一种基于偏振态正交光脉冲对的φ-otdr增强方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤技术领域，特别是一种基于偏振态正交光脉冲对的O-0TDR增强 方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着经济发展，大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝等大型建筑物及公路铁路、 电力通行网络、油气管道等都在不断建设和普及使用，对它们进行安全健康建设并及时发 现潜在威胁，确保国家和人民生命财产安全也愈发重要。这些大型工程项目的结构故障诊 断、事故预警等安全监测工作需要满足监测距离长、精度高、灵活放置、实时连续监测等要 求，而基于光时域反射0TDR(0pticalTimeDomainReflectomentry)技术的全分布式光纤 传感器能够满足以上要求，并且具备损耗低、耐腐蚀、易埋入、抗电磁干扰、信号数据可多路 传输等优势，在监测相关领域得到了广泛应用，展现良好前景。
[0003] 相位敏感光时域反射C>-〇TDR(Phase-sensitiveOpticalTimeDomain Reflectometry)技术是在原有0TDR分布传感基础上发展起来的，是一种典型的全分布式 光纤传感技术，具备高灵敏度、连续传感、全程无源等优势，并具备探测光纤路径上应变、振 动相关参数的能力。
[0004] 不同于传统的0TDR技术，O-0TDR采用的是窄线宽的相干光源，当传感光纤收到 外界影响自身发生形变，背向瑞利散射光的相位也会发生变化，被光纤捕获并传达至光电 检测器，其干涉强度的变化就能被及时检测到。检测信号依据的是光纤中背向瑞利散射光 的相位变化信息，因而监测系统的灵敏度与探测光波长相近，较传统方式有了明显提升。
[0005] 常用的O-0TDR直接探测技术忽略了光纤中扰动对探测光偏振态的影响，这种影 响在探测脉冲宽度接近或大于光纤拍长时尤其明显，当光纤受到多点扰动时，前端的扰动 事件将改变探测光脉冲的偏振态，使的后端背向瑞利散射光信号的幅度出现额外的随机波 动，干扰对后续扰动事件的观测。因此消除探测系统对探测光脉冲偏振态变化的影响成为 保障O-OTDR直接探测技术多事件探测能力的关键。在此领域中，有研究人员采用全程保 偏光纤来消除扰动事件对探测光的偏振态影响，但对于实际应用特别是长距离传感监控应 用来说成本过高。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于偏振态正交 光脉冲对的〇-0TDR增强方法及装置，该方法在现有〇-0TDR直接探测系统基础上，利用偏 振态正交脉冲对进行探测来消除系统对光纤中探测光偏振态变化的敏感性，保障O-0TDR 系统多事件同时检测能力。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 根据本发明提出的一种基于偏振态正交光脉冲对的O-0TDR增强方法，包括以下 步骤：
[0009] 步骤一、将探测光在时间域上进行调制，使得时域上间隔相邻的探测光偏振态正 交；
[0010] 步骤二、将步骤一中获得调制后的探测光经放大、调制后形成光脉冲，获得偏振态 正交光脉冲对组；
[0011] 步骤三、将步骤二获得的偏振态正交光脉冲对组注入光纤后，获得背向瑞利散射 光信号；
[0012] 步骤四、将背向瑞利散射光信号转化为电信号后经放大、低通滤波后，进行模数 转换、数据处理后得到时域上交替出现曲线对集{{1 11?匕），IJti)}、{IIR(t2)，IQR(t2)}、 {IIR(t3)，IQR(t3)}...};其中，I^tj)与IJtj)为第j组光脉冲对生成的背向瑞利散射光时 域信号，且（j-1) ?T<j?T，T表不一对光脉冲从进入光纤至所产生背向瑞利散射光 信号返回的最长周期，t,表示第j组光脉冲进入光纤至所产生背向瑞利散射光信号返回的 时间区间变量；
