CN206496768U - 一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，包括激光器、单边带调制器SSBM、声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFAI、掺铒光纤放大器EDFAII、任意波形发生器AWG、光纤环形器、光纤布拉格光栅滤波器FBG、光电探测器、数据采集模块和待测光纤；本实用新型使用线性调频脉冲而非扫频方式，减少了测量时间，大大提高了系统的动态性能；采用外调制的方案实现对连续激光的线性调频，其优势在于可以保证频率变化具有良好的线性度，提升系统对应变/温度的测量精度；本实用新型方案中只需测量后向瑞利散射信号的强度信息，不需要进一步的解调算法，本实用新型方案方便可行，系统结构也比较简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及相位敏感光时域反射计，尤其涉及一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计。
背景技术
分布式光纤传感技术以传感光纤自身同时作为信息传输媒介和感测单元，采用先进的方法技术，可以实现对光纤通路上几十万个点处外界物理量的同时测量，而且光纤本身具有体积小，重量轻，耐腐蚀，电绝缘，成本低，无源，可绕性好等特点，这决定了分布式光纤传感系统相比于普通电学传感器具有无可比拟的优势：耐腐蚀，绝缘性好，抗强电磁干扰；体积小且重量轻，具有可塑外形；灵敏度高；测量对象广泛；便于组网，复用；成本低廉；适用于长距离，大范围监测。
相位敏感光时域反射计作为分布式光纤传感技术的一种，具有以上分布式光纤传感技术的所有优势，另外相位敏感光时域反射计区别于传统的光时域反射技术，它使用的是窄线宽光源，以保证光纤中的后向瑞利散射光之间高度相干。同时，窄线宽光源保证了系统能够响应后向瑞利散射光相位变化信息，并且光源线宽越窄，散射信号间干涉越强，系统响应外界变化的敏感程度也越高，通过解调后向散射信号的幅度信息，可以对有外界扰动的位置进行精确定位，目前相位敏感光时域反射计技术已经广泛应用于周界安防监测领域。例如，2011年7月29日申请的、公开号为CN102280001B的中国专利“基于Φ-OTDR 的分布式光纤围栏入侵检测与定位方法”和2015年1月4日申请的、公开号为 CN104574742A的中国专利“一种基于Φ-OTDR技术的光纤周界安防系统”。虽然Φ-OTDR 技术优势众多，但是由于其后向散射信号的幅度是由脉冲宽度内散射光相干叠加成的，由于光纤的折射率分布并不均匀，其干涉叠加具有随机性，因此幅度变化与应变之间的定量关系很难确定，因此对于诸如应变、温度等需要定量测量的物理参量，以上技术方案就无法实现了。
国内外研究人员针对以上问题寻求相应解决方案。2009年，Yahei研究员提出通过对激光光源扫频的办法补偿由于应变或温度导致的相位改变，使其散射信号波形完全恢复，进而实现应变或温度精确定量监测，但是这种技术方案扫频过程耗时较长，难以实现动态应变监测(Yahei,Mutsumi,Kenya,Kazuo.Feiber-Optic Distributed Strain andTemperature Sensing With Very High Measurand Resolution Over Long Range UsingCoherent OTDR[J].IEEE Journal of Lightwave Technology.2009,27(9):1142-1146.)。另一种技术方案是通过解调后向瑞利散射光的相位，建立相位与应变或温度之间的定量关系，进而实现定量测量。例如，2015年9月18日申请的、公开号为CN105222815A的中国专利“基于120度相差干涉仪的相位敏感光时域反射计”，以及采用相干探测和IQ解调技术解调后向瑞利散射光相位，实现纳应变定量测量(Dong Yongkang,et al. Quantitativemeasurement of dynamic nanostrain based on a phase-sensitive optical timedomain reflectometer[J].Applied Optics,2016,55(28):7810-7815.)，但是以上两种技术方案需要解调相位信息，因此其系统结构和解调算法比较复杂。
