CN114323251A - 分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，窄带相干光源发出的连续窄带相干光经过高速光开关调制后通过光环形器入射到光纤弱光栅阵列中；光纤弱光栅阵列中的光栅反射率随着距离的增加，增加的反射功率与光纤传输损耗功率和光栅前方光栅阵列的遮挡导致功率损耗之和相抵消；经过光纤弱光栅阵列反射的光返回到光环形器，再经过光纤耦合器分成两路光，其中一路光经过延时后和另一路光发生干涉，干涉光经光电探测器转换成电信号，电信号再经信号采集与控制板卡进行解调。本发明实现了长距离传感阵列上远近不同点的反射信号功率的均衡。

Description

分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置及方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置及方法。

背景技术

分布式光纤振动传感技术在重要军事基地安全防范、大型石油和天然气管道监测、远距离国境线入侵监测、智慧高速公路车辆信息监测和电力电缆安全监测等领域得到广泛的应用。分布式光纤振动传感由于具有检测信号灵敏度高，传感距离远，防电磁干扰等优点，相比于传统的电类传感系统具有独特的优势。但是随着传感距离的增加，光纤的瑞利散射和光纤的非线性效应导致信号能量损失增加，降低了系统的信噪比和动态范围。实际工程中急需实现分布式振动传感系统接收信号的均衡，使得探测的远距离信号和近距离信号功率均衡，增大系统的动态范围，提高检测信噪比。

现有提高信噪比方法包括：采用掺铒光纤放大器（EDFA）或者放大光源出光功率，采用拉曼分布式放大系统在传感光缆上对信号进行分布式放大，采用弱光栅阵列增强反射光强度，采用反馈放大控制接收端接收增益，采用时间增益控制。EDFA放大技术受到非线性效应和调制不稳定性的影响，限制了EDFA最大输出功率。另外，采用EDFA放大不能提高远端信号和近端信号的功率差，起不到均衡作用。其次，拉曼分布式放大技术对信号的放大有一定的均衡作用，但是在整个放大区间内增益是不平坦的，而且成本较高。再次，基于传统反射率一致的全同弱光栅阵列的分布式振动监测系统由于前端和后端的光栅反射率是一致的，因此后端光栅反射信号受到前面光栅的遮挡和光纤的自身衰减，比前端信号功率小很多，造成前后端信号的不均衡，造成远端信号的信噪比低，降低了系统的动态范围，限制了传感距离。最后，采用反馈放大技术和时间增益控制，都是通过控制接收端的接收增益来提高远端小信号的放大倍数来均衡信号。因此，对于远端传输过来的光功率没有增大，只是通过电路放大电信号。但是由于光传输速度快，需要复杂的高速控制电路，而且放大器本身放大倍数提高也会提高噪声功率，因此对信噪比提高有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有一种分布式光纤相位敏感光时域反射计信号检测系统的信号均衡和系统动态范围小的上述不足，提出了一种分布式光纤相位敏感光时域反射计检测方法，实现在弱光栅阵列振动传感系统不增加额外成本的基础上提高分布式光时域反射计动态范围。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，包括窄带相干光源、高速光开关、光环路器、光纤弱光栅阵列、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光电探测器和信号采集与控制板卡；

窄带相干光源发出的连续窄带相干光耦合到高速光开关的输入端口，经过高速光开关调制后的脉冲光通过光环形器入射到光纤弱光栅阵列中；其中光纤弱光栅阵列为渐变反射率的光栅阵列，且各个弱光栅的中心波长相同，光纤弱光栅阵列中的光栅反射率随着距离的增加，增加的反射功率与光纤传输损耗功率和光栅前方光栅阵列的遮挡导致功率损耗之和相抵消；

经过光纤弱光栅阵列反射的光返回到光环形器，再经过第一光纤耦合器分成两路光，其中一路光经过延时后和另一路光在第二光纤耦合器处发生干涉，干涉光经光电探测器转换成电信号，电信号再经信号采集与控制板卡进行解调。

接上述技术方案，光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，第二光纤耦合器将干涉光分成三路分别输入三个光电探测器进行光电转换。

