基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统的制作方法
【专利摘要】一种基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，包括：一窄线宽激光器；一调制器，其输入端与窄线宽激光器的输出端连接；一光隔离器，其输入端与调制器的输出端连接；一掺铒光纤放大器，其输入端与光隔离器的输出端连接；一环行器，其端口a与掺铒光纤放大器的输出端连接；一光纤光栅，其与环行器的端口b连接；一传感光纤，其与环行器的端口c连接；一迈克尔逊干涉仪，其输入端与环行器的端口d连接；一载波电路，其输出端与连接迈克尔逊干涉仪的电学接口连接；一光电探测器，其输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端连接；一数据采集卡，其一输入端与光电探测器的输出端连接，另一输入端与载波电路的输出端连接；一信号处理机，其输入端与数据采集卡的输出端连接；一脉冲发生器，其输入端与数据采集卡的触发输入端连接，输出端与调制器的电学接口连接。
【专利说明】基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及分布式光纤传感领域，特别是用于测量动态振动或声信号的分布式光纤传感领域。
【背景技术】
[0002]分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支,利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。
[0003]根据传感原理，分布式光纤传感技术主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用M-Z型、Sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)、布里渊光时域反射型(B-OTDR)、拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。
[0004]Φ-OTDR技术是通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。一种常用的相位检测方法是采用外差正交相位解调技术。双平衡探测器将接收到的瑞利散射光与本地光的拍频信号转化为电流信号，通过数字相干检测瑞利信号的相位和幅度(“分布式光纤传感器及信息解调方法”，申请号201210099835.8)。本地光的稳定性对结果至关重要，特别是本地光的相位漂移，因此需要高稳定的窄相干光源作为本地光，或者采用滤波技术来减小相位漂移带来的影响(梁可桢等人，一种基于相位敏感光时域反射计的多参量振动传感器，中国激光，2012年)。另外，由于采用的是正交相位解调，因此要求外界振动信号引起的相位幅度变化不能高过2 π弧度，所以外差正交解调技术对大信号的相位扰动探测能力有限，同时面临干涉相消衰落问题。此外，为了能有效检测外差信号，需要高速的数据采集设备(GS / s量级的采样率)，成本较高。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，解决干涉相消衰落问题，能够实现几十弧度的大信号相位检测。
[0006]本发明提供一种基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，包括:
[0007]一窄线宽激光器；
[0008]一调制器，其输入端与窄线宽激光器的输出端连接；
[0009]一光隔离器，其输入端与调制器的输出端连接；[0010]—掺铒光纤放大器,其输入端与光隔离器的输出端连接；
[0011]—环行器,其端口 a与掺铒光纤放大器的输出端连接；
[0012]—光纤光栅,其与环行器的端口 b连接；
[0013]一传感光纤，其与环行器的端口 c连接；
[0014]一迈克尔逊干涉仪，其输入端与环行器的端口 d连接；
[0015]一载波电路，其输出端与连接迈克尔逊干涉仪的电学接口连接；
[0016]一光电探测器，其输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端连接；
[0017]—数据米集卡，其一输入端与光电探测器的输出端连接，另一输入端与载波电路的输出端连接；
[0018]一信号处理机，其输入端与数据采集卡的输出端连接；
[0019]一脉冲发生器，其输入端与数据采集卡的触发输入端连接，输出端与调制器的电学接口连接。