[0013] 将曲线对集中的{111?(\)、1卵(\)}做均值处理，SPIR(tj) = (111?(\)+1(^(\))/2， 获取实际所需曲线组;
[0014] 步骤五、将曲线组{IJtLldtLLai..}做叠加差分运算，获得O-0TDR探测 曲线。
[0015] 作为本发明所述的一种基于偏振态正交光脉冲对的O-0TDR增强方法进 一步优化方案，所述步骤二中的偏振态正交光脉冲对组中的偏振态正交光脉冲对 为
[0016] 其中，E。为探测光电场强度，e为自然对数的底数，i为虚数单位，《。为探测光角 速度，你为探测光初始相位，叫为系统偏振影响因子，S为探测光在光纤中快慢轴间的相 位差。
[0017] 作为本发明所述的一种基于偏振态正交光脉冲对的O-0TDR增强方法进一步优 化方案，所述步骤三中的背向瑞利散射光信号在时域上分为轮流间隔的两部分：E^t,)与 Eqdt,)，依据光纤瑞利散射模型，背向瑞利散射光信号是对应时刻半个探测脉冲宽度光纤 内M个散射点的背向瑞利散射光的叠加：
[0018]
[0019] 其中，为光纤瑞利散射系数，Px为光纤横向传输常数，Py为光纤纵向传输常 数，zn为第n个散射点与光纤起点的距离；
[0020]
[0021]
[0022] 其中，Kxj为系统纵轴方向相位影响因子，Kyj为系统横轴方向相位影响因子，Kxj与 Kw均包含背向瑞利散射光中的相位信息。
[0023] 作为本发明所述的一种基于偏振态正交光脉冲对的O-0TDR增强方法进一步优 化方案，所述步骤四中，
[0024]IIR(tj)KXJ2 ?cos2 0 .j+KyJ2 ?sin2 0 KXJ2 ?sin2 0 .j+KyJ2 ?cos2 0』
[0025] IR(tj) = (IIR(tj)+IQR(tj))/2 = (Kx/+Kyj2)/2〇
[0026] 基于本发明所述的一种基于偏振态正交光脉冲对的O-OTDR增强方法的装置，包 括窄线宽激光器、保偏开关单元、掺饵光纤放大器、声光调制器、光纤环形器、脉冲发生器、 光电探测器、电信号放大器、低通滤波器、模数转化模块、数据处理模块以及传感光纤；其 中，
[0027] 所述窄线宽激光器输出探测光至受脉冲发生器控制的保偏开关单元；所述保偏开 关单元将探测光在时域上分成两组间隔开的正交偏振光输出至掺饵光纤放大器；所述掺饵 光纤放大器将正交偏振光放大后输出至受脉冲发生器控制的声光调制器；
[0028] 所述声光调制器将放大后的正交偏振光调制成时域上相间隔的偏振态正交光脉 冲对组输出至光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口将偏振态正交光脉冲对 组输出至传感光纤中，所述传感光纤用于将产生的背向瑞利散射光信号返回至光纤环形器 的第二端口，并由光纤环形器第三端口输出至光电探测器；
[0029] 所述光电探测器将背向瑞利散射光信号转化成电信号输出至电信号放大器；所述 电信号放大器将电信号放大后输出放大电信号至低通滤波器，所述低通滤波器将放大电信 号低通滤波后输出至模数转化模块，所述模数转化模块将低通滤波后的放大电信号转换成 数字信号输出至受脉冲发生器控制的数据处理模块；所述数据处理模块对数字信号进行处 理后获得探测曲线。
[0030] 作为本发明所述的一种基于偏振态正交光脉冲对的O-0TDR增强方法的装置进 一步优化方案，所述保偏开关单元包括偏振光开关、偏振光束耦合器；其中，所述探测光输 出至偏振光开关的输入端，所述偏振光开关有两路输出端：当第一输出端导通时，探测光经 偏振光束耦合器后输出一连续偏振光；当第二输出端导通时，探测光经偏振光束耦合器后 输出另一连续偏振光，这两连续偏振光