CN204718622U - 一种相干otdr装置 - Google Patents

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方继宇
郑元伟
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熊铖
龙诺亚
任阳阳
张猛
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李柏森
刘晓波
杨吉翔
黎皓
吕健
张祥忠
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Abstract

本实用新型公开了一种相干OTDR装置，包括计算机、频率综合器、马赫-曾德尔调制器、激光器、波形发生卡、声光驱动器、声光调制器、EDFA、环形器、传感光纤、1:99分束器、50:50合束器、光电探测器、DWDM和采集卡；计算机通过串口每次向频率综合器发送一个频率f相应的命令后，马赫-曾德尔调制器都对频率为f0的窄线宽激光进行相应的上下移频，产生频率为f0+f和f0-f的激光，两种频率的激光在光纤中传播时产生受外界调制的对应频率的后向瑞利光，最后通过DWDM后，频率为f0+f和f0-f的瑞利光将被分离出来。本实用新型的OTDR装置在扫描相同多个频率时，扫频次数减少了一半，提高了测量速度，改善了测量的准确度。

Description

一种相干OTDR装置
技术领域
本实用新型涉及分布式光纤传感技术领域，具体的说是相干OTDR测量温度应变的分布式光纤传感装置与其过程控制，特别涉及一种相干OTDR装置。
背景技术
相干OTDR传感装置主要用于交通、建筑、电力、煤矿、石化等行业，其作用是对这些重要的场所进行实时的温度和振动的监控。它对保证工业系统正常运行，保障生命和财产的安全扮演者重要的角色。
目前，现有的相干OTDR主要是由窄线宽激光器、单边调制器、频率综合器、耦合器、波形发生卡、声光调制器、EDFA、平衡探测器、采集卡、环形器、计算机和传感光纤组成。计算机通过串口向频率综合器发送需要被单边带调制调制的激光需移频的频率，此后，计算机通过PCI接口向波形发生卡发送命令产生脉冲信号，该脉冲信号通过声光调制器调制被单边调制器移频的激光，形成脉冲光。通过环形器1端口将此脉冲光注入传感光纤，采集环形器3端口后向瑞利散射光，为了方便描述，我们将此过程称为单次频率扫描。相干OTDR是进行一系列的单次频率扫描并重复2次，将获得2个数据矩阵，并处理数据矩阵，最后就可以解调出传感光纤所处的环境信息，即温度应变信息。
现有的相干OTDR装置存在以下的缺陷和不足：
1、相干OTDR系统由于装置存在着固有原因，使得测量速度慢；
2、频谱利用率低；
3、信噪比相对较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在扫描相同多个频率时，扫频次数减少一半，每次测量都会减少秒量级的时间，提高了测量速度，改善了测量的准确度的相干OTDR装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种相干OTDR装置，包括计算机、频率综合器、马赫-曾德尔调制器、激光器、波形发生卡、声光驱动器、声光调制器、EDFA、环形器、传感光纤、1:99分束器、50:50合束器、光电探测器、DWDM和采集卡；
所述的计算机分别与频率综合器、波形发生卡和采集卡相连，频率综合器的射频信号输出端与马赫-曾德尔调制器的射频信号输入端连接，激光器的光源输出端与马赫-曾德尔调制器的光源输入端相连，马赫-曾德尔调制器的光源输出端与1:99分束器的输入端连接；
波形发生卡的信号输出端分别与采集卡的触发信号输入端和声光驱动器的信号输入端连接，声光驱动器的信号输出端与声光调制器的调制信号输入端连接，1:99分束器的99％输出端与声光调制器的光源输入端连接，声光调制器的光源输出端与EDFA的光源输入端连接，EDFA的光源输出端与环形器的一个端口连接，环形器的第二个端口与传感光纤连接；
1:99分束器的1％输出端与50:50合束器的一个输入端连接，环形器的第三个端口与50:50合束器的另一个输入端连接，50:50合束器的输出端与DWDM的输入端连接，DWDM的长波长输出端与第一光电探测器的输入端连接，DWDM的短波长输出端与第二光电探测器的输入端连接，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与采集卡相连，采集卡的输出与计算机连接。
进一步地，所述的计算机通过串口与频率综合器相连，计算机通过PCI接口连接波形发生卡，采集卡通过PCI接口与计算机连接。
