[發明專利]一種雙波長頻率分集的相位敏感光時域反射系統

有效

• 申請號: 202110651155.1
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113566858B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 王宇;李妍;靳寶全;高妍;張紅娟;白清;劉昕;王鵬飛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 趙江艷

本發明屬于分布式光纖傳感技術領域，公開了一種基于雙波長頻率分集的相位敏感光時域反射系統，利用波分復用技術將探測光波長為1550nm的相干探測相位敏感光時域反射系統和探測光波長為1310nm的輔助干涉結構相結合，借助輔助干涉結構對外界振動信號進行快速感知，從而利用計算機控制實現單頻探測狀態與多頻探測狀態的切換，避免外界無振動信號時的多頻探測導致的計算資源的浪費。此外，多頻探測狀態下，利用隨機數生成器產生隨機信號驅動并控制相位調制器，實現多頻探測激光中三個頻率分量強度的隨機變化，增強多頻瑞利后向散射光中各頻率分量間的不相關度，提升頻率分集效率。因此，本發明可在實現干涉衰落抑制的同時提升系統實時性能。

技術領域

本發明屬于分布式光纖傳感技術領域，具體為一種雙波長頻率分集的相位敏感光時域反射系統。

背景技術

近年來，光纖振動傳感技術因其耐腐蝕、絕緣性好、抗電磁干擾、測量范圍廣等優點，吸引了眾多研究者的關注。相位敏感光時域反射系統作為一種典型的光纖振動傳感系統，因其響應速度快和靈敏度高等特點，在結構健康監測、周界安防以及油氣管道監測等領域顯示出巨大應用潛力。

相位敏感光時域反射系統通過窄線寬激光器生成探測激光，其在光纖中傳播時會不斷生成瑞利后向散射光。由于系統所使用的窄線寬激光器相干長度較長，使得瑞利后向散射光容易發生干涉衰落現象，導致在某些位置處的瑞利后向散射光強度接近于零，造成信號相位解調產生誤差。

頻率分集技術是應用較為廣泛的干涉衰落抑制方法。頻率分集技術利用各類激光調制器件生成包含多個頻率分量的多頻探測激光，使得系統從單頻探測狀態轉化為多頻探測狀態，最后通過對接收到的多頻瑞利后向散射光進行光電轉換和信號聚合來消除干涉衰落。與單頻探測狀態相比，多頻探測狀態由于需要分別對多個頻率分量的信號進行濾波、聚合、相位解調等操作，導致信號處理時間成倍增加。此外，由于振動信號并非始終存在，外界無振動信號時的多頻探測會浪費大量的計算資源，嚴重影響系統響應的實時性。同時，傳統頻率分集技術中的多個頻率分量強度通常固定不變，造成不同頻率的瑞利后向散射光之間存在一定相關度，從而影響了頻率分集效率。因此，提升實時性能并優化干涉衰落抑制效率仍是相位敏感光時域反射系統需要解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于克服傳統頻率分集技術中多個頻率分量強度固定不變、當外界無振動信號時仍采用多頻探測狀態會浪費大量計算資源的弊端，公開一種可實現單頻探測狀態與多頻探測狀態高效切換，且多個頻率分量強度可隨機變化的雙波長頻率分集的相位敏感光時域反射系統，可在實現干涉衰落抑制的同時提升系統實時性能。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于雙波長頻率分集的相位敏感光時域反射系統，包括：1550nm激光器、第一光纖耦合器、聲光調制器、相位調制器、摻鉺光纖放大器、光環形器、第一波分復用器、第一傳感光纖、壓電陶瓷、第二傳感光纖、第二波分復用器、第一光隔離器、法拉第旋轉鏡、第二光纖耦合器、平衡光電探測器、計算機、隨機數生成器、1310nm激光器、第二光隔離器、第三光纖耦合器、延遲光纖、第四光纖耦合器、光電探測器和閾值比較器；

所述1550nm激光器的輸出端連接第一光纖耦合器的輸入端；第一光纖耦合器的第一輸出端依次經聲光調制器、相位調制器、摻鉺光纖放大器后連接環形器的第一連接端，第一光纖耦合器的第二輸出端連接第二光纖耦合器的第一輸入端；環形器的第二連接端連接第一波分復用器的第二輸入端；第一波分復用器的輸出端經第一傳感光纖、壓電陶瓷和第二傳感光纖連接到第二波分復用器的輸入端；第二波分復用器的第一輸出端連接第一光隔離器，第二波分復用器的第二輸出端連接法拉第旋轉鏡；環形器的第三連接端連接第二光纖耦合器的第二輸入端；第二光纖耦合器的第一輸出端和第二輸出端與平衡光電探測器連接；平衡光電探測器的信號輸出端連接計算機的輸入端；