j之间、光环形器18的端口l与光电调制器21的入射端之间，均通过单模光纤跳线进行连接。
其中，微波信号源15的输出端与单边带调制器8的端口i之间通过高频同轴电缆连接。
其中，第一相移光纤光栅3与第二相移光纤光栅7放置在一个温控封装23内。
具体的，工作波长为λ1(λ1＝980nm)的泵浦源1发出的泵浦光源信号经过980nm/1550nm波分复用器2的端口a进入波分复用器2，由波分复用器2的端口b发出的光源信号经过刻写在掺铒光纤上的相移为π的第一相移光纤光栅3，产生工作波长为λ2(λ2＝1550nm)的激光信号返回波分复用器2并由波分复用器2的端口c输出，在输出端接入第二光隔离器5，阻止激光反射回到第一相移光纤光栅3中影响激光器工作。
第二光隔离器5输出工作波长为λ2(λ2＝1550nm)的窄线宽激光信号，经过1×2分光比为20:80的第一光纤耦合器6分为两路，将80％连续光输入单边带调制器8的端口g，由单边带调制器8的端口h输出的光信号，经过1×2分光比为20:80的第二光纤耦合器9分为两路，将80％连续光作为相位敏感光时域反射仪的输入光信号，输出的20％连续光由于发生频漂，且频漂范围约为±50MHz，频率漂移速率约为50MHz/min，不稳定的激光信号作为本征光，输入到光混频器10的端口e。将第一光纤耦合器6输出的20％连续光经过第二相移光纤光栅7，同时，第一相移光纤光栅3与第二相移光纤光栅7放置在一个温控封装23内，避免外部温度、噪声、振动对相移光纤光栅的影响，使其输出工作波长恒定在λ2(λ2＝1550nm)，并作为探测光信号接入光混频器10的端口d。由端口e和端口d同时输入光混频器10的光信号发生拍频，发生拍频作用的两束光表达式分别为：探测光的光强为：
本征光的光强为：
混频之后电信号的电流为：
公式中，As为探测光的振幅；Ar为本征光的振幅；ωs为探测光的角频率；ωr为本征光的角频率；
为探测光的初相位；
为本征光的初相位；S为光电探测器12的变换系数。
由于ω＝2πυ，式中v为光的频率；将角频率ω用频率v表示，得到两束光的差频信号Δv，然后通过布拉格光纤光栅滤波器11将差频信号Δv滤出，由于差频信号的频率成分
公式中，c为光速；λs为探测光的波长；λr为本征光的波长；
所以采用工作波长为1550nm，带宽为150MHz的布拉格光纤光栅滤波器11滤波，滤波后的光信号经光电探测器12进入数据采集卡13进行数模转化及进行数据采集，然后通过傅里叶变换解调获取差频信号Δv，通过上位机14程序将差频信号Δv发送至微波信号源15，微波信号源15通过高频同轴电缆对单边带调制器8进行频率调制构成负反馈调节，由于频率漂移速率约为50MHz/min，采用微波信号源控制单边带调制，具有响应速度快、实时进行频率调制的特点，且调制响应时间约为3s。使第二光耦合器9的80％一端输出光信号的工作波长稳定在λ2(λ2＝1550nm)附近，最终抑制频漂，提高相位敏感光时域反射仪测量精度；
由第二光耦合器9的80％一端发出的连续光经过具有移频功能的声光调制器16被调制为脉冲信号，经过掺铒光纤放大器17放大后，通过光环形器18进入传感光纤19，在光纤中传输的同时产生瑞利散射，其中背向瑞利散射信号往回传输，再次经过光环形器18到达光电探测器21，所选取的探测器一般采用具有较高增益的雪崩光电探测器，这是由于背向瑞利散射的光功率较小，为了检测到微弱的信号，必须要求光电探测器21有较大的增益，通过数据采集卡22对信号进行采集，即可获取相位敏感光时域反射仪信号。