接上述技术方案，高速光开关为声光调制器、开关型半导体光放大器或者电光调制器。

接上述技术方案，光纤弱光栅阵列为低反射率的布拉格光纤光栅阵列或者低反射率的啁啾光纤光栅阵列。

接上述技术方案，窄带相干光源的波长与光纤弱光栅阵列的反射光谱中心波长相同。

接上述技术方案，三路输出光之间的相位差为2π/3。

接上述技术方案，光纤弱光栅阵列中光栅反射率满足如下关系：

其中α为传感光纤的衰减系数，L ₀为相邻光栅之间的距离。

接上述技术方案，信号采集与控制板卡的输出端与高速光开关连接。

本发明还提供一种基于上述技术方案的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置的均衡方法，包括以下步骤：

S1：高速光开关将窄带相干光源发出的连续窄带相干光调制后形成相干脉冲光，相干脉冲光经光环形器后入射到光纤弱光栅阵列中；

S2：经过光纤弱光栅阵列反射的光返回到光环形器中，再经第一光纤耦合器分成两路光；

S3：一路光经过延时后耦合进入第二光纤耦合器；

S4：另一路光经过直接进入第二光纤耦合器；

S5：两路光在第二光纤耦合器中发生干涉；

S6：两路光发生干涉后分成三束输出光，分别转换成电信号后送到信号采集与控制板卡，利用三束输出光之间的等相位差关系进行解调输出解调信号。

接上述技术方案，步骤S3中的一路光为：

另一路光为：

其中i从1到N，为光栅的编号，R _i 为第i个光栅的反射率，光栅的总个数为N， E ₀为连续窄带相干光，W为脉冲宽度，L ₀为相邻光栅之间的距离，n _eff 为光纤纤芯的有效折射率,c为真空中的光速，α为传感光纤的衰减系数，f为相干脉冲光的频率，t表示时间，τ ₀=2n _eff L ₀/c为脉冲光在相邻光栅之间来回一次的时间,τ _i 为第i个光栅的延迟时间τ _i =i·τ ₀，脉冲宽度满足W＜2n _eff L ₀/c 。

本发明产生的有益效果是：本发明利用渐变反射率的光栅阵列对光反射信号随距离逐渐增强的特性，均衡传感光纤远端和近端的功率，提高传感信号的动态范围，可在弱光栅阵列振动传感系统上实现又不增加额外成本。

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为本发明实施例一种分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置的结构示意图；

图2为传统的光栅阵列的反射率随距离的变化示意图以及接收信号功率随距离的变化示意图；

图3为本发明实施例光栅阵列的反射率随距离的变化示意图以及接收信号功率随距离的变化示意图。

图中：1-窄带相干光源，2-高速光开关，3-光环形器，301-光环形器3的第一端口，302-光环形器3的第二端口，303-光环形器3的第三端口，4-光纤弱反射光栅阵列，5-传输光纤，6-光纤耦合器，601-光纤耦合器6的第一端口，602-光纤耦合器6的第二端口，603-光纤耦合器6的第三端口，7-延时光纤，8-光纤，9-3x3光纤耦合器，901-3x3光纤耦合器9的第一端口，902-3x3光纤耦合器9的第二端口，903-3x3光纤耦合器9的第三端口，904-3x3光纤耦合器9的第四端口，905-3x3光纤耦合器9的第五端口，10-第一光电探测器，101-第一光电探测器的光输入端口，102-第一光电探测器的电压输出端口，11-第二光电探测器，111-第二光电探测器的光输入端口，112-第二光电探测器的电压输出端口，12-第三光电探测器，121-第三光电探测器的光输入端口，122-第三光电探测器的电压输出端口，13-信号采集与控制板卡，131-信号采集与控制板卡的第一端口，132-信号采集与控制板卡的第二端口，133-信号采集与控制板卡的第三端口，134-信号采集与控制板卡的第四端口。

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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置包括窄带相干光源1、高速光开关2、光环路器3、光纤弱光栅阵列4、第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器9、光电探测器和信号采集与控制板卡13。

窄带相干光源1发出的连续窄带相干光耦合到高速光开关2的输入端口，经过高速光开关2调制后的脉冲光通过光环形器3入射到光纤弱光栅阵列4中；其中光纤弱光栅阵列4为渐变反射率的光栅阵列，光栅阵列之间通过传输光纤连接，且各个弱光栅的中心波长相同，光纤弱光栅阵列4中的光栅反射率随着距离的增加，增加的反射功率与光纤传输损耗功率和光栅前方光栅阵列的遮挡导致功率损耗之和相抵消。

