一种提高相位敏感光时域反射仪动态应变范围的装置与方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种提高相位敏感光时域反射仪动态应变范围的装置与方法。


背景技术：

2.相位敏感光时域反射仪是一种分布式振动\声波传感器，广泛应用于轨道交通监测、油气管道监测、地质活动监测、周界入侵等领域，具有灵敏度高、定位准确、定量还原等优势。其原理为单波长的窄线宽激光调制为脉冲光后注入传感光纤，对传感光纤进行轮询，当外界扰动作用于传感光纤时，扰动位置处的动态应变引起光纤中后向瑞利散射光相位发生变化，且相位变化量与外界扰动的强度呈线性关系。通过对相位的解调，相位敏感光时域反射仪系统即可在定位扰动事件的同时定量还原扰动的特征。
3.动态应变范围是相位敏感光时域反射仪的一项重要性能参数，定义为可测量的最大动态应变与最小动态应变的比值。相位敏感光时域反射仪在测量皮应变至纳应变范围内具有较高的精度，最小可测动态应变仅取决于系统本身的噪声，但是最大可测动态应变却受π相位原则的约束，难以实现大动态应变的测量。
4.在数字相位解调中，通过对后向瑞利散射曲线振动位置处相邻两点的相位作差，来提取单次采样周期下的相位变化情况，经过多次采集，提取出时间域上的连续相位变化过程。在连续采样的过程中，相邻采样点之间的相位变化量不能超出(-π，π]，否则会导致相位解包裹错误。在监测大动态应变时，由于应变量过大将导致相位变化超出(-π，π]，相位解调将会失败。虽然可以通过提升采样率来使相邻采样点之间的相位变化量总处于
±
π的范围之内，但是，受限于脉冲轮询时间，采样率存在理论上限，要想正确恢复相位，只能降低待测信号带宽。
5.有研究人员将双波长探测方法应用到相位敏感光时域反射仪中，利用传统相位解包裹方法来提取相位信息，动态应变范围得到了扩展。但这种方法会将两个单波长的相位噪声引入并叠加，使得探测信噪比急剧下降。此外，有研究人员提出结合相位信息和偏振信息的相位解包裹算法，但是动态应变范围提升有限；还有学者提出dui（differential-unwrapping-integral）解包裹算法，但是算法复杂，计算量大。


技术实现要素：

6.本发明提供一种在保证系统响应带宽的前提下提高相位敏感光时域反射仪动态应变范围的装置与方法。
7.本发明采取以下技术方案：一种提高相位敏感光时域反射仪动态应变范围的装置，包括半导体窄带激光器以及可调谐光纤激光器，半导体窄带激光器与光纤1*2耦合器一连接，可调谐光纤激光器与光纤1*2耦合器二连接；光纤1*2耦合器一输出参考光进入光纤3db耦合器一的a端口，光纤1*2耦合器二输出参考光进入光纤3db耦合器二的a端口；光纤1*2耦合器一以及光纤1*2耦合器二分别输出不同信号光进入波分复用器将两路不同波长的
信号光组合为双波长探测光源；波分复用器的输出端依次连接声光调制器、掺铒光纤放大器以及环形器的a端口，环形器的b端口连接传感光纤，传感光纤的尾端接光纤隔离器，环形器的c端口连接波分解复用器；波分解复用器的输出端分别输出波长为λ1的后向瑞利散射光到光纤3db耦合器一的b端口，波长为λ2的后向瑞利散射光输入光纤3db耦合器二的b端口；光纤3db耦合器一与第一光电平衡探测器连接，光纤3db耦合器二与第二光电平衡探测器连接，第一光电平衡探测器和第二光电平衡探测器与高速数字化仪连接，高速数字化仪与上位机连接。
8.半导体窄带激光器以及可调谐光纤激光器输出的波长分别为λ1和λ2，λ1为固定1550nm，线宽小于3khz，λ2波长调谐范围为1480-1640nm，线宽小于60khz；半导体窄带激光器输出的波长为λ1的信号光进入波分复用器的1550nm信道输入端；所述可调谐光纤激光器输出的波长为λ2的信号光进入波分复用器的非1550nm信道输入端。
