[發明專利]基于外差檢測和相位解調的相位光時域反射裝置及方法

有效

• 申請號: 201510245870.X
• 申請日: 2015-05-14
• 公開（公告）號: CN104819770B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 陳偉;孟洲;宋章啟;張學亮;熊水東;胡曉陽;陳默;涂曉波
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心43202
• 代理人: 李振

技術領域

本發明涉及光纖傳感領域，特別是指一種基于外差檢測和相位解調的相位光時域反射裝置及方法。

背景技術

分布式光纖傳感技術以其可連續感知光纖沿線上任一點的溫度、應變等參量變化、光纖集信號傳感與傳輸于一體、便于長距離傳感和大規模組網等優點，已廣泛應用于國民經濟與人們日常生活的方方面面，包括建筑物、橋梁、大壩、隧道、河堤、飛機、船舶、工廠設備等的結構安全監測，輸油管道和高壓線路等危險場合的泄漏檢測，邊界入侵行為的實時監測以及通信光纜的故障點檢測等。

光時域反射技術是一種發展得非常成熟的分布式光纖傳感技術，它主要用于光纖沿線損耗、彎曲、斷裂、熔接點等的檢測，而相位光時域反射技術是在光時域反射技術基礎上發展起來的另一種分布式光纖傳感技術，與光時域反射技術相比，它采用高相干光源。若光纖沿線某位置處發生振動，會引起光纖長度及折射率的變化進而導致光相位發生變化，由于所用光源的高相干特性，還會導致該位置處后向散射光強的變化，由此實現光纖沿線的振動測量。相位光時域反射技術已廣泛應用于邊界線上入侵行為的實時監測和預警。

傳統的相位光時域反射系統采用直接檢測的方法，為進一步提高系統信噪比，Yuelan Lu等人在《Distributed Vibration Sensor Based on Coherent Detection of Phase-OTDR(基于相位光時域反射相干檢測的分布式振動傳感器)》(Journal of Lightwave Technology,28(22):3243-3249,2010)一文中提出了一種基于外差檢測方法的相位光時域反射系統，中國專利申請《相位OTDR系統中振動信號位置和頻率的同時提取方法》(公布號：CN104132693A，公布日：2014.11.05)中也提到了這種方法。但上述方法都是利用相位變化引起的光強變化進行振動傳感，而非直接利用相位變化進行振動傳感，考慮到強度調制型光纖傳感的靈敏度低于相位調制型光纖傳感，故上述方法在微弱振動信號的檢測方面具有很大局限。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提出一種基于外差檢測和相位解調的相位光時域反射裝置及方法，旨在實現高靈敏度的分布式振動測量。本發明將外差檢測和相位解調結合起來，通過直接解調相位實現外界振動傳感，可提供一種具有更高靈敏度的相位光時域反射裝置和 方法。

本發明采用的技術方案為：

一種基于外差檢測和相位解調的相位光時域反射裝置，由窄線寬激光器、耦合方式為1×2的光纖耦合器、偏振控制器、聲光調制器、摻鉺光纖放大器、窄帶光纖濾波器、第一可調光衰減器、三端口環行器、傳感光纖、耦合方式為2×1的光纖耦合器、光電探測器、信號采集及處理模塊、任意波形發生器、功率放大器和第二可調光衰減器組成，所述窄線寬激光器通過連接光纖連接至1×2光纖耦合器的第一端口，所述1×2光纖耦合器的第二端口通過偏振控制器連接至聲光調制器的光纖輸入端口，所述聲光調制器的光纖輸出端口依次通過摻鉺光纖放大器、窄帶光纖濾波器和第一可調光衰減器連接至三端口環行器的第一端口，所述三端口環行器的第二端口連接至傳感光纖，所述三端口環行器的第三端口通過連接光纖連接至2×1光纖耦合器的第一端口，所述1×2光纖耦合器的第三端口通過第二可調光衰減器連接至2×1光纖耦合器的第二端口，所述2×1光纖耦合器的第三端口通過連接光纖連接至光電探測器的輸入端口，所述光電探測器的輸出端口通過連接電纜與信號采集及處理模塊的第一端口連接，所述信號采集及處理模塊包含乘法功能、低通濾波功能、反正切運算功能、相位修正功能、高通濾波功能和付立葉變換功能，用于實現對外界振動信號進行解調和定位，信號采集及處理模塊的第二端口通過連接電纜與任意波形發生器的第一端口相連，所述任意波形發生器的第二端口通過功率放大器與聲光調制器的射頻輸入端口相連。

優選地，所述窄線寬激光器的波長位于C波段，線寬小于1kHz，光功率大于1mW。

優選地，所述耦合方式為1×2的光纖耦合器和耦合方式為2×1的光纖耦合器的分束比均為1：1。

優選地，所述聲光調制器的頻移在200MHz和300MHz之間。

優選地，所述窄帶光纖濾波器的中心波長與窄線寬激光器的波長一致，帶寬越窄越好。

優選地，所述傳感光纖為小于1km的普通單模光纖。

優選地，所述光電探測器為平衡光電探測器，帶寬大于聲光調制器頻移約50MHz，且具有交流工作模式。

優選地，所述信號采集及處理模塊的采樣率大于聲光調制器頻移的4倍。