CN114034372A - 一种基于双声光调制器的相敏光时域反射仪及下变频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双声光调制器的相敏光时域反射仪及下变频方法，包括光路模块和数据处理模块，光路模块中的声光调制器为两个声光调制器串联而成的声光调制器组合，两个声光调制器通过同源驱动分别实现正向移频和反向移频。本发明在光路模块中进行了优化，使用声光调制器组合代替传统的单个声光调制器，实现光路中光学频率的下变频，以减少光学拍频的差频分量大对后端数据采集与分析系统的压力，从而增加系统相位解调的实时性，避免高采样率条件下导致的对系统性能指标的苛刻限制。

Description

一种基于双声光调制器的相敏光时域反射仪及下变频方法

技术领域：

本发明涉及光时域反射仪，尤其涉及一种基于双声光调制器的相敏光时域反射仪及下变频方法。

背景技术：

光时域反射仪是基于后向瑞利散射光信号的一种测量仪器，它以后向瑞利散射理论为基础，可以直接地对光纤振动信号进行测量，并且能够反映出整个光纤线路的光损耗变化情况。光脉冲在光纤中传播时，脉冲沿整个传感光纤路径产生的后向瑞利散射信号被光探测器接收，会形成一个按时序排列的连续分布的强度信号，即传感光纤中的任一位置都有一个与之对应的后向瑞利散射光强度。根据这一理论，通过监测返回的后向瑞利散射光信号的强度，就可以通过探测光强的变化反映出的沿光纤线路分布的光纤损耗情况，进而获得光纤扰动处的参量信息，如温度、压力、振动、声音等，并且可以通过计算光脉冲的往返时间准确的对扰动信息进行定位。该技术不仅具有分布式光纤传感测量的诸多优点，而且还具有探测灵敏度高、定位精度高等特点，目前广泛应用在石油化工天然气输送管道预警、桥梁隧道大型公共设施安全监测、长距离周界安防、电力电缆结构健康监测等领域。

目前普遍使用的相敏光时域反射仪中，其解调光路是由窄线宽激光器产生的连续光经过光纤分束器分成两路，一路作为本地光，另一路经过声光调制器调制，对探测光进行移频和光脉冲生成。返回的信号光与本地光进入光纤耦合器进行拍频，差频信号进入数据采集系统。在这种方案中因为要考虑到空间分辨率以及声光晶体自身属性，一般采用频移量为200MHz的声光调制器，这就对系统数据采集及信号后处理的采样率及数据并行处理硬件性能指标提出一定的要求。根据奈奎斯特采样定理，想要很好的还原扰动信号，采集卡的采样率需要至少400MHz以上，这对硬件电路的设计提出了十分苛刻的要求，并且不利于相位噪声测量系统的噪声抑制，系统后端数据处理变的臃肿，降低了系统的实时性。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的相敏光时域反射仪，通过光学变换及时延控制在光路中实现光学下变频，降低系统对数据采集及信号后处理的要求，减少系统数据处理量级，同时增加系统相位解调的实时性。

本发明的技术解决方案是，提供一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的相敏光时域反射仪，包括光路模块和数据处理模块，光路模块中的声光调制器为两个声光调制器串联而成的声光调制器组合，两个声光调制器通过同源驱动分别实现正向移频和反向移频。

作为优选，光路模块包括由光纤依次连接的窄线宽激光器、光纤分束器、声光调制器组合、光纤放大器、光纤环形器、光纤耦合器。

作为优选，数据处理模块包括光电探测器、AD模块、驱动信号调理模块、串口模块、网口模块和FPGA芯片，AD模块、驱动信号调理模块、串口模块、网口模块分别与FPGA芯片对应引脚电性连接，光电探测器的输出端与AD模块电性连接，光电探测器的接收端与光纤耦合器通过信号线连接，驱动信号调理模块通过信号线分别与声光调制器组合中的两个声光调制器、光纤放大器连接。

作为优选，光纤放大器为掺铒光纤放大器。

进一步的，光电探测器使用的是平衡性光电探测器。

本发明还提供一种基于双声光调制器的相敏光时域反射仪的下变频方法，包括以下步骤，

首先，激光器输出连续信号光，其光学频率为ω+△ω，其中，Δω是激光器产生的频率噪声；

其次，光纤分束器将激光器输出的光信号分为两路信号光，第一路光信号作为本地光，与返回的瑞利散射光信号进行拍频；第二路光信号经过串联的两个声光调制器进行调制，调制后的信号光频率变为ω+Δω+f₁-f₂；调制后的信号光入射到掺铒光纤放大器中进行激光放大，以满足系统长距离探测的需求；

