CN206496836U - 一种基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，该系统由激光器、耦合器、声光调制器、电光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器、环形器、平衡探测器、功率均分器、数据采集卡等组成；平衡探测器1将接收到的调制光与本振光的拍频信号转化为交流信号，平衡探测器2将接收到的瑞利光与本振光的拍频信号转化为交流信号，两部分交流信号分别通过功率均分器1、2，两两进行混频，输出的交流信号通过数据采集卡转化为数字信号，在计算机中进行数字信号处理；本实用新型系统用干涉参考臂产生的不包含振动信息的拍频信号来跟踪探测臂中频率的漂移和相位的变化，可以有效克服被测信号失真现象，从而获得稳定的振动信号强度和频率信息，提高振动源的识别率。

Description

一种基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统

技术领域

本实用新型涉及一种分布式光纤振动传感系统，特别是涉及一种基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统。

背景技术

目前，相位敏感光时域反射技术发展迅速，它可以实现多点扰动的实时监测，具有灵敏度高、动态范围宽，抗电磁干扰特性强等优点，因此可以对周界入侵，管道安全，土木结构健康，火车运行状态等多个领域进行安全监测和实时预警。针对该项技术的研究已由多点精准定位转向信号的准确识别，以降低系统误报率。

相位敏感光时域反射技术的实现主要依赖于两种系统结构：直接检测式和相干检测式。直接检测式的结构和解调方法简单，但是只能检测信号的强度变化，无法满足振动事件识别的需要，于是提出了一种基于相干检测方法的相位敏感光时域反射系统。对于-OTDR系统来说，基于相干检测的信号解调方法主要有两种，包括外差相干检测和数字相干检测。外差检测法使用本振光作参考信号与包含振动信息的探测信号相干，采用复杂的实时同步电路和锁频环来减少由激光器和声光调制器带来的频率飘移所引起的系统波动(在先技术[1]:“Qin,Z.；Chen,L.；Bao,X.Continuous wavelet transform for non-stationary vibration detection with phase-OTDR.”Opt.Express 2012,20, 20459–20465)。另一种方法首先将交流信号转换为数字信号，然后在计算机中进行数字混频，数字滤波，因此数字相干检测需要一个超高采集频率的数据采集卡，同时需要更多的存储空间和数据处理时间，导致数字相干检测方法的实时性较差。(在先技术[2]:“Pan,Z.；Liang,K.；Zhou,J.；Ye,Q.；Cai,H.；Qu,R. Interference-fading-free phase-demodulated OTDRsystem.”，In Proceedings of the 22nd International Conference on Optical FiberSensor,Beijing,China,15–19 October 2012.)。准确获取扰动信号的强度、频率、相位信息是实现扰动信号模式识别的关键，要求参考信号与被测信号之间具有严格的时钟同步以及相对稳定的相位差。

发明内容

本专利中，提出了一种基于双重同源外差相干检测法的相位敏感光时域反射系统。该系统采用干涉参考臂产生的不包含振动信息的拍频信号来跟踪探测臂中频率的漂移和相位的变化，可以有效克服由于系统实时同步性差，激光器频率漂移以及声光调制器温度适应性差引起的被测信号失真现象。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于双重同源外差相干检测法的相位敏感光时域反射系统，特点在于其构成结构包括：窄线宽、低频飘、低相位噪声、低相对强度噪声的外腔半导体激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、声光调制器4、声光调制器驱动电源5、第三光纤耦合器6、第四光纤耦合器7、第一平衡放大探测器8、第一带通滤波器9、第一功率均分器10、电光调制器11、掺铒光纤放大器12、第二带通滤波器13、环形器14、传感光纤15、第五光纤耦合器16、第二平衡放大器17、第三带通滤波器18、第二功率均分器19、第一混频器20、第一低通滤波器21、第二混频器22、第二低通滤波器23、采集卡24、进程间通信25、数据处理，上述部件的位置关系如下：