发明内容
本实用新型的目的是针对目前技术方案动态性能低、解调技术复杂等问题，提供一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，具有结构简单、解调技术方便可行、实时动态分布式相位敏感光时域反射计，可适用于应变、温度、振动的实时动态定量监测。
实用新型技术方案：
一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，包括激光器、单边带调制器SSBM、声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFAI、掺铒光纤放大器EDFAII、任意波形发生器AWG、光纤环形器、光纤布拉格光栅滤波器FBG、光电探测器、数据采集模块和待测光纤；
所述激光器的输出端与所述单边带调制器SSBM的输入端连接，用于激光器输出的窄线宽的单频连续激光进入单边带调制器SSBM中；
所述任意波形发生器AWG位于所述单边带调制器SSBM上方，用于任意波形发生器AWG 输出频率线性变化的微波信号加载到单边带调制器SSBM上；所述任意波形发生器AWG还与所述声光调制器AOM连接，用于任意波形发生器AWG输出脉冲信号将连续激光调制为脉冲光；
所述单边带调制器SSBM的输出端与所述声光调制器AOM的输入端连接，用于激光进行线性调频后进入声光调制器AOM中；
所述声光调制器AOM的输出端与所述掺铒光纤放大器EDFAI的输入端连接，所述掺铒光纤放大器EDFAI的输出端与所述光纤环形器第一输出端口连接，用于将脉冲光通过所述掺铒光纤放大器EDFAI将功率进行放大，再通过所述光纤环形器第一输出端口进入待测光纤；
所述光纤环形器第三输出端口与掺铒光纤放大器EDFAII的输入端连接，之后通过掺铒光纤放大器EDFAII对后向瑞利散射光信号进行放大；
所述掺铒光纤放大器EDFAII的输出端与所述光纤布拉格光栅滤波器FBG的输入端连接，所述光纤布拉格光栅滤波器FBG的输出端与所述光电探测器的输入端连接，用于所述光纤布拉格光栅滤波器FBG滤除自发辐射噪声，经所述光电探测器探测转化为电信号；
所述光电探测器的输出端与所述数据采集模块连接，通过所述数据采集模块进行数据采集与数据分析；同时所述任意波形发生器AWG同步输出线性调频的微波信号和脉冲调制信号，同步触发数据采集模块进行数据采集。
进一步地：线性调频脉冲光在所述待测光纤中传播时，将不断发生瑞利散射作用，且后向瑞利散射光在脉冲宽度内相互干涉叠加，后向瑞利散射光信号通过所述光纤环形器第二输出端口，并从所述光纤环形器3端口输出。
进一步地：激光脉冲采用了线性调频，在脉冲宽度内，激光频率是随时间线性变化的。进一步地：采用的任意波形发生器AWG带宽为32GHz，但受限于单边带调制器的带宽和探测器带宽，实际的线性调频范围为20GHz。
进一步地：所述光纤布拉格光栅FBG之间的中心波长相差1-10nm。
本实用新型对于现有技术具有以下有益效果：一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，使用线性调频脉冲而非扫频方式，减少了测量时间，大大提高了系统的动态性能；采用外调制的方案实现对连续激光的线性调频，其优势在于可以保证频率变化具有良好的线性度，提升系统对应变/温度的测量精度；另外采用的任意波形发生器AWG带宽为32GHz，但受限于单边带调制器的带宽和探测器带宽，实际的线性调频范围为20GHz，大大扩展了系统的应变/温度测量范围；本实用新型方案中只需测量后向瑞利散射信号的强度信息，不需要进一步的解调算法，本实用新型方案方便可行，系统结构也比较简单。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构示意图；
图2是线性调频脉冲经待测光纤散射后的后向瑞利散射波形示意图；
图3是施加不同应变情况下后向瑞利散射波形平移实验结果示意图；