9.光纤1*2耦合器一输出的90%分支作为波长为λ1的信号光，10%分支作为参考光；光纤1*2耦合器二输出的90%分支作为波长为λ2的信号光，10%分支作为参考光。
10.波分复用器的中心波长为1530nm-1570nm，波长间隔为5nm，复用信道数为9。
11.声光调制器与声光调制器驱动器连接，声光调制器驱动器与信号源连接；声光调制器频移量为200mhz，信号源产生的调制脉冲宽度为50-150ns，脉冲重复频率小于n/2cl,其中，n为单模光纤折射率，c为真空中光速，l为传感光纤长度。
12.解波分复用器与波分复用器具有相同的技术参数。
13.第一光电平衡探测器以及第二光电平衡探测器的带宽均为350mhz，增益为1000v/w，噪声等效功率为16pw/√hz。
14.一种提高相位敏感光时域反射仪动态范围的装置的调制方法，包括以下步骤，步骤1：半导体窄带激光器的输出经过光纤1*2耦合器一分为90：10两路，90%分支作为波长为λ1的信号光进入波分复用器的1550nm信道输入端，10%分支作为参考光进入光纤3db耦合器一的a端口；可调谐光纤激光器的输出经过光纤1*2耦合器二分为90：10两路，90%分支作为波长为λ2的信号光进入波分复用器的非1550nm信道输入端，10%分支作为参考光进入光纤3db耦合器二的a端口。
15.步骤2：波分复用器将两路不同波长的信号光组合为双波长探测光源后，输出给声光调制器调制为双波长脉冲光。
16.步骤3：双波长脉冲光经过掺铒光纤放大器放大峰值功率后，成为双波长探测脉冲；双波长探测脉冲进入环形器的a端口，再通过环形器的b端口注入传感光纤；传感光纤的尾端接光纤隔离器；双波长探测脉冲前向传输过程中产生的后向瑞利散射光返回环形器的b端口，再经环形器的c端口输出给波分解复用器。
17.步骤4：波分解复用器将两个不同波长的后向瑞利散射光分离出来，波长为λ1的后向瑞利散射光输入光纤3db耦合器一的b端口，波长为λ2的后向瑞利散射光输入光纤3db耦合器二的b端口，与两路10%分支的不同波长参考光进行拍频。
18.步骤5：光纤3db耦合器一的两路输出进入第一光电平衡探测器进行光电转换，光纤3db耦合器二的两路输出进入第二光电平衡探测器进行光电转换；经光电转换后的两路模拟电信号由高速数字化仪进行同步采集。
19.一种提高相位敏感光时域反射仪动态范围的装置的解调方法，包括以下步骤，
步骤1：对两路采集数据首先做数字带通滤波，带通滤波器中心频率为200 mhz，通频带带宽为80mhz；步骤2：对带通滤波后数据进行数字正交解调，两路数据分别与上位机产生的一对同频正交信号交叉相乘，产生和频分量与零频分量；步骤3：使用低通滤波器去除数字正交解调后的和频分量，保留含有相位与幅值信息的零频分量，低通滤波器截止频率为50mhz；步骤4：通过幅值差分对外部扰动事件进行定位；通过反正切函数和差分运算提取振动位置处的包裹相位；步骤5：通过双波长线性规划相位解包裹方法恢复出实际相位变化，即可定量还原外界的扰动信号。
20.步骤5中双波长线性规划相位解包裹方法中的收敛标准为：其边界条件为：，。
21.与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：1.本发明采用两个窄线宽激光器作为双波长探测光源，利用两个不同波长的激光产生的光程差异，以最小光程差平方作为收敛标准，采用线性规划相位解包裹算法恢复出真实相位，提升了相位敏感光时域反射仪动态应变范围。
22.2.本发明的双波长线性规划相位解包裹算法避免了双波长探测方法中各单波长相位噪声的叠加，使双波长探测方法也能达到传统单波长探测的噪声水平。