接着，放大后的信号光经过光纤环形器入射到探测光纤中，在探测光纤中发生瑞利散射；

然后，返回的瑞利散射光经过光纤环形器与激光器的本地光在光纤耦合器处汇聚，并产生光学拍频，拍频后的信号光被光电探测器捕获，将光信号转变为电信号传入到AD模块中；

最后，FPGA芯片从AD模块接收数据，并进行相位解调处理，从而得到探测光纤的振动信号。

进一步的，第二路光信号通过控制声光调制器放大器驱动，将串联的两个声光调制器一个正向移频f₁，一个反向移频f₂，总移频量为f₁-f₂，实现光学下变频。

采用以上结构后与现有技术相比，本发明具有以下优点：加入声光调制器组合对探测光进行组合调制，在不影响系统空间分辨率的情况下，实现了光学的下变频；减小了系统后端数据采集与数据解调的硬件系统的压力，更好的实现解调系统的实时性。也就是说，本发明采用声光调制器串联作为光路系统中信号光的调制器单元，其具备光学下变频、降低系统对采集卡采样率的要求以及系统振动信息处理实时性更高的优点，并可实现探测光缆沿线光纤振动相位信息的准确测量。本发明采用两个声光调制器串联，通过控制声光调制器驱动实现光学的下变频，降低了拍频信号的频率，从而缓解了后端对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求，进一步提高了系统的实时性，避免高采样率条件下导致的对系统性能指标的苛刻限制。

附图说明：

图1为本发明的结构框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的相敏光时域反射仪，包括光路模块2和数据处理模块1，其中，光路模块2包括由光纤依次连接的窄线宽激光器9、光纤分束器10、声光调制器组合11、光纤放大器12、光纤环形器13、光纤耦合器14，光路模块2中的声光调制器为两个声光调制器串联而成的声光调制器组合11，两个声光调制器通过同源驱动分别实现正向移频和反向移频。数据处理模块1包括光电探测器5、AD模块4、驱动信号调理模块6、串口模块8、网口模块7和FPGA芯片3。

具体的，窄线宽激光器9发出波长为1550.12nm的信号光；光纤分束器10将窄线激光器9发出的光信号分成两束，即第一光信号和第二光信号，第一光信号进入声光调制组合11中进行调制，调制器后的探测光经光纤放大器12进行激光放大。本实施例中，光纤放大器12为掺铒光纤放大器，光电探测器5使用的是平衡性光电探测器。放大后的第一光信号再经过光纤环形器13入射到外接的振动光缆中，第二光信号作为本地光与返回的信号在光纤耦合器14中进行拍频，并最终被光电探测器5接收。

AD模块4、驱动信号调理模块6、串口模块8、网口模块7分别与FPGA芯片3对应引脚电性连接，光电探测器5的输出端与AD模块4电性连接，光电探测器5的接收端与光纤耦合器14通过信号线连接，驱动信号调理模块6通过信号线分别与声光调制器组合11中的两个声光调制器、光纤放大器12连接。

光电探测器5实现光信号转换成电信号，AD模块4实现把模拟的电信号转换成数字信号用于后续数据处理；驱动信号调理模块6实现对光路部分所需的驱动信号产生功能；网口模块7和串口模块8作为系统的命令参数输入接口和数据输出接口，其中网口模块7用于输出振动信号相位解调时的中间数据，以便调试人员进行数据分析并做出相应的参数调整；串口模块8用于命令参数输入和解调后的波长值，以上两个接口皆由FPGA芯片3进行控制；FPGA芯片3是系统的核心控制器件，实现数据采集、动态增益控制、驱动信号输出及动态调整、网口控制、串口控制和相位解调算法等功能。

本发明为了实现光纤振动信号的相位解调以及解调信号的实时性，除了通过FPGA芯片对各状态的监测和反馈进行动态的调整外，主要在光路模块中进行了优化，使用声光调制器组合代替传统的单个声光调制器，实现光路中光学频率的下变频。

数据解调处理算法在FPGA芯片中实现，主要是对采集的数据进行混频、差分相位、解相位卷绕等处理，实现系统振动信号相位信息的解调输出。

工作流程如下，

首先，窄线宽激光器光源发出信号光，光源的波长为1550.12nm，进入1*2光纤分束器中；光纤分束器将信号光分为两束，第一光信号进入声光调制器组合中进行光学调制，第二光信号作为本地光进入光纤耦合器中；

接着，FPGA芯片根据设定好的参数控制声光调制器同源驱动输出驱动信号，包括两个声光调制器各自的频移量和重复频率；调制器后的第一光信号此时为脉冲光信号，具有一定的脉冲宽度和重复频率，然后进入到掺铒光纤放大器中进行激光放大；放大后的信号光进入到光纤环形器中，从环形器第二端口输出入射到振动光缆中；信号光下振动光缆中发生瑞利散射，后向传播的瑞利散射信号经过光纤环形器的第三端口输出道光纤耦合器；

然后，2*2光纤耦合器一端接收的是激光器发出的第一信号光，光纤耦合器另外一端与光纤环形器的第三端口连接并接收外接在光纤环形器第二端口上的振动光缆中返回的瑞利散射信号，此时的瑞利散射信号光带有振动光缆上的振动信号，两路光信号在耦合器中进行光学拍频，产生出差频信号和和频信号，然后分成两束进入到光电探测器中；