图中1-激光器；2-单边带调制器SSBM；3-声光调制器AOM；4-掺铒光纤放大器EDFAI； 5-掺铒光纤放大器EDFAII；6-任意波形发生器AWG；7-光纤环形器；8-光纤布拉格光栅滤波器FBG；9-光电探测器；10-数据采集模块；11-待测光纤。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。
一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，包括激光器1、单边带调制器SSBM2、声光调制器AOM3、掺铒光纤放大器EDFAI4、掺铒光纤放大器EDFAII5、任意波形发生器AWG6、光纤环形器7、光纤布拉格光栅滤波器FBG8、光电探测器9、数据采集模块 10和待测光纤11；
所述激光器1的输出端与所述单边带调制器SSBM2的输入端连接，用于激光器1输出的窄线宽的单频连续激光进入单边带调制器SSBM2中；
所述任意波形发生器AWG6位于所述单边带调制器SSBM2上方，用于任意波形发生器 AWG6输出频率线性变化的微波信号加载到单边带调制器SSBM2上；所述任意波形发生器AWG6还与所述声光调制器AOM3连接，用于任意波形发生器AWG6输出脉冲信号将连续激光调制为脉冲光；
所述单边带调制器SSBM2的输出端与所述声光调制器AOM3的输入端连接，用于激光进行线性调频后进入声光调制器AOM3中；
所述声光调制器AOM3的输出端与所述掺铒光纤放大器EDFAI4的输入端连接，所述掺铒光纤放大器EDFAI4的输出端与所述光纤环形器7第一输出端口连接，用于将脉冲光通过所述掺铒光纤放大器EDFAI4将功率进行放大，再通过所述光纤环形器7第一输出端口进入待测光纤11；
所述光纤环形器7第三输出端口与掺铒光纤放大器EDFAII5的输入端连接，之后通过掺铒光纤放大器EDFAII5对后向瑞利散射光信号进行放大；
所述掺铒光纤放大器EDFAII5的输出端与所述光纤布拉格光栅滤波器FBG8的输入端连接，所述光纤布拉格光栅滤波器FBG8的输出端与所述光电探测器9的输入端连接，用于所述光纤布拉格光栅滤波器FBG8滤除自发辐射噪声，经所述光电探测器9探测转化为电信号；
所述光电探测器9的输出端与所述数据采集模块10连接，通过所述数据采集模块10 进行数据采集与数据分析；同时所述任意波形发生器AWG6同步输出线性调频的微波信号和脉冲调制信号，同步触发数据采集模块10进行数据采集。
具体地，线性调频脉冲光在所述待测光纤中传播时，将不断发生瑞利散射作用，且后向瑞利散射光在脉冲宽度内相互干涉叠加，后向瑞利散射光信号通过所述光纤环形器7第二输出端口，并从所述光纤环形器7第三输出端口输出。
具体地，激光脉冲采用了线性调频，在脉冲宽度内，激光频率是随时间线性变化的。
具体地，采用的任意波形发生器AWG6带宽为32GHz，但受限于单边带调制器的带宽和探测器带宽，实际的线性调频范围为20GHz。
具体地，所述光纤布拉格光栅FBG8之间的中心波长相差1-10nm。
激光器输出的窄线宽的单频连续激光进入单边带调制器SSBM中，任意波形发生器输出频率线性变化的微波信号加载到单边带调制器SSBM上，对激光进行线性调频，之后进入声光调制器AOM中，任意波形发生器输出脉冲信号将连续激光调制为脉冲光，通过掺铒光纤放大器EDFAI将脉冲光功率进行放大，通过光纤环形器第一输出端口进入待测光纤；
线性调频脉冲光在待测光纤中传播时，将不断发生瑞利散射作用，后向瑞利散射光在脉冲宽度内相互干涉叠加，后向瑞利散射光信号通过光纤环形器第二输出端口，并从光纤环形器第三输出端口输出，之后通过掺铒光纤放大器EDFAII对后向瑞利散射光信号进行放大，并通过光纤布拉格光栅滤波器FBG滤除自发辐射噪声，之后经光电探测器探测转化为电信号，通过数据采集模块进行数据采集与数据分析；
任意波形发生器AWG同步输出线性调频的微波信号和脉冲调制信号，并同步触发数据采集模块进行数据采集。
图3是施加不同应变情况下后向瑞利散射波形平移实验结果示意图。1nε表示单位长度为1m的光纤发生1nm形变(伸长或缩短)时所产生的应变大小。在光纤10m-20m处，对光纤均匀施加应变，该处散射信号波形由右至左发生均匀移动，进而实现应变的定量测量。