进一步地，所述的采集卡为双通道采集卡，第一探测器的输出端与双通道采集卡的通道0连接，第二探测器的输出端与双通道采集卡的通道1连接。
进一步地，所述的激光器为窄线宽激光器。
本实用新型的有益效果是：
1、提供了一种改进型的相干OTDR装置，该相干OTDR装置采用了马赫-曾德尔调制器和DWDM，计算机每次向频率综合器发送一个频率f相应的命令后，马赫-曾德尔调制器都对频率为f0的窄线宽激光进行相应的上下移频，产生两种频率f0+f和f0-f的激光，这两种频率的激光在光纤中传播时产生受外界调制的对应频率的后向瑞利光，最后通过DWDM后，频率为f0+f和f0-f的瑞利光将被分离出来，在扫描相同多个频率时，本实用新型的扫频次数减少了一半，每次测量都会减少秒量级的时间，从而提高了测量速度，改善了测量的准确度；
2、采用了双边带的方式，增大了频谱的利用率；
3、DWDM能够分离位于两种不同频带的后向瑞利散射信号、以及滤除带宽之外的噪声，提高了信噪比。
附图说明
图1为本实用新型的相干OTDR装置结构示意图；
图2为本实用新型的相干OTDR装置的控制流程图；
图3为本实用新型的相干OTDR装置中马赫-曾德尔调制器调制激光图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。
如图1所示，一种相干OTDR装置，包括计算机、频率综合器、马赫-曾德尔调制器、激光器、波形发生卡、声光驱动器、声光调制器、EDFA、环形器、传感光纤、1:99分束器、50:50合束器、光电探测器、DWDM和采集卡；
所述的计算机分别与频率综合器、波形发生卡和采集卡相连，频率综合器的射频信号输出端与马赫-曾德尔调制器的射频信号输入端连接，激光器的光源输出端与马赫-曾德尔调制器的光源输入端相连，马赫-曾德尔调制器的光源输出端与1:99分束器的输入端连接；
波形发生卡的信号输出端分别与采集卡的触发信号输入端和声光驱动器的信号输入端连接，声光驱动器的信号输出端与声光调制器的调制信号输入端连接，1:99分束器的99％输出端与声光调制器的光源输入端连接，声光调制器的光源输出端与EDFA的光源输入端连接，EDFA的光源输出端与环形器的一个端口连接，环形器的第二个端口与传感光纤连接；
1:99分束器的1％输出端与50:50合束器的一个输入端连接，环形器的第三个端口与50:50合束器的另一个输入端连接，50:50合束器的输出端与DWDM的输入端连接，DWDM的长波长输出端与第一光电探测器的输入端连接，DWDM的短波长输出端与第二光电探测器的输入端连接，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与采集卡相连，采集卡的输出与计算机连接。
进一步地，所述的计算机通过串口与频率综合器相连，计算机通过PCI接口连接波形发生卡，采集卡通过PCI接口与计算机连接。
进一步地，所述的采集卡为双通道采集卡，第一探测器的输出端与双通道采集卡的通道0连接，第二探测器的输出端与双通道采集卡的通道1连接。
进一步地，所述的激光器为窄线宽激光器。
本实用新型所述的计算机采用通用的控制计算机即可完成；频率综合器的频率控制范围要求20GHz到80GHz；马赫-曾德尔调制器的调制带宽要求大于45GHz；激光器要求线宽小于等于2kHz，输出功率选用20.5mW，并能调节中心波长，使其为1550.12nm；波形发生卡选用能够产生重频为2kHz；最小脉冲宽度100ns的脉冲信号；声光调制器选用最小工作波长为1530nm，最大工作波长为1565nm的调制器，同时配套相应的声光驱动器；EDFA选用输出饱和功率为23dBm的器件；环形器要求其工作在C+L波段，隔离度>40dB，承受功率<500mW；DWDM要求通道间隔100GHz，中心波长宽度0.3nm；采集卡选用可外触发的大动态输入外围的双通道采集卡。
如图2所示，本实用新型的相干OTDR装置控制过程如下：
第一步，系统初始化，设置扫频步长Δf、终止频率fT、扫频次数n＝1及触发脉冲的宽度和重复频率；
第二步，检查频率综合器、波形发生卡和双通道采集卡是否存在，若不存在，则返回到第一步，若存在则进行下一步；
第三步，通过PCI接口，计算机向波形发生卡发送即将产生的脉冲信号的波形参数命令并启动波形发生卡；
第四步，设置扫描频率f＝fT-M·Δf；
第五步，通过串口，计算机向频率综合器发送脉冲光需要的频率f对应的命令，并启动采集卡采集数据；
第六步，等待50ms；
第七步，查询双通道采集卡的采集标志，若双通道采集卡的采集状态仍处于采集状态，则跳转到第六步，继续等待直到采集结束，否则进行下一步；
第八步，将双通道采集卡采集到的数据存储在上层应用程序预留的对应的存储空间，然后将发送频率f增加一个扫频步长Δf；