[0020]本发明的优点在于，采用相位生成载波技术来实现分布式光纤振动或声信号的测量，可有效实现大相位信号的动态测量，且能够消除相位相消衰落问题，无需GS / s采样率的高速数据采集设备，成本较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例和附图对本发明作一详细的描述，其中:
[0022]图1是本发明提供的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统的结构示意图。
[0023]图2是相位生成载波解调技术的流程图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0025]请参考图1，图1是本发明提供的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，包括:窄线宽激光器1、调制器2、光隔离器3、掺铒光纤放大器4、环行器5、光纤光栅6、传感光纤7、迈克尔逊干涉仪100、载波电路12、光电探测器13、数据采集卡14、信号处理机15和脉冲发生器16，其中窄线宽激光器I的输出端与调制器2的输入端连接，调制器2的输出端与光隔离器3的输入端相连,光隔离器3的输出端与掺铒光纤放大器4的输入端相连,掺铒光纤放大器4的输出端与环行器5的a端口相连,环行器5的b端口与光纤光栅6相连，环行器5的c端口与传感光纤7相连，环行器5的d端口与迈克尔逊干涉仪100的输入端相连，迈克尔逊干涉仪100的输出端与光电探测器13的输入端口相连，光电探测器13的输出端口与数据采集卡14的一输入端口相连，载波电路12的输出端同时连接迈克尔逊干涉仪100的电学接口和数据采集卡14的一输入端口，数据采集卡14的输出端口与信号处理机15相连，脉冲发生器16的输出端口与调制器2的电学接口相连，脉冲发生器16的触发输出端口与数据采集卡14的触发输入端口相连。
[0026]迈克尔逊干涉仪100，包括:3dB耦合器8、法拉第旋转器9、10和相位调制器11，3dB稱合器8的a端与掺铒光纤放大器4的输出端相连,3dB稱合器8的b端和的第一法拉第旋转镜9相连，3dB耦合器8的c端与相位调制器11的输入端相连，相位调制器11的输出端与第二法拉第旋转镜10相连，3dB稱合器8的d端与光电探测器13的输入端口相连，两位调制器11的电学接口与载波电路12的输出端相连。
[0027]窄线宽激光器的输出波长与光纤光栅的中心波长一致，光纤光栅的3dB带宽小于
0.2nm。
[0028]脉冲发生器发射重复脉冲电压信号作用于调制器，产生脉冲光信号，脉冲电压信号的脉冲宽宽在IOns-1OOns之间。
[0029]相位调制器用于产生正弦相位调制，调制幅度在2rad_4rad之间。
[0030]数据采集卡接受到的mxn矩阵数据，每列数据对应同一位置的干涉信号，通过数字生成载波技术来解析干涉信号进而解调出相位信号。
[0031]在本实施例中，窄线宽激光器采用连续输出的RIO半导体激光器，线宽小于2kHz，工作波长为1550.12nm。连续输出的窄线宽激光经调制器产生周期性重复脉冲光，调制器采用声光调制器，通过脉冲发生器加载脉冲电压信号，脉冲宽度受限于声光调制器的上升下降时间，通常采用IOns?IOOns的脉冲宽度，脉冲重复频率与传输光纤长度有关，当光纤长度为IOkm时，脉冲重复频率最大为10kHz。脉冲光经光隔离器后进入掺铒光纤放大器进行光功率放大，通过环行器和光纤光栅对放大后的光信号进行滤波，光纤光栅的中心波长与窄线宽激光器的工作波长一致，光纤光栅的3dB带宽小于0.2nm,以保证进入传感光纤的脉冲光不包含过多的自发辐射光，保证脉冲光的相干性。
[0032]脉冲光沿传感光纤传播过程中产生背向瑞利散射，不同位置产生不同的瑞利散射光，当窄线宽激光器的相干长度大于传输光纤长度时，瑞利散射光是相干的。传感光纤的背向瑞利散射光通过环行器的d端口进入由3dB耦合器、法拉第旋转镜和相位调制器组成的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪由于存在臂长差即时延，因此在某一时刻光电探测器接收到的是两个相隔距离等于臂长差一半的两瑞利散射光的干涉光信号。单个脉冲发出后，不同时刻对应于不同位置的双瑞利散射光干涉信号，干涉信号经光电探测器转化为一时间序列的电信号，并数据采集卡接收。