23.3.本发明在提升相位敏感光时域反射仪动态应变范围的同时，还保证了系统的响应带宽。
24.4.本发明系统结构简单，抗噪声能力强，使得相位敏感光时域反射仪可以更好地满足于大动态应变范围的监测需求。
附图说明
25.图1为本发明的系统结构示意图；图2为本发明的数据解调流程。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.附图1所示为本发明一种提高相位敏感光时域反射仪动态应变范围的装置与方法的系统结构示意图，它包括半导体窄带激光器1、可调谐光纤激光器2、光纤1*2耦合器一3、光纤1*2耦合器二4、波分复用器5、声光调制器6、掺铒光纤放大器7、光纤环形器8、波分解复用器9、光纤3db耦合器一10、光纤3db耦合器二11、第一光电平衡探测器12、第二光电平衡探
测器13、高速数字化仪14、传感光纤15、光纤隔离器16、信号源17，声光调制器驱动器18，上位机19；其中，半导体窄带激光器1的输出经过光纤1*2耦合器一3分为90：10两路，90%分支作为波长为λ1的信号光进入波分复用器5的1550nm信道输入端，10%分支作为参考光进入光纤3db耦合器一10的a端口；可调谐光纤激光器2的输出经过光纤1*2耦合器二4分为90：10两路，90%分支作为波长为λ2的信号光进入波分复用器5的非1550nm信道输入端，10%分支作为参考光进入光纤3db耦合器二11的a端口；波分复用器5将两路不同波长的信号光组合为双波长探测光源后，输出给声光调制器6，调制为双波长脉冲光；信号源17通道一产生调制脉冲，输入声光调制器驱动器18，声光调制器驱动器18连接声光调制器6；双波长脉冲光经过掺铒光纤放大器7放大峰值功率后，成为双波长探测脉冲；双波长探测脉冲进入环形器8的a端口，再通过环形器8的b端口注入传感光纤15；传感光纤15的尾端接光纤隔离器16；双波长探测脉冲前向传输过程中产生的后向瑞利散射光返回环形器8的b端口，再经环形器8的c端口输出给波分解复用器9；波分解复用器9将两个不同波长的后向瑞利散射光分离出来，波长为λ1的后向瑞利散射光输入光纤3db耦合器一10的b端口，波长为λ2的后向瑞利散射光输入光纤3db耦合器二11的b端口，与两路10%分支的不同波长参考光进行拍频；光纤3db耦合器一10的两路输出进入第一光电平衡探测器12进行光电转换，光纤3db耦合器二11的两路输出进入第二光电平衡探测器13进行光电转换；经光电转换后的两路模拟电信号由高速数字化仪14进行同步采集，并传输给上位机19进行数据解调；信号源17通道二产生与通道一同步的触发脉冲来对高速数字化仪14进行触发。
28.上述技术方案中，半导体窄带激光器1、可调谐光纤激光器2波长分别为λ1、λ2，λ1为固定1550nm，线宽小于3khz，λ2波长调谐范围为1480nm-1640nm，线宽小于60khz。
29.上述技术方案中，通过波分复用器5将两个不同波长的信号光进行组合，作为双波长探测光源，波分复用器5的中心波长为1530nm-1570nm，波长间隔为5nm，复用信道数为9，实际应用中仅同时占用其中两个信道，一个信道为1550nm，另一个信道为除1550nm外其余信道之一，通过调节两个信道的波长间隔，可调整动态范围的扩展程度。
30.上述技术方案中，通过声光调制器6将双波长探测光源调制为双波长脉冲光，声光调制器6频移量为200mhz，声光调制器6设有信号源17与声光调制器驱动器18，信号源17调制脉冲宽度为50-150ns，脉冲重复频率小于n/2cl,其中，n为单模光纤折射率，c为真空中光速，l为传感光纤长度。
31.上述技术方案中，通过掺铒光纤放大器7将双波长脉冲光峰值功率放大后作为双波长探测脉冲，脉冲峰值功率大于28dbm，掺铒光纤放大器7工作波长为1528nm-1570nm，在此范围内，掺铒光纤放大器7具有较为平坦的增益。
