[發明專利]光頻分復用相位敏感光時域反射計

無效

• 申請號: 201210124995.3
• 申請日: 2012-04-26
• 公開（公告）號: CN102645268A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 周俊;潘政清;梁可楨;葉青;蔡海文;瞿榮輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01D5/36
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及光時域反射計，特別是一種光頻分復用相位敏感光時域反射計。

背景技術

相位敏感光時域反射計(Phase?sensitive?optical?time?domain?reflectometry，以下簡稱Phase-OTDR)是一種基于瑞利散射的新型分布式光纖傳感計，能對沿光纖線路范圍內的外界動態物理量進行遠程實時監測。與常規的光時域反射計(optical?time?domain?reflectometry，簡稱為OTDR)不同的是，Phase-OTDR采用窄線寬(約為KHz)和極小頻率漂移的激光器作為光源，通過探測脈沖寬度區域內后向瑞利散射光的干涉信號而獲得擾動位置處的各種特征物理量(振幅、頻率、相位等)，并通過回波時間對事件進行定位。因此，它除了常規分布式光纖傳感諸多特點外，還具有隱蔽性、定位精度高、數據處理簡單等優點，特別適合于天然氣、石油管道等安全監控，以及民用設施如橋梁、大型建筑等土木工程的健康監控。

自1993年H.F.Taylor提出Phase-OTDR以來，該技術的問世極大提高了分布式光纖傳感技術的靈敏度。但是當時多采用的是直接探測的方法，只能定性測量發生擾動的位置信息，無法定量測量擾動信號的振幅、頻率和相位信息，具體參見【H.F.Taylor?and?C.E.Lee.Apparatus?and?method?for?fiber?optic?intrusion?sensing.U.S.Patent?5，1993：194847.】。為了提高Phase-OTDR的性能，研究者們進行了廣泛而深入的研究：

在先技術一【參見Lidong?Lu，Yuejiang?Song，Fan?Zhu，Xuping?Zhang，Dual?frequency?probe?based?coherent?optical?time?reflectometry，Opt.Commun.，2012，in?press】利用相位調制器在激光器中心頻率附近產生許多邊帶，同時控制調制深度(1.44)，使其0級，±1級占其主要成分，然后將包含有三種頻率的光脈沖注入到光纖，采用相干檢測的方法，研究表明，該技術可以有效減少相干瑞利噪聲，提高了3dB的動態范圍，但是受到帶通濾波器和脈沖寬度的相互制約(脈沖寬度為1us)，因此不能有很好的定位精度，只適合于長距離的海底光纜傳輸線的監測。更重要的是，該技術只停留在定性測量上，沒有實現對擾動信號的定量測量，包括振幅、頻率以及相位信息。

在先技術二【參見Y.L.Lu，T.Zhu，L.A.Chen，and?X.Y.Bao，Distributed?vibration?sensor?based?on?coherent?detection?of?phase-OTDR，J.Lightw.Technol.，2010，28(22)，3243-3249.】首次提出利用Phase-OTDR相干檢測的方法去測量外界聲場的擾動頻率，使其拓展至分布式振動傳感領域。但是還僅僅局限于定性測量擾動信號的振幅和頻率信息，沒有定量獲得光纖鏈路及擾動位置的相位信息。另一方面，由于受到采樣率的制約，最高可探測擾動頻率小于1KHz，空間分辨率為5m左右，對于更高頻率的擾動信息則無法測量。這就大大限制了這種新型傳感技術的應用范圍，比如擾動頻率為MHz以上的超聲波監測，從而在一定程度上也無法體現這種技術的先進性和優越性。

發明內容

為了克服上述在先技術的缺點，本發明提出一種光頻分復用相位敏感光時域反射計，以期突破目前相關分布式光纖傳感領域發展所面臨的低信噪比、低采樣速率、非定量檢測等若干瓶頸問題。

本發明的技術解決方案如下：

一種光頻分復用相位敏感光時域反射計，其特點在于包括窄線寬激光器、光纖耦合器、相位調制器、擾偏器、摻鉺光纖放大器、聲光調制器、光纖環形器、信號發生器模塊、觸發源、雙平衡探測器、低通濾波器、數據采集卡、計算機和長距離傳感光纖，上述元件的位置關系如下：

所述的窄線寬激光器發出的光經所述的光纖耦合器分成信號光和本地光，沿信號光方向通過光纖依次連接所述的相位調制器、擾偏器、摻鉺光纖放大器、聲光調制器和光纖環形器，該光纖環形器的第二端口接所述的長距離傳感光纖的一端，該光纖環形器的第三端口經光纖接所述的雙平衡探測器的輸入端，所述的信號發生器模塊的輸出端接所述的相位調制器的控制端；