[0033]数据采集卡接收到的电信号序列储存在信号处理机上，形成一行数据。每行数据的取样点数(m)取决于数据采集卡的采样率和脉冲重复频率。当采集η个光脉冲产生的干涉信号序列后，将形成mxn的矩阵数据。由于采用脉冲发生器的触发采集功能，因此每列数据对应的采集位置是相同的。
[0034]对于同一位置的干涉信号，由于迈克尔逊干涉仪的一臂上添加了相位调制器，因此在同列数据中的干涉信号中存在一相位调制，其干涉条纹的表达式为:
[0035]V=A+Bcos (Ccos (2 π f0t) + Φ (t))
[0036]其中，A是与干涉仪输入光强、耦合器插入损耗等相关的直流项，B是与干涉仪输入光强、耦合器分光比、干涉仪消光比相关等有关，B=kA，k为干涉条纹可见度，k〈l，C是干涉仪的调制幅度，取值在2rad-4rad之间，为载波调制频率，Φ⑴为待解调的相位信号。
[0037]关于上述干涉条纹中所涉及的相位信号Φ⑴的解调，采用的是相位生成载波解调技术，在信号处理机上来实现，具体过程请参考图2。
[0038]迈克尔逊干涉仪的输出信号分别和载波电路输出电信号的一倍频COs (2 fj)和二倍频分量cos (4 JIfcit)相乘，然后经过低通滤波器分别获得含有相位信号Φα)的正弦项-BJ2 (C) Sin[Φ⑴]和余弦项-BJ1 (C) COS [Φ (t)](其中，J1(C)和J2(C)分别为第一类I阶和2阶贝塞尔函数)，两项相除后通过反正切算法计算得到带有常系数的相位信号[J2(C) / J1(C)].Φα)，通过标定可以确定常系数J2 (C) / J1 (C)，进而得到相位信号(Mt)。当C=2.63rad时，J2(C)/J2(C) = 1，无需进行常系数标定就可直接得到相位信号Φ (t)，因此相位生成载波解调技术通常选择C=2.63rad作为优化值。
[0039]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，包括: 一窄线宽激光器； 一调制器，其输入端与窄线宽激光器的输出端连接； 一光隔离器，其输入端与调制器的输出端连接； 一掺铒光纤放大器，其输入端与光隔离器的输出端连接； 一环行器，其端口 a与掺铒光纤放大器的输出端连接； 一光纤光栅，其与环行器的端口 b连接； 一传感光纤，其与环行器的端口 c连接； 一迈克尔逊干涉仪，其输入端与环行器的端口 d连接； 一载波电路，其输出端与连接迈克尔逊干涉仪的电学接口连接； 一光电探测器，其输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端连接； 一数据米集卡，其一输入端与光电探测器的输出端连接，另一输入端与载波电路的输出端连接； 一信号处理机，其输入端与数据采集卡的输出端连接； 一脉冲发生器，其输入端与数据采集卡的触发输入端连接，输出端与调制器的电学接口连接。
2.根据权利要求1所述的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，其中迈克尔逊干涉仪包括: 一 3dB耦合器，其为4端口的3dB耦合器，其端口 a为输入端，端口 d为输出端； 一第一法拉第旋转器，其与3dB稱合器的端口 b连接； 一第二法拉第旋转器，其通过一相位调制器与3dB耦合器的端口 c连接。
3.根据权利要求1所述的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，其中窄线宽激光器的输出波长与光纤光栅的中心波长一致，光纤光栅的3dB带宽小于0.2nm。
4.根据权利要求1所述的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，其中脉冲发生器发射重复脉冲电压信号作用于调制器，产生脉冲光信号，脉冲电压信号的脉冲宽宽为lOnslOOns。
5.根据权利要求1所述的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，其中调制器用于产生正弦相位调制，调制幅度为2rad-4rad。
6.根据权利要求1所述的基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，其中数据米集卡接受到的mxn矩阵数据，每列数据对应同一位置的干涉信号，通过数字生成载波技术来解析干涉信号进而解调出相位信号。
【文档编号】G01H9/00GK103759750SQ201410032610
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】徐团伟, 方高升, 李芳 , 刘育梁 申请人:中国科学院半导体研究所