32.上述技术方案中，系统探测脉冲通过环形器8b端口注入传感光纤，同时双波长后向瑞利散射光返回环形器8c端口。
33.上述技术方案中，解波分复用器9将探测光纤中返回的双波长后向瑞利散射光分离，解波分复用器9与波分复用器5具有相同的技术参数。
34.上述技术方案中，分离后的两路不同波长的后向光与两路不同波长的10%参考光在光纤3db耦合器一10、光纤3db耦合器二11中进行相干拍频，拍频后通过第一光电平衡探测器12、第二光电平衡探测器13实现相干探测，两个光电平衡探测器带宽均为350mhz，增益为1000v/w，噪声等效功率为16pw/√hz，波长响应范围为1100nm-1700nm。
35.上述技术方案中，双通道高速数字化仪14对两路电信号进行采集，并传输给上位机19进行解调，采样率为1gsa/s，分辨率为12位。数据解调时，首先对两路采集数据做数字带通滤波；接着对带通滤波后数据进行数字正交解调，两路数据分别与上位机产生的一对同频正交信号交叉相乘；再使用低通滤波器去除数字正交解调后的和频分量，保留含有相位与幅值信息的零频分量；最后通过幅值差分对外部扰动事件进行定位，通过反正切函数和差分运算提取振动位置处的包裹相位，将包裹相位带入双波长线性规划相位解包裹算法中，恢复出实际相位变化，即可定量还原外界的扰动信号。
36.上述技术方案中，数据解调流程如附图二所示，具体包括如下步骤：步骤1：对两路采集数据首先做数字带通滤波，带通滤波器中心频率为200 mhz，通频带带宽为80mhz；步骤2：对带通滤波后数据进行数字正交解调，两路数据分别与上位机产生的一对同频正交信号交叉相乘，产生和频分量与零频分量；步骤3：使用低通滤波器去除数字正交解调后的和频分量，保留含有相位与幅值信息的零频分量，低通滤波器截止频率为50mhz；步骤4：通过幅值差分对外部扰动事件进行定位；通过反正切函数和差分运算提取振动位置处的相位变化量，形成时域上的连续相位变化过程，其值可能不满足π相位原则而存在包裹；步骤5：通过双波长线性规划相位解包裹算法恢复出由动态应变引入的实际相位变化，即可定量还原外界的扰动信号。
37.上述技术方案中，双波长线性规划相位解包裹算法的原理及具体过程如下：1.首先，波长分别为λ1、λ2的激光在相同应变作用下产生的光程分别为：（1）（2）其中，φ
λ1
(t)和φ
λ2
(t)分别表示由数据解调流程的步骤5所获得的包裹相位值，τ(t)和
ʋ
(t)分别表示相位包裹系数，由于λ1、λ2是在同一光纤中传输且同时测量相同大小的应变，因此，所有光程应该相等，但考虑到噪声的存在，r
λ1
和r
λ2
之间会存在微小的差别，因此，在任意时刻，总存在一对整数对τ和
ʋ
，使得r
λ1
和r
λ2
之间的差值最小，计算公式如式（3）所示：（3）2.确定好线性规划的收敛标准后，还需要确定如式（4）和式（5）的边界条件，防止线性规划求解过程中不收敛问题，其中λ
ds
=λ1*λ2/(λ1+λ2)，round()表示四舍五入取整运算：（4）（5）
3.基于式（3）的收敛标准和式（4）式（5）边界条件，通过线性规划的方法求解出τ(t)和
ʋ
(t)后，带入式（1）或式（2）中，即可获得在外界动态应变作用下的光程变化，由于光程变化与外界扰动信号的强度呈线性关系，经过标定后即可定量还原外界扰动。可以看出双波长线性规划相位解包裹算法仅与当前时刻两个单波长测量得到的相位值有关，与上一时刻的相位值无关，因此保证了系统的响应带宽，使得系统响应带宽接近奈奎斯特频率。
38.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。