通过光纤将所述的外腔半导体激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的第二输出端口与第二光纤耦合器第一输入端连接，第一输出端与声光调制器的输入端连接，该声光调制器的输出端与第三光纤耦合器的第一输入端口相连接，所述的第二光纤耦合器的第一输出端口与第四光纤耦合器的第一输入端口相连接，第三光纤耦合器的第二输出端口与第四光纤耦合器第二输入端口相连接，所述的第四光纤耦合器的第一输出端口，第二输出端口分别连接第一平衡放大探测器的第一输入端口、第二输入端口，该探测器的输出端口与第一带通滤波器输入端相连接，该带通滤波器的输出端与第一功率均分器的输入端相连接，所述的第三光纤耦合器的第一输出端与电光调制器的输入端相连接，该电光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连接，该掺铒光纤放大器的输出端与第二带通滤波器的输入端口连接，该滤波器的输出端口与环形器的第一端口相连接，该环形器的第二端口与传感光纤相连接，该环形器的第三输出端口与第五光纤耦合器的第一输入端口相连接，所述的第二光纤耦合器的第二输出端与第五光纤耦合器的第二输入端相连接，第五光纤耦合器的第一输出端和第二输出端分别和第二平衡放大器的第一输入端、第二输入端相连接，该探测器的输出端口与第三带通滤波器输入端相连接，该带通滤波器的输出端与第二功率均分器的输入端相连接，所述的第一功率均分器的第一输出端和第二功率均分器的第一输出端分别连接第一混频器的第一端口和第二端口。该混频器的输出端口接第一低通滤波器的输入端口，所述的第一功率均分器的端和第二功率均分器的端分别接第二混频器的第一端口、第二端口，该混频器的输出端口接第二低通滤波器的输入端口，所述的第一、第二低通滤波器的输出端口分别接采集卡的第一输入端口，第二输入端口。该采集卡的输出端口接电光调制器，采集卡的输出端口与计算机相连。所述的声光调制器的调制端与直流标准TTL电源相连。

基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于该系统采用干涉参考臂产生的不包含振动信息的拍频信号来跟踪探测臂中频率的漂移和相位的变化，可以有效克服由于采集卡与频率调制器间实时同步性差，激光器频率漂移，声光调制器温度适应性差引起的被测信号失真现象。

对于该系统，干涉参考臂中拍频信号的形成：

由外腔半导体激光器1发出的连续光经第一光纤耦合器后2，10％那部分的本振光场强为E_L(t)＝E_Lexp j[w_Lt+Φ_L(t)]，经第二光纤耦合器3后与第三光纤耦合器6输出的被声光调制器4调制后的连续光的10％在第四光纤耦合器7 中干涉，输出的光场强可以表示为

这里E_L、w_L、，Φ_L(t)，分别是本振光的振幅、角频率、初始相位。E_L,A(t) 为输出的干涉振幅，I_L,A(t)为输出的干涉光强，E_A、w_A分别为被声光调制器4 调制了的光的振幅、角频率，Δw和Φ(t)是由于采集卡与频率调制器间实时同步性差，激光器频率漂移，声光调制器4温度适应性差引起的光的角频率转移和相位变化。

该系统中的干涉参考臂，本振光与被声光调制器4调制了的连续探测光通过相干得到拍频信号，获取消除本振光角频率w_L和初始相位Φ_L(t)的信号。

对于该系统，探测臂中包含振动信息的拍频信号的形成：

由外腔半导体激光器1发出的连续光经过第一光纤耦合器2分光后，90％的探测光进入声光调制器4，被移频后的连续光，经电光调制器11被斩波为脉冲光，再经掺铒光纤放大器12、第一带通滤波器13，光脉冲经过环形器14 注入到传感光纤15，携带振动信号的背向瑞利散射光与从第二光纤耦合器3 输出的本振光在第五光纤耦合器16中干涉，输出的含有振动信息的拍频信号可以表示为

E_L,S(t)为输出的干涉振幅，I_L,s(t)为输出的干涉光强，r为瑞利散射的振幅， E_S为探针光脉冲，包含脉冲形状函数，γ为由光源线宽决定的相干因子，α为光纤损耗，z为光纤中的位置点，θ为偏离本振光波的偏振角度，φ(t)为探测光的传输相移和散射相移之和。

对于系统中的探测臂，其特征在于本振光与携带振动信息的瑞利散射光通过相干得到拍频信号，获取消除本振光角频率w_L和初始相位Φ_L(t)且包含振动信息的信号。

对于该系统，其特征在于四种信号在混频器中混频：

第四光纤耦合器7输出的拍频信号经光平衡放大探测器8、第一低通滤波器9被第一功率均分器10分为两部分I₁(t)和I₂(t)，其中第二路作的相位转移，第二平衡放大光电探测器17输出的交流信号、通过第三低通滤波器18 被第二功率均分器19分为两部分I₃(t)和I₄(t)。然后I₃(t)和I₁(t)在第一混频器20 中混频，I₂(t)和I₄(t)在第二混频器21中混频，混频器20、21输出的拍频信号可表示为

