[發明專利]一種異頻雙脈沖COTDR傳感裝置和方法

有效

• 申請號: 201810644220.6
• 申請日: 2018-06-21
• 公開（公告）號: CN108827447B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 劉鐵根;江俊峰;陳文杰;劉琨;王雙;馬喆;張學智
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

1.一種異頻雙脈沖COTDR傳感裝置，其特征在于，該裝置包括光源(1)、1×2耦合器(2)、調制信號產生裝置(3)、移頻脈沖調制器(4)、摻鉺光纖放大器(5)、光纖環行器(6)、傳感光纖(7)、光混合器(8)、第一、第二光電探測器(9)、(10)以及信號采集和解調裝置(11)；其中：所述光源(1)輸出端與所述1×2耦合器(2)的輸入端連接；所述1×2耦合器(2)包括兩路輸出：一路連接至所述移頻脈沖調制器(4)的輸入端；所述移頻脈沖調制器(4)的輸出端連接至摻鉺光纖放大器(5)的輸入端；所述摻鉺光纖放大器(5)的輸出端連接至光纖環行器(6)的輸入端；所述1×2耦合器(2)的另一路輸出端連接至所述光混合器(8)的一路輸入端，所述光混合器(8)的該路輸出端連接至所述第二光電探測器(10)的輸入端；再經所述第二光電探測器(10)的該路輸出端連接至信號采集和解調裝置(11)；所述光纖環行器(6)的一路輸出端連接至所述光混合器(8)的另一路輸入端，所述光混合器(8)的另一路輸出端連接至所述第一光電探測器(9)；再經所述第一光電探測器(9)的另一路輸出端連接至信號采集和解調裝置(11)；

所述調制信號產生裝置(3)與所述移頻脈沖調制器(4)連接；

所述光纖環行器(6)的另一路輸出端與傳感光纖(7)連接；

其中：

所述光源(1)，用于提供系統所需長相干長度的激光輸出；

所述1×2耦合器(2)，用于將連續激光器發出的激光分成兩路，一路經過移頻脈沖調制器產生信號光，一路作為本地參考光；

所述調制信號產生裝置(3)，產生異頻雙脈沖調制信號；

所述移頻脈沖調制器(4)，用于調制產生異頻雙脈沖光信號；

所述摻鉺光纖放大器(5)，用于放大經過調制產生的信號光，增益10～30dB，滿足長距離探測的要求；

所述光纖環行器(6)，用于將信號光輸入傳感光纖并將反射回的信號光輸入到解調光路中；

所述傳感光纖(7)，用于感受聲波振動信號和傳輸光信號；

所述光混合器(8)，用于實現相干探測，輸入為反射的瑞利散射信號光和本地參考光；

所述第一、第二光電探測器(9)(10)，用于接收光混合器輸出的信號，輸出相應數字電壓信號；

信號采集和解調裝置(11)，用于采集光電探測器輸出數字電壓信號，并處理數據。

2.一種異頻雙脈沖COTDR傳感方法，其特征在于，該方法具體包括以下流程：

步驟一、光源發出頻率為f₀的連續激光，經過1×2耦合器分為本地參考光和信號光兩路光；信號光經過由調制信號產生裝置控制的移頻脈沖調制器，被調制成光頻率分別為f₀+f₁和f₀+f₂、寬度分別為W₁和W₂、脈沖間隔為W₀的異頻雙脈沖，其中f₁、f₂分別為兩個脈沖的移頻頻率；

步驟二、異頻雙脈沖先后經過摻鉺光纖放大器放大和光環行器，然后被注入傳感光纖中，在經過的傳感光纖中發生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿傳感光纖返回含有用于解調相位信息φ_1(t)、光頻率為f₀+f₁的光信號和用于解調相位信息φ_2(t)、光頻率為f₀+f₂的光信號，一同經過光環行器返回，之后，到達光混合器，與本地參考光混合干涉；

步驟三、一同返回的兩種頻率的光信號，在光混合器中分別與本地參考光發生混合干涉，由光混合器輸出I信號和Q信號，分別為：

I信號：

Q信號：

其中，A_1(t)、A_2(t)分別為兩個脈沖后向瑞利散射光與參考光的拍頻信號強度，分別為兩個脈沖的相位信息，A_1(t)，A_2(t)，均為隨時間t變化的函數；

步驟四、光信號光電探測器接收轉化成電壓信號并由信號采集和解調裝置進行解調處理，該解調處理包括：I、Q信號分別經過數字濾波，得到信號和

按計算得到中間結果按計算得到中間結果再按照計算得到兩脈沖相位差的微分最后經過積分得到傳感光纖各處的兩脈沖相位差從而得到傳感光纖各處受到振動情況。