经过光纤弱光栅阵列4反射的光返回到光环形器3，再经过第一光纤耦合器6分成两路光，其中一路光经过延时后和另一路光在第二光纤耦合器9处发生干涉，干涉光经光电探测器转换成电信号，电信号再经信号采集与控制板卡13进行解调。

本发明的一个较佳实施例中，为了使增加的反射功率与光纤传输损耗功率和光栅前方光栅阵列的遮挡导致功率损耗之和相抵消，光纤弱光栅阵列4中光栅反射率R _i 满足如下关系：

其中α为传感光纤的衰减系数，L ₀为相邻光栅之间的距离。

本发明实施例主要利用渐变反射率的光栅阵列对光反射信号随距离逐渐增强的特性，均衡传感光纤远端和近端的功率，提高传感信号的动态范围，实现在弱光栅阵列振动传感系统不增加额外成本的基础上实现一种分布式光时域反射计动态范围的提高。

具体地，如图1所示，窄带相干光源1发出的连续窄带相干光耦合到高速光开关2的输入端口，经过高速光开关2调制后的脉冲光耦合到光环形器3的第一端口301，然后从光环路器3的第二端口302，入射到光纤弱光栅阵列4中；经过光纤弱光栅阵列4反射的光返回到光环形器3的第二端口302后通过光环形器3的第三端口303入射到光纤耦合器6的第一端口601后分成两路光，第一路光从光纤耦合器6的第二端口602输出，第二路光从光纤耦合器6的第三端口603输出。

第一路光经过光纤耦合器6的第二端口602输出后进入延时光纤7，然后耦合进入3x3光纤耦合器9的第一端口901，形成第一路干涉光。

第二路光经过光纤耦合器6的第三端口603输出后耦合进入3x3光纤耦合器9的第二端口902，形成第二路干涉光。光纤耦合器6的第三端口603和3x3光纤耦合器9的第二端口902之间通过光纤连接。

第一路干涉光和第二路干涉光在光纤耦合器9中发生干涉后，输出三路光，分别从光纤耦合器9的第三端口903、第四端口904和第五端口905输出。

第一路干涉光与第二路干涉光在光纤耦合器9中发生干涉后分成三束输出光，第一束输出光通过第三端口903耦合进第一光电探测器10的光输入端口101转换成电信号，再经过端口102送到信号采集与控制板卡13的第二端口132，第二束输出光通过第四端口904耦合进入第二光电探测器11的光输入端口111转换成电信号，再经过端口112送到信号采集与控制板卡13的第三端口133，第三束输出光通过第五端口905耦合进入第三光电探测器的光输入端121转换成电信号，然后经过电压输出端口122送到信号采集与控制板卡13的第四端口134。信号采集与控制板卡13的第一端口131与高速光开关2的一个输入端连接。

其中，高速光开关2为声光调制器，或开关型半导体光放大器，或电光调制器。

进一步地，光纤光栅阵列4为低反射率的布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的啁啾光纤光栅阵列。

光纤光栅阵列4中所有光纤布拉格光栅或啁啾光栅具有相同的中心波长。窄带相干光源1波长与光栅阵列4的反射光谱中心波长相同。光栅阵列4中的光栅反射率随着距离的增加，增加的反射功率与光纤传输损耗功率和该光栅前方光栅阵列的遮挡导致功率损耗之和相抵消。