I₁(t)·I₃(t)＝A·B[cos(2(w_At+Φ(t)+φ(t))+cos(φ(t)))]

I₂(t)·I₄(t)＝A·B[sin(2(w_At+Φ(t)+φ(t))+sin(φ(t)))]

A＝2E_LE_A，B＝rγE_LE_Se^-αzcos(θ)

然后低通滤波，隔离信号中的高频部分，得到振动信号的强度和相位信息，经过计算得到振动信号的强度和相位信息，再通过相位解调处理得到频率。

与同类系统相比，本实用新型具有如下优点：

1.采用该结构的相位敏感光时域反射系统，可获得稳定的振动信号强度、频率，增加系统频率响应范围，从而为振动源的准确识别提供可靠的数据支持。

2.该系统采用干涉参考臂产生的不包含振动信息的拍频信号来跟踪探测臂中频率的漂移和相位的变化，可以有效克服由于采集卡与频率调制器间实时同步性差，激光器频率漂移，声光调制器温度适应性差引起的被测信号失真现象。

3.该系统还可以简化和缩短系统的反应时间，提高数据处理效率，且占用内存少，不需要高速数据采集设备，降低系统成本。

附图说明

图1是本实用新型基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统的结构示意图。

图2是对振动信号解调的数字信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本实用新型进行进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

图1是基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统的结构示意图。其特征在于系统结构包括：外腔半导体激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、声光调制器4、声光调制器驱动电源5、第三光纤耦合器 6、第四光纤耦合器7、第一平衡放大探测器8、第一带通滤波器9、第一功率均分器10、电光调制器11、掺铒光纤放大器12、第二带通滤波器13、环形器14、传感光纤15、第五光纤耦合器16、第二平衡放大探测器17、第三带通滤波器18、第二功率均分器19、第一混频器20、第一低通滤波器21、第二混频器22、第二低通滤波器23、采集卡24。

通过光纤将所述的外腔半导体激光器1的输出端与第一光纤耦合器2的输入端201连接，第一光纤耦合器2的第二输出端口203与第二光纤耦合器3 第一输入端301连接，第一输出端202与声光调制器4的输入端连接，该声光调制器4的输出端与第三光纤耦合器6的第一输入端口601相连接，所述的第二光纤耦合器5的第一输出端口502与第四光纤耦合器7的第一输入端口701相连接，第三光纤耦合器6的第二输出端口603与第四光纤耦合器7 第二输入端口702相连接，所述的第四光纤耦合器7的第一输出端口703，第二输出端口704分别连接第一平衡放大探测器8的第一输入端口801、第二输入端口802，该探测器8的输出端口803与第一带通滤波器9输入端相连接，该带通滤波器9的输出端与第一功率均分器10的输入端1001相连接，所述的第三光纤耦合器6的第一输出端602与电光调制器11的输入端相连接，该电光调制器11的输出端与掺铒光纤放大器12的输入端相连接，该掺铒光纤放大器12的输出端与第二带通滤波器13的输入端口连接，该滤波器13的输出端口与环形器14的第一端口1401相连接，该环形器的第二端口1402与传感光纤15相连接，该环形器的第三输出端口1403与第五光纤耦合器16的第一输入端口1601相连接，，所述的第二光纤耦合器3的第二输出端303与第五光纤耦合器16的第二输入端1602相连接，第五光纤耦合器16的第一输出端1603和第二输出端1604分别和第二平衡放大器17的第一输入端1701、第二输入端1702相连接，该探测器17的输出端口1703与第三带通滤波器18 输入端相连接，该带通滤波器18的输出端与第二功率均分器19的输入端1901 相连接，所述的第一功率均分器的1002端和第二功率均分器的1902端分别连接第一混频器20的第一端口2001和第二端口2002。该混频器20的输出端口2003接第一低通滤波器21的输入端口，所述的第一功率均分器的1003端和第二功率均分器的1903端分别接第二混频器22的第一端口2201、第二端口2202，该混频器的输出端口2203接第二低通滤波器23的输入端口，所述的第一、第二低通滤波器21，23的输出端口分别接采集卡24的第一输入端口2401，第二输入端口2402。该采集卡的输出端口2403接电光调制器，采集卡24的输出端口与计算机相连。所述的声光调制器的调制端与直流标准 TTL电源相连。

所述的第一光纤耦合器2为90：10的光纤耦合器，该耦合器起到分光的作用，将光源发出的连续光分成两路，90％的光作为探测光，10％的光作为本振光。

实施例:

