[發明專利]一種具有高運算效率的鎖相型φ-OTDR系統

在審

• 申請號: 202110652272.X
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113390446A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 張益昕;佟帥;張旭蘋;陳曉紅;鄒寧睦;張馳;王峰
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 田凌濤

1.一種具有高運算效率的鎖相型φ-OTDR系統，用于針對待測傳感光纖，實現背向瑞利散射光信號的檢測，其特征在于：包括激光器、耦合器A、相位鎖定模塊、AOM聲光晶體、摻鉺光纖放大器、光纖環形器、傳感光纖、耦合器B、平衡探測器；

其中，激光器的激光輸出端與耦合器A的輸入端相連接，由激光器輸出連續的窄線寬激光至耦合器A中，并由耦合器A針對所接收窄線寬激光，按預設光功率比例劃分為初始探測光與本振光；

耦合器A的其中一個輸出端對接AOM聲光晶體的輸入端，用于向AOM聲光晶體輸送初始探測光，耦合器A的另一個輸出端對接耦合器B上的其中一個輸入端，用于向耦合器B輸送本振光；AOM聲光晶體接收相位鎖定模塊輸出的幅度調制射頻信號，并在該幅度調制射頻信號的控制下，將所接收初始探測光調制成脈沖探測光信號；

AOM聲光晶體的輸出端對接摻鉺光纖放大器的輸入端，用于向摻鉺光纖放大器輸送脈沖探測光信號，由摻鉺光纖放大器按預設比例針對脈沖探測光信號進行放大；

摻鉺光纖放大器的輸出端對接光纖環形器的輸入端，由光纖環形器接收來自摻鉺光纖放大器的脈沖探測光信號，光纖環形器的其中一端對接待測傳感光纖，將脈沖探測光信號輸送至待測傳感光纖，并由光纖環形器的該端接收來自待測傳感光纖的背向瑞利散射光信號，光纖環形器的輸出端對接耦合器B上的另一個輸入端，將所接收背向瑞利散射光信號輸送至耦合器B；

耦合器B針對所接收本振光與背向瑞利散射光信號進行混頻形成相干光信號，并按50％的光強針對該相干光信號劃分為兩路子相干光信號，耦合器B的兩個輸出端對接平衡探測器的兩個輸入端，用于將兩路子相干光信號分別輸送至平衡探測器中，平衡探測器針對所接收兩路子相干光信號進行電信號的轉換；

相位鎖定模塊包括數據采集卡、混頻器、功率放大器，數據采集卡的接收端對接平衡探測器的電信號輸出端，由數據采集卡接收來自平衡探測器的電信號，數據采集卡內部內置低頻參考時鐘，該低頻參考時鐘用于生成數據采集卡的采樣時鐘信號、載波信號，以及合成脈沖調制信號，從而實現該三個信號的同步鎖相；數據采集卡與混頻器相連，向混頻器輸送載波信號與脈沖調制信號，由混頻器針對載波信號與脈沖調制信號進行混頻形成觸發調制信號，混頻器的輸出端對接功率放大器的輸入端，向功率放大器輸送觸發調制信號，由功率放大器針對觸發調制信號進行放大產生幅度調制射頻信號。

2.根據權利要求1所述一種具有高運算效率的鎖相型φ-OTDR系統，其特征在于：所述數據采集卡所產生脈沖調制信號的重復周期，為所述混頻器所輸出觸發調制信號和所述AOM聲光晶體頻移重復周期的正整數倍。

3.根據權利要求2所述一種具有高運算效率的鎖相型φ-OTDR系統，其特征在于：所述數據采集卡對應的采樣率為所述AOM聲光晶體移頻的4/5。

4.根據權利要求3所述一種具有高運算效率的鎖相型φ-OTDR系統，其特征在于：還包括與所述數據采集卡相連的上位機，由數據采集卡將接收來自平衡探測器的電信號上傳至上位機中，上位機按間隔一個采樣點的方式，針對單個時鐘周期內來自數據采集卡的電信號進行分解，獲得奇數采樣點與偶數采樣點，針對電信號實現IQ解調，獲得待測傳感光纖所對應背向瑞利散射光信號的幅度信息和相位信息。

5.根據權利要求4所述一種具有高運算效率的鎖相型φ-OTDR系統，其特征在于：基于數據采集卡對應的采樣率為所述AOM聲光晶體移頻的4/5，即中頻信號頻率f_m與數據采集卡所對應采樣率f_s，滿足則所述數據采集卡接收來自平衡探測器的電信號S(n)如下：

其中，n＝1,2,3...N，N為采樣點總數，S(n)表示平衡探測器輸出對應第n個采樣點的電信號，A(n)＝2E_R(n)E_L(n)，E_R(n)為背向瑞利散射光信號對應第n個采樣點的振幅強度，E_L(n)為本振光對應第n個采樣點的振幅強度，相位表示背向瑞利散射光信號對應第n個采樣點的的初始相位，表示本振光對應第n個采樣點的的初始相位；

進一步，上位機按間隔一個采樣點的方式，針對單個時鐘周期內來自數據采集卡的電信號進行分解，獲得奇數采樣點與偶數采樣點如下：