一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计及测量方法与流程

本发明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及测量方法。

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 and Temperature Sensing With Very High Measurand Resolution Over Long Range Using Coherent 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.Quantitative measurement of dynamic nanostrain based on a phase-sensitive optical time domain 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。

技术实现要素：

本发明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及测量方法，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。

发明技术方案：

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EDFA1、掺铒光纤放大器EDFA2、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的输出端与所述掺饵光纤放大器EDFA1的输入端连接，所述掺饵光纤放大器EDFA1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EDFA1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饵光纤放大器EDFA2的输入端连接，之后通过掺铒光纤放大器EDFA2对后向瑞利散射光信号进行放大；

所述掺饵光纤放大器EDFA2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。

一种基于线性调频脉冲的相位敏感光时域反射计的测量方法，包括以下步骤：步骤一、激光进入到单边带调制器SSBM中；步骤二、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；步骤三、激光线性调频后进入声光调制器AOM中；步骤四、将连续激光调制为脉冲光，通过掺饵光纤放大器EDFAI进行放大；步骤五、通过光纤环形器第一输出端口进入待测光纤；步骤六、后向瑞利散射信号通过光纤环形器第二输出端口，通过光纤环形器第三输出端口输出；步骤七、掺饵光纤放大器EDFAII对后向瑞利散射光信号进行放大；步骤八、光纤布拉格光栅滤波器FBG滤除自发辐射噪声，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；步骤九、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。

本发明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；本发明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，本发明方案方便可行，系统结构也比较简单。

附图说明

图1是本发明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发明进行详细说明。

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的输出端与所述掺饵光纤放大器EDFAI4的输入端连接，所述掺饵光纤放大器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第三输出端口与掺饵光纤放大器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；

所述掺饵光纤放大器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。

激光入射到传感光纤中，将不断发生瑞利散射作用，通过探测器探测，数据采集模块采集，可以得到其散射信号波形。当外界有应变施加到光纤上时，则该位置处光纤的折射率将会发生改变，散射信号波形将会发生改变。这种由应变导致的波形变化可以通过激光的频率变化来补偿，使波形完全恢复。由于传感器方案中使用的是线性调频脉冲，即在脉冲宽度内光频随时间是线性变化的。因此，由应变导致的光纤某位置处折射率的改变最终可以体现在该位置处后向瑞利散射波形的平移，通过测量波形的平移量就可测定应变的大小。详细理论分析如下：

在无应变情况下，考虑单个准单色脉冲周期内，忽略光纤传输损耗，光纤后向瑞利散射光振幅的一维脉冲响应模型可以表示为：

式中a_i为散射系数，ν₀为准单色脉冲光的中心频率，τ_i为单个脉冲周期内第i个散射脉冲光的时间延迟，N为整个传感光纤的散射中心个数，W为脉冲宽度，表示光脉冲在传播过程中散射体积的变化，当时，当或时，

由式(1)得出后向瑞利散射光的光功率表达式：

式(2)中φ_ij表示无应变时第i个后向瑞利散射波与第j个后向散射波散射中心的相对相位差，时间延迟τ_i与第i个散射中心位置z_i的关系是τ_i＝2nz_i/c，n为光纤有效折射率，c为真空中光速。φ_ij的具体表达形式为：

φ_ij＝2πν₀(τ_i-τ_j)＝4πν₀n(z_i-z_j)/c (3)

由式(2)和式(3)可知，应变将导致光纤折射率n发生改变，相对相位差φ_ij也随之改变，进而后向瑞利散射光信号波形也随之改变，此时可以通过改变激光频率来弥补由于应变导致的波形的变化。当光纤折射率变化量△n＜＜n时，△n与激光频率变化量△ν存在线性关系同时光纤折射率变化量△n与应变量△ε存在线性关系△n＝C_ε·△ε，其中，C_ε为折射率应变系数，因此应变量△ε与激光频率变化量△ν之间的关系可以表示为：

在本发明中，激光脉冲采用了线性调频，即在脉冲宽度内，激光频率是随时间线性变化的，可表示为δν为线性调频范围，等式两边同时取微分，可得带入式(4)，可得：

由式(5)可知，通过本方案采取的线性调频脉冲的方式，可建立起应变量△ε与时间变化量△t之间的线性关系，因此可通过测量时间变化量△t，即后向瑞利散射波形的平移量来定量测定应变量△ε，同理，利用此种方案也可定量测量温度变化量△T。

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EDFA1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EDFA2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。实验中光纤长度为50m，在光纤10m-20m处，对光纤施加应力使光纤产生应变。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。如图3所示，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，因此可通过测量散射信号波形的平移量建立应变量与平移量之间的线性关系，进而实现应变的定量测量。在光纤未施加应变的区域，散射波形完全重合，因此可以实现应变的分布式定量测量。以上实验结果理论分析结果吻合，进一步证明了该方案的可行性。

本发明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。