光源1是中心波长1550.12nm，低线宽、低频飘、低相位噪声、低相对强度噪声的外腔半导体激光器1，光源的作用是提供探测光和本振光，通过第一光纤耦合器2分光的办法将光源1输出的光分成两路，即一路用作探测光，进入传感光纤引起后向瑞利散射。另一路用作本振光，与散射回来的瑞利光相干形成带有振动信息的拍频信号，起到了相干放大的作用。

第一光纤耦合器2是一个90：10的光纤耦合器，该耦合器起到分光的作用，也就是将光源1发出的连续光从201端口进入第一光纤耦合器2后分成两路，一路用作探测光从202端口输出，另一路用作本振光从203输出，探测光和本振光的功率比为90：10.。

第二光纤耦合器3是一个50：50的光纤耦合器，该耦合器起到分光作用，也就是将第一光纤耦合器2输出的本振光，分为功率相等的两部分。

声光调制器4带有声光调制器驱动电源模块5，用3.3V的偏置电压作声光调制器的终端射频驱动，声光调制器4将第一光纤耦合器2的第一输出端口202输出的连续光的频率相对于输入的连续光产生了一个80M频移量，也就是将光源1输出的光经第一光纤耦合器2分成两路之后，其中用作探测光的一路的光被移频。

第三光纤耦合器6具有601，602，603共三个端口，第三光纤耦合器6 是一个90：10的光纤耦合器，该耦合器起到分光的作用，将从声光调制器3 发出的连续调制光从601端口进入第三光线耦合器6，一路继续用作探测光从端口602输出，另一路用作和本振光干涉，从端口603输出，探测光和用作干涉的光的功率比为90:10。

Claims (7)

1.一种基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：其结构包括外腔半导体激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)声光调制器(4)、声光调制器驱动电源(5)、第三光纤耦合器(6)、第四光纤耦合器(7)、第一平衡放大探测器(8)、第一带通滤波器(9)、第一功率均分器(10)、电光调制器(11)、掺铒光纤放大器(12)、第二带通滤波器(13)、环形器(14)、传感光纤(15)、第五光纤耦合器(16)、第二平衡放大探测器(17)、第三带通滤波器(18)、第二功率均分器(19)、第一混频器(20)、第一低通滤波器(21)、第二混频器(22)、第二低通滤波器(23)、采集卡(24)上述部件的位置关系如下：

通过光纤将所述的外腔半导体激光器(1)的输出端与第一光纤耦合器(2)的输入端(201)连接，第一光纤耦合器(2)的第二输出端口(203)与第二光纤耦合器(3)的第一输入端(301)连接，第一输出端(202)与声光调制器(4)的输入端连接，该声光调制器(4)的输出端与第三光纤耦合器(6)的第一输入端口(601)相连接，所述的第二光纤耦合器(3)的第一输出端口(302)与第四光纤耦合器(7)的第一输入端口(701)相连接，第三光纤耦合器(6)的第二输出端口(603)与第四光纤耦合器(7)第二输入端口(702)相连接，所述的第四光纤耦合器(7)的第一输出端口(703)，第二输出端口(704)分别连接第一平衡放大探测器(8)的第一输入端口(801)、第二输入端口(802)，该探测器(8)的输出端口(803)与第一带通滤波器(9)输入端相连接，该带通滤波器(9)的输出端与第一功率均分器(10)的输入端(1001)相连接，所述的第三光纤耦合器(6)的第一输出端(602)与电光调制器(11)的输入端相连接，该电光调制器(11)的输出端与掺铒光纤放大器(12)的输入端相连接，该掺铒光纤放大器(12)的输出端与第二带通滤波器(13)的输入端口连接，该滤波器(13)的输出端口与环形器(14)的第一端口(1401)相连接，该环形器的第二端口(1402)与传感光纤(15)相连接，该环形器的第三输出端口(1403)与第五光纤耦合器(16)的第一输入端口(1601)相连接，所述的第二光纤耦合器(3)的第二输出端(303)与第五光纤耦合器(16)的第二输入端(1602)相连接，第五光纤耦合器(16)的第一输出端(1603)和第二输出端(1604)分别和第二平衡放大探测器(17)的第一输入端(1701)、第二输入端(1702)相连接，该探测器(17)的输出端口(1703)与第三带通滤波器(18)输入端相连接，该带通滤波器(18)的输出端与第二功率均分器(19)的输入端(1901)相连接，所述的第一功率均分器的第一端(1002)和第二功率均分器的第一端(1902)分别连接第一混频器(20)的第一端口(2001)和第二端口(2002)；该混频器(20)的输出端口(2003)接第一低通滤波器(21)的输入端口，所述的第一功率均分器的第二端(1003)和第二功率均分器的第二端(1903)分别接第二混频器(22)的第一端口(2201)、第二端口(2202)，该混频器的输出端口(2203)接第二低通滤波器(23)的输入端口，所述的第一低通滤波器(21)和第二低通滤波器(23)的输出端口分别接采集卡(24)的第一输入端口(2401)和第二输入端口(2402)；该采集卡的输出端口(2403)接电光调制器，采集卡(24)的输出端口与计算机相连；所述的声光调制器的调制端与直流标准TTL电源相连。