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，其特征在于，包括：泵浦源（1）、波分复用器（2）、第一相移光纤光栅（3）、第一光隔离器（4）、第二光隔离器（5）、第一光纤耦合器（6）、第二相移光纤光栅（7）、单边带调制器（8）、第二光纤耦合器（9）、光混频器（10）、布拉格光纤光栅滤波器（11）、光电探测器（12）、第一数据采集卡（13）、上位机（14）、微波信号源（15）、声光调制器（16）、掺铒光纤放大器（17）、光环形器（18）、传感光纤（19）、第三光隔离器（20）、光电调制器（21）和第二数据采集卡（22）；其中， 泵浦源（1）的出射端通过单模光纤跳线与波分复用器（2）的入射端a连接，波分复用器（2）的端口b通过单模光纤跳线与第一相移光纤光栅（3）的入射端连接，第一相移光纤光栅（3）的输出端通过单模光纤跳线与第一光隔离器（4）的输出端连接，波分复用器（2）的输出端c通过单模光纤跳线与第二光隔离器（5）的入射端连接；
第二光隔离器（5）的输出端通过单模光纤跳线与第一光纤耦合器（6）的入射端连接，第一光纤耦合器（6）的第一输出端与第二相移光纤光栅（7）的入射端连接，第二相移光纤光栅（7）的输出端与光混频器（10）的入射端d连接，第一光纤耦合器（6）的第二输出端与单边带调制器（8）的端口g连接，单边带调制器（8）的端口h与第二光纤耦合器（9）的入射端连接，第二光纤耦合器（9）的第一输出端与光混频器（10）的入射端e连接，光混频器（10）的输出端f与布拉格光纤光栅滤波器（11）的入射端连接，布拉格光纤光栅滤波器（11）的输出端与光电探测器（12）的入射端连接，光电探测器（12）的信号输出端与第一数据采集卡（13）的信号输入端连接，第一数据采集卡（13）的信号输出端与上位机（14）连接，上位机（14）通过USB与微波信号源（15）连接，微波信号源（15）的输出端与单边带调制器（8）的端口i连接；
第二光纤耦合器（9）的第二输出端与声光调制器（16）的入射端连接，声光调制器（16）的输出端与掺铒光纤放大器（17）的入射端连接，掺铒光纤放大器（17）的输出端与光环形器（18）的端口j连接，光环形器（18）的端口k经传感光纤（19）与第三光隔离器（20）的入射端连接，光环形器（18）的端口l与光电调制器（21）的入射端连接，光电调制器（21）的信号输出端与第二数据采集卡（22）的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，其特征在于，第一光纤耦合器（6）的第一输出端与第二相移光纤光栅（7）的入射端之间、第二相移光纤光栅（7）的输出端与光混频器（10）的入射端d之间、第一光纤耦合器（6）的第二输出端与单边带调制器（8）的端口g之间、单边带调制器（8）的端口h与第二光纤耦合器（9）的入射端之间、第二光纤耦合器（9）的第一输出端与光混频器（10）的入射端e之间、光混频器（10）的输出端f与布拉格光纤光栅滤波器（11）的入射端之间、布拉格光纤光栅滤波器（11）的输出端与光电探测器（12）的入射端之间、第二光纤耦合器（9）的第二输出端与声光调制器（16）的入射端之间、声光调制器（16）的输出端与掺铒光纤放大器（17）的入射端之间、掺铒光纤放大器（17）的输出端与光环形器（18）的端口j之间、光环形器（18）的端口l与光电调制器（21）的入射端之间，均通过单模光纤跳线进行连接。
3.根据权利要求1所述的微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，其特征在于，微波信号源（15）的输出端与单边带调制器（8）的端口i之间通过高频同轴电缆连接。
4.根据权利要求1所述的微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪，其特征在于，第一相移光纤光栅（3）与第二相移光纤光栅（7）放置在一个温控封装（23）内。
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