本发明实施例中，光栅阵列4是由光纤拉丝塔在线制作光栅过程中，通过控制激光器的输出功率实时调节刻写的光栅的反射率得到的渐变反射率光栅阵列。

本发明实施例分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置的均衡方法，包括以下步骤：

S1：高速光开关2将窄带相干光源1发出的连续窄带相干光调制后形成相干脉冲光，相干脉冲光经光环形器3后入射到光纤弱光栅阵列4中；

S2：经过光纤弱光栅阵列4反射的光返回到光环形器3中，再经第一光纤耦合器6分成两路光；

S3：一路光经过延时后耦合进入第二光纤耦合器9；

S4：另一路光经过直接进入第二光纤耦合器9；

S5：两路光在第二光纤耦合器9中发生干涉；

S6：两路光发生干涉后分成三束输出光，分别转换成电信号后送到信号采集与控制板卡13，利用三束输出光之间的等相位差关系进行解调输出解调信号。

本发明的另一实施例中，分布式光纤相位敏感光时域反射计信号自均衡传感装置的均衡实现方法包括以下步骤：

步骤1：窄带相干光源1发出的连续窄带相干光E ₀耦合到高速光开关2的输入端口，经过高速光开关2调制后形成脉冲宽度为

的相干脉冲光，然后耦合到光环形器3的第一端口301，然后从光环路器3的第二端口302，入射到中心波长相同的光纤弱光栅阵列4中；

步骤2：经过光纤弱光栅阵列4反射的光返回到光环形器3的第二端口302后通过光环形器3的第三端口303入射到光纤耦合器6的端口601后分成两路光；第一路光从光纤耦合器6的第二端口602输出和第二路光从光纤耦合器6的第三端口603输出；

步骤3：第一路光经过光纤耦合器6的第二端口602输出后进入延时光纤7然后耦合进入3x3光纤耦合器9的第一端口901，形成第一路干涉光E _α （t）：

其中i从1到N，为光栅的编号，R _i 为第i个光栅的反射率，光栅的总个数为

， E ₀为连续窄带相干光，W为脉冲宽度，L ₀为相邻光栅之间的距离，n _eff 为光纤纤芯的有效折射率,c为真空中的光速，α为传感光纤的衰减系数，f为相干脉冲光的频率，t表示时间，τ ₀=2n _eff L ₀/c为脉冲光在相邻光栅之间来回一次的时间,τ _i 为第i个光栅的延迟时间τ _i =i·τ ₀，脉冲宽度满足W＜2n _eff L ₀/c 。

传统的光栅阵列反射率相同的光栅阵列及其反射信号如图2所示。可见，当光栅阵列上的光栅反射率相等时，反射信号功率会受到光纤自身的损耗和反射光栅前面的光栅的遮挡效应影响，接收信号功率下降。

本发明实施例中相同波长的光栅传感阵列上光栅反射率满足如下关系：

其中i从1到N，为光栅的编号。

则此时E _a （t）可表示为：

可见E _a （t）的幅值是相等的，在光栅反射率的补偿下，接收信号实现了幅值均衡。

图3为本发明实施例光栅阵列的反射率随距离的变化示意图以及接收信号功率随距离的变化示意图。可见，随着距离的增加对光栅反射率进行了补偿，可实现反射信号的自均衡。

步骤4：第二路光经过光纤耦合器6的第三端口603输出后耦合进入3x3光纤耦合器9的第二端口902，形成第二路干涉光E _b （t）：

其中i从1到N，为光栅的编号，R _i 为第i个光栅的反射率，光栅的总个数为N， E ₀为连续窄带相干光，W为脉冲宽度，L ₀为相邻光栅之间的距离，n _eff 为光纤纤芯的有效折射率,c为真空中的光速，α为传感光纤的衰减系数，f为相干脉冲光的频率，t表示时间，τ ₀=2n _eff L ₀/c为脉冲光在相邻光栅之间来回一次的时间,τ _i 为第i个光栅的延迟时间τ _i =i·τ ₀，为满足相邻光栅反射脉冲不相互叠加产生干扰，脉冲宽度满足W＜2n _eff L ₀/c 。

步骤5：第一路干涉光和第二路干涉光在光纤耦合器9中发生干涉后，输出三路光分别从光纤耦合器9的第三端口903、第四端口904和第五端口905输出；

输出的三路光I _k （t）：

其中，φ _i,i+1 为第i个光栅与第i+1个光栅反射信号之间相位差。反射信号的功率为常数，与距离没有关系，故整个传感光纤光栅阵列上的信号功率时均衡的。

步骤6：第一路干涉光与第二路干涉光在光纤耦合器9中发生干涉后分成三束输出光，第一束输出光通过端口903耦合进第一光电探测器10的光输入端口101转换成电信号经过电压输出端口102送到信号采集与控制板卡13的端口132，第二束输出光通过端口904耦合进入第二光电探测器11的光输入端口111转换成电信号后经过电压输出端口112送到信号采集与控制板卡13的第三端口133，第三束输出光通过端口905耦合进入第三光电探测器的光输入端121转换成电信号后经过端口122送到信号采集与控制板卡13的端口134，利用三路输出之间2π/3的相位差关系，得到解调输出信号V _out （t）为：