2.根据权利要求1所述的基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：该系统采用干涉参考臂产生的不包含振动信息的拍频信号来跟踪探测臂中频率的漂移和相位的变化，可以有效克服由于采集卡(24)与频率调制器间实时同步性差，激光器(1)频率漂移，声光调制器(4)温度适应性差引起的被测信号失真现象。

3.根据权利要求1所述的基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：干涉参考臂中拍频信号的形成，由外腔半导体激光器(1)发出的连续光经第一光纤耦合器(2)后，10％那部分的本振光(E_L(t)＝E_Lexpj[w_Lt+Φ_L(t)])，经第二光纤耦合器(3)后与第三光纤耦合器(6)输出的被声光调制器(4)调制后10％的连续光在第四光纤耦合器(7)中干涉，可以表示为

这里E_L、w_L、，Φ_L(t)，分别是本振光的场强、角频率、初始相位；E_L,A(t)为输出的干涉场强，I_L,A(t)为输出的干涉光强，E_A、w_A分别为被声光调制器(4)调制了的光的振幅、角频率，Δw和Φ(t)是由于采集卡与频率调制器间实时同步性差，激光器频率漂移，声光调制器温度适应性差引起的光的角频率转移和相位变化。

4.根据权利要求1所述的基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：干涉参考臂的特征在于本振光与被声光调制器(4)调制了的连续探测光通过相干得到拍频信号，获取消除本振光角频率w_L和初始相位Φ_L(t)的信号。

5.根据权利要求1所述的基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：探测臂中包含振动信息的拍频信号的形成：由外腔半导体激光器(1)发出的连续光经过第一光纤耦合器(2)分光后，90％的探测光进入声光调制器(4)，被移频后的连续光，经电光调制器(11)被斩波为光脉冲，再经掺铒光纤放大器(12)、第二带通滤波器(13)，光脉冲经过环形器(14)注入到传感光纤(15)，携带振动信号的背向瑞利散射光与从第二光纤耦合器(3)输出的本振光在第五光纤耦合器(16)中干涉，输出的带有振动信息的拍频信号可以表示为

E_L,S(t)为输出的干涉光场强，I_L,s(t)为输出的干涉光强，r为瑞利散射的振幅，E_S为探针光场强，γ为由光源线宽决定的相干因子，α为光纤损耗，z为光纤中的位置点，θ为偏离本振光波的偏振角度，φ(t)为探测光的传输相移和散射相移之和。

6.根据权利要求1所述的基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：本振光与携带振动信息的瑞利散射光通过相干得到拍频信号，获取消除本振光角频率w_L和初始相位Φ_L(t)且包含振动信息的信号。

7.根据权利要求1所述的基于双重同源外差相干检测的相位敏感光时域反射系统，其特征在于：四种信号在混频器中混频；

第四光纤耦合器(7)输出的拍频信号经第一平衡放大探测器(8)、第一低通滤波器(9)被第一功率均分器(10)分为两部分I₁(t)和I₂(t)，其中第二路作的相位转移，第二平衡放大探测器(17)输出的交流信号、通过第二低通滤波器(18)被第二功率均分器(19)分为两部分I₃(t)和I₄(t)；然后I₃(t)和I₁(t)在第一混频器(20)中混频，I₂(t)和I₄(t)在第二混频器(22)中混频，第一和第二混频器(20、22)输出的拍频信号可表示为

I₁(t)·I₃(t)＝A·B[cos(2(w_At+Φ(t)+φ(t))+cos(φ(t)))]

I₂(t)·I₄(t)＝A·B[sin(2(w_At+Φ(t)+φ(t))+sin(φ(t)))]

A＝2E_LE_A，B＝rγE_LESe^-αz cos(θ)，然后低通滤波，隔离信号中的高频部分，由采集卡接收振动信号的强度和相位信息，经过计算得到振动信号的强度和相位，再通过相位计算得到频率。