第九步，判断即将发送的发送频率f是否超过终止频率fT，如果没有超过，则跳转到第五步，否则进行下一步；
第十步，将扫频次数n加1，设置扫描频率f＝fT-L·Δf；
第十一步，判断扫频次数n是否小于3，如若是，则跳转到第五步，否则进行下一步；
第十二步，求解互相光系数矩阵，查找互相关系数最大值对应的频移量，反推出温度应变的变化量，并在应用程序的界面实时显示温度应变信息；
第十三步，重新设置扫频次数n＝1，并跳转到第四步。
如图3所示，本实用新型的相干OTDR经过如上图2的控制过程，当扫频次数n为1时，马赫-曾德尔调制器对频率为f0的窄线宽激光进行相应的上下移频产生如图3上图中实线从频率(fT-M·Δf)到频率fT的激光，这次扫频过程的带宽为M·Δf；当扫频次数n为2时，马赫-曾德尔调制器对频率为f0的窄线宽激光进行相应的上下移频产生如图3下图中实线从频率(fT-L·Δf)到频率fT的激光，该扫频过程的带宽为L·Δf。图3下图中从频率f0到频率(f0+N·Δf)带宽为N·Δf的部分为未扫频被马赫-曾德尔调制器部分，其要求N＞2*M。
本实用新型与现有的相干OTDR最大不同的是，本实用新型采用了马赫-曾德尔调制器和DWDM。计算机通过串口每次向频率综合器发送一个频率f相应的命令后，马赫-曾德尔调制器都对频率为f0的窄线宽激光进行相应的上下移频，产生两种频率不同的激光，即频率为f0+f和f0-f的激光，这两种频率的激光在光纤中传播时产生受外界调制的对应频率的后向瑞利光，最后通过DWDM后，频率为f0+f和f0-f的瑞利光将被分离出来。而现有的相干OTDR，每次只能产生一种频率移动的频率为f0+f或者f0-f的激光。在扫描相同多个频率时，很显然，本实用新型扫频次数将减少一半。现有的相干OTDR通常每次测量需要扫频有几百次(受测量范围和精度控制)，而且每次扫频到采集数据需要几百毫秒(受采集卡的采集速度和采集数据的长度的影响)，很显然，每次测量，本实用新型将会减少秒量级的时间。另外，双边带的利用增大了频谱的利用率。DWDM在本实用新型所起的作用有两点，第一点，分离位于两种不同频带的后向瑞利散射信号；第二点，DWDM可以滤除带宽之外的噪声，提高了信噪比。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种相干OTDR装置，其特征在于，包括计算机、频率综合器、马赫-曾德尔调制器、激光器、波形发生卡、声光驱动器、声光调制器、EDFA、环形器、传感光纤、1:99分束器、50:50合束器、光电探测器、DWDM和采集卡；
所述的计算机分别与频率综合器、波形发生卡和采集卡相连，频率综合器的射频信号输出端与马赫-曾德尔调制器的射频信号输入端连接，激光器的光源输出端与马赫-曾德尔调制器的光源输入端相连，马赫-曾德尔调制器的光源输出端与1:99分束器的输入端连接；
波形发生卡的信号输出端分别与采集卡的触发信号输入端和声光驱动器的信号输入端连接，声光驱动器的信号输出端与声光调制器的调制信号输入端连接，1:99分束器的99％输出端与声光调制器的光源输入端连接，声光调制器的光源输出端与EDFA的光源输入端连接，EDFA的光源输出端与环形器的一个端口连接，环形器的第二个端口与传感光纤连接；
1:99分束器的1％输出端与50:50合束器的一个输入端连接，环形器的第三个端口与50:50合束器的另一个输入端连接，50:50合束器的输出端与DWDM的输入端连接，DWDM的长波长输出端与第一光电探测器的输入端连接，DWDM的短波长输出端与第二光电探测器的输入端连接，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与采集卡相连，采集卡的输出与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种相干OTDR装置，其特征在于，所述的计算机通过串口与频率综合器相连，计算机通过PCI接口连接波形发生卡，采集卡通过PCI接口与计算机连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种相干OTDR装置，其特征在于，所述的采集卡为双通道采集卡，第一光电探测器的输出端与双通道采集卡的通道0连接，第二光电探测器的输出端与双通道采集卡的通道1连接。
4.根据权利要求1所述的一种相干OTDR装置，其特征在于，所述的激光器为窄线宽激光器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107990970A (zh) * 2017-11-03 2018-05-04 上海交通大学 消除分布式光纤声波系统中衰落噪声的方法
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