进而，光电探测器两路信号会进行差分处理，差分过程中会差分掉部分光路系统内的相位噪声，然后进入到AD数据模块中；

最后，FPGA芯片从AD模块接收数据，并进行相位解调处理，从而得到探测光纤的振动信号。

其中，实现光学下变频的方法是通过采用两个声光调制器组合串联，并通过放大器驱动控制声光调制器的移频方向实现光学下变频，以减少光学拍频的差频分量大对后端数据采集与分析系统的压力，从而增加系统相位解调的实时性。本发明的基于双声光调制器串联的相敏光时域反射仪的下变频方法包括以下步骤：

激光器输出连续信号光，其光学频率为ω+△ω，其中Δω是激光器产生的频率噪声；

光纤分束器将激光器输出的光信号分为两路信号光，第一路光信号作为本地光，后面与返回的瑞利散射光信号进行拍频；第二路光信号经过串联的两个声光调制器进行调制，调制后的信号光频率变为ω+Δω+f₁-f₂。

通过控制声光调制器驱动，调制后的信号光不单频率发生了改变，而且具有相应的脉冲宽度和重复频率；调制后的信号光入射到掺铒光纤放大器中进行激光放大，以满足系统长距离探测的需求；

放大后的信号光经过光纤环形器入射到探测光纤中，在探测光纤中发生瑞利散射，瑞利散射属于弹性碰撞，后向传播的瑞利散射光信号不改变信号光的频率，并且后向传播的瑞利散射光携带探测光纤中的振动信息；

返回的瑞利散射光经过光纤环形器的第三端口与激光器的本地光在2*2光纤耦合器处汇聚，并产生光学拍频，拍频后的信号光被光电探测器捕获，将光信号转变为电信号传入到AD模块中。

最后，FPGA芯片从AD模块接收数据，并进行相位解调处理，从而得到探测光纤的振动信号。

具体地，通过控制声光调制器放大器驱动，将串联的两个声光调制器一个正向移频f₁，一个反向移频f₂，总移频量为f₁-f₂，实现光学下变频；在后端的拍频的频率分量中，差频信号为f₁-f₂，根据系统的实际需求控制f₁、f₂的大小，后端数据采集系统的采样率可以根据差频分量f₁-f₂的大小进行匹配，而不是f₁进行匹配，极大的降低了数据采集与处理系统的处理量，实现系统性能的提升。

本发明采用两个声光调制器串联，通过控制声光调制器驱动实现光学的下变频，降低了拍频信号的频率，从而缓解了后端对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求，进一步提高了系统的实时性，避免高采样率条件下导致的对系统性能指标的苛刻限制。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双声光调制器的相敏光时域反射仪，包括光路模块和数据处理模块，其特征在于：光路模块中的声光调制器为两个声光调制器串联而成的声光调制器组合，两个声光调制器通过同源驱动分别实现正向移频和反向移频。

2.根据权利要求1所述的基于双声光调制器的相敏光时域反射仪，其特征在于：光路模块包括由光纤依次连接的窄线宽激光器、光纤分束器、声光调制器组合、光纤放大器、光纤环形器、光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的基于双声光调制器的相敏光时域反射仪，其特征在于：数据处理模块包括光电探测器、AD模块、驱动信号调理模块、串口模块、网口模块和FPGA芯片，AD模块、驱动信号调理模块、串口模块、网口模块分别与FPGA芯片对应引脚电性连接，光电探测器的输出端与AD模块电性连接，光电探测器的接收端与光纤耦合器通过信号线连接，驱动信号调理模块通过信号线分别与声光调制器组合中的两个声光调制器以及光纤放大器连接。

4.根据权利要求1所述的基于双声光调制器的相敏光时域反射仪，其特征在于：光纤放大器为掺铒光纤放大器。

5.根据权利要求1所述的基于双声光调制器的相敏光时域反射仪，其特征在于：光电探测器为平衡性光电探测器。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于双声光调制器的相敏光时域反射仪的下变频方法，其特征在于：包括以下步骤，

首先，激光器输出连续信号光，其光学频率为ω+Δω，其中，Δω是激光器产生的频率噪声；

其次，光纤分束器将激光器输出的光信号分为两路信号光，第一路光信号作为本地光，与返回的瑞利散射光信号进行拍频；第二路光信号经过串联的两个声光调制器进行调制，调制后的信号光频率变为ω+Δω+f₁-f₂；调制后的信号光入射到掺铒光纤放大器中进行激光放大，以满足系统长距离探测的需求；

接着，放大后的信号光经过光纤环形器入射到探测光纤中，在探测光纤中发生瑞利散射；

然后，返回的瑞利散射光经过光纤环形器与激光器的本地光在光纤耦合器处汇聚，并产生光学拍频，拍频后的信号光被光电探测器捕获，将光信号转变为电信号传入到AD模块中；

最后，FPGA芯片从AD模块接收数据，并进行相位解调处理，从而得到探测光纤的振动信号。

7.根据权利要求6所述的基于双声光调制器的相敏光时域反射仪的下变频方法，其特征在于：第二路光信号通过控制声光调制器放大器驱动，将串联的两个声光调制器一个正向移频f₁，一个反向移频f₂，总移频量为f₁-f₂，实现光学下变频。

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