式中，S _i 为只与放大器器件有关的解调因子。宽度为W的干涉脉冲内电压恒定，对V _out （t）在τ ₂ ，τ ₃ ，…，τ _N 时刻进行采样得V _i =S _i ·φ _i,j ，则传感相位为：

该式为传感相位与解调电压成线性关系，通过解调输出电压变化量得到传感光纤的相位变化量。

综上，本发明的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置和方法，通过采用反射率渐变的全同波长光栅传感阵列构建的分布式振动传感系统，采用提高后一个传感光栅反射率来补偿前面光栅的遮挡效应和传输光纤的损耗造成接收光信号的衰减，从而实现了长距离传感阵列上远近不同点的反射信号功率的均衡。因此，在未提高系统成本的情况下，提高了系统的动态范围，尤其提高了远端传感器的信号信噪比，增大了传感距离。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，包括窄带相干光源（1）、高速光开关（2）、光环路器（3）、光纤弱光栅阵列（4）、第一光纤耦合器（6）、第二光纤耦合器（9）、光电探测器和信号采集与控制板卡（13）；

窄带相干光源（1）发出的连续窄带相干光耦合到高速光开关（2）的输入端口，经过高速光开关（2）调制后的脉冲光通过光环形器（3）入射到光纤弱光栅阵列（4）中；其中光纤弱光栅阵列（4）为渐变反射率的光栅阵列，且各个弱光栅的中心波长相同，光纤弱光栅阵列（4）中的光栅反射率随着距离的增加，增加的反射功率与光纤传输损耗功率和光栅前方光栅阵列的遮挡导致功率损耗之和相抵消；

经过光纤弱光栅阵列（4）反射的光返回到光环形器（3），再经过第一光纤耦合器（6）分成两路光，其中一路光经过延时后和另一路光在第二光纤耦合器（9）处发生干涉，干涉光经光电探测器转换成电信号，电信号再经信号采集与控制板卡（13）进行解调。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，光电探测器包括第一光电探测器（10）、第二光电探测器（11）和第三光电探测器（12），第二光纤耦合器（9）将干涉光分成三路分别输入三个光电探测器进行光电转换。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，高速光开关（2）为声光调制器、开关型半导体光放大器或者电光调制器。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，光纤弱光栅阵列（4）为低反射率的布拉格光纤光栅阵列或者低反射率的啁啾光纤光栅阵列。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，窄带相干光源（1）的波长与光纤弱光栅阵列（4）的反射光谱中心波长相同。

6.根据权利要求2所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，三路输出光之间的相位差为 2π/3。

7.根据权利要求1所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，光纤弱光栅阵列（4）中光栅反射率满足如下关系：

其中α为传感光纤的衰减系数，L ₀为相邻光栅之间的距离。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置，其特征在于，信号采集与控制板卡（13）的输出端与高速光开关（2）连接。

9.一种基于权利要求1所述的分布式光纤相位敏感光时域反射计信号均衡装置的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：高速光开关（2）将窄带相干光源（1）发出的连续窄带相干光调制后形成相干脉冲光，相干脉冲光经光环形器（3）后入射到光纤弱光栅阵列（4）中；

S2：经过光纤弱光栅阵列（4）反射的光返回到光环形器（3）中，再经第一光纤耦合器（6）分成两路光；

S3：一路光经过延时后耦合进入第二光纤耦合器（9）；

S4：另一路光经过直接进入第二光纤耦合器（9）；

S5：两路光在第二光纤耦合器（9）中发生干涉；

S6：两路光发生干涉后分成三束输出光，分别转换成电信号后送到信号采集与控制板卡（13），利用三束输出光之间的等相位差关系进行解调输出解调信号。

10.根据权利要求8所述的均衡方法，其特征在于，步骤S3中的一路光为：

另一路光为：

其中i从1到N，为光栅的编号，R _i 为第i个光栅的反射率，光栅的总个数为N， E ₀为连续窄带相干光，W为脉冲宽度，L ₀为相邻光栅之间的距离，n _eff 为光纤纤芯的有效折射率,c为真空中的光速，α为传感光纤的衰减系数，f为相干脉冲光的频率，t表示时间，τ ₀=2n _eff L ₀/c为脉冲光在相邻光栅之间来回一次的时间,τ _i 为第i个光栅的延迟时间τ _i =i·τ ₀，脉冲宽度满足W＜2n _eff L ₀/c 。

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