本实用新型的优点在于使用线性调频脉冲而非扫频方式，减少了测量时间，大大提高了系统的动态性能；采用外调制的方案实现对连续激光的线性调频，其优势在于可以保证频率变化具有良好的线性度，提升系统对应变/温度的测量精度；另外采用的任意波形发生器AWG带宽为32GHz，但受限于单边带调制器的带宽和探测器带宽，实际的线性调频范围为20GHz，大大扩展了系统的应变/温度测量范围；方案中只需测量后向瑞利散射信号的强度信息，不需要进一步的解调算法，因此解调方案方便可行，系统结构也比较简单。
Claims (5)
1.一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，其特征在于，包括激光器(1)、单边带调制器SSBM(2)、声光调制器AOM(3)、掺铒光纤放大器EDFAI(4)、掺铒光纤放大器EDFAII(5)、任意波形发生器AWG(6)、光纤环形器(7)、光纤布拉格光栅滤波器FBG(8)、光电探测器(9)、数据采集模块(10)、待测光纤(11)；
所述激光器(1)的输出端与所述单边带调制器SSBM(2)的输入端连接，用于激光器(1)输出的窄线宽的单频连续激光进入单边带调制器SSBM(2)中；
所述任意波形发生器AWG(6)位于所述单边带调制器SSBM(2)上方，用于任意波形发生器AWG(6)输出频率线性变化的微波信号加载到单边带调制器SSBM(2)上；所述任意波形发生器AWG(6)还与所述声光调制器AOM(3)连接，用于任意波形发生器AWG(6)输出脉冲信号将连续激光调制为脉冲光；
所述单边带调制器SSBM(2)的输出端与所述声光调制器AOM(3)的输入端连接，用于激光进行线性调频后进入声光调制器AOM(3)中；
所述声光调制器AOM(3)的输出端与所述掺铒光纤放大器EDFAI(4)的输入端连接，所述掺铒光纤放大器EDFAI(4)的输出端与所述光纤环形器(7)第一输出端口连接，用于将脉冲光通过所述掺铒光纤放大器EDFAI(4)将功率进行放大，再通过所述光纤环形器(7)第一输出端口进入待测光纤(11)；
所述光纤环形器(7)第三输出端口与掺铒光纤放大器EDFAII(5)的输入端连接，之后通过掺铒光纤放大器EDFAII(5)对后向瑞利散射光信号进行放大；
所述掺铒光纤放大器EDFAII(5)的输出端与所述光纤布拉格光栅滤波器FBG(8)的输入端连接，所述光纤布拉格光栅滤波器FBG(8)的输出端与所述光电探测器(9)的输入端连接，用于所述光纤布拉格光栅滤波器FBG(8)滤除自发辐射噪声，经所述光电探测器(9)探测转化为电信号；
所述光电探测器(9)的输出端与所述数据采集模块(10)连接，通过所述数据采集模块(10)进行数据采集与数据分析；同时所述任意波形发生器AWG(6)同步输出线性调频的微波信号和脉冲调制信号，同步触发数据采集模块(10)进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，其特征在于，线性调频脉冲光在所述待测光纤中传播时，将不断发生瑞利散射作用，且后向瑞利散射光在脉冲宽度内相互干涉叠加，后向瑞利散射光信号通过所述光纤环形器(7)第二输出端口，并从所述光纤环形器(7)第三输出端口输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，其特征在于，激光脉冲采用了线性调频，在脉冲宽度内，激光频率是随时间线性变化的。
4.根据权利要求3所述的一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，其特征在于，采用的任意波形发生器AWG(6)带宽为32GHz，但受限于单边带调制器的带宽和探测器带宽，实际的线性调频范围为20GHz。
5.根据权利要求4所述的一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述光纤布拉格光栅FBG(8)之间的中心波长相差1-10nm。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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