基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法，其中方法包括以下步骤：激光器输出光信号；将光信号分为两路光信号，分别进行调制；对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声，生成参考信号；第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光与第二路光信号经过拍频后得到测量信号；采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。本发明专利技术采用两个声光调制器，通过引入参考信号进行共模抑制的方法降低了相位敏感型光时域反射仪中激光器频率噪声、声光调制器频率噪声对测量结果的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法
本专利技术涉及光时域反射仪，尤其涉及一种基于双声光调制器的光时域反射仪及其共模抑制方法。
技术介绍
相位敏感型光时域反射仪(以下简称Phase-OTDR)是一种基于瑞利散射的分布式光纤传感器，能对传感光纤沿线的外界动态物理量进行远程监测。Phase-OTDR需要采用窄线宽(小于10KHz)和极小频率漂移的激光器作为光源，通过探测光脉冲宽度区域内光纤中背向瑞利散射光的干涉信号的变化进而获得扰动位置处的环境参量信息(温度、压力、振动、声音等)，并通过测量光脉冲返回时间对事件进行定位。它除了拥有分布式光纤传感器的典型优点外，还具有测量信号频带宽、定位精度指标高、探测灵敏高等特点，特别适合于长距离周界安防、石油石化天然气输送管道的安全预警、电力电缆及城市供水供气管道防挖掘监控等分布式周界安全和结构健康监测领域。为了不断提高Phase-OTDR的性能，研究者们进行了广泛深入的研究：XiaoyiBao等人于2010年[参见Y.L.Lu，T.Zhu，L.A.Chen，andX.Y.Bao，Distributedvibrationsensorbasedoncoherentdetectionofphase-OTDR，J.Lightw.Technol.2010，28(22)，3243-3249.]提出了在Phase-OTDR基础上引入相干探测及外差检测的方法对宽带振动或者声音信号进行定位和频谱响应测试，提升了Phase-OTDR的信噪比，系统空间分辨率为5m，频率响应可以到1kHz。该光路系统中仅使用了一个声光调制器进行移频和探测脉冲生成，实验测试局限于定性测量扰动信号的振幅和频率信息，没有定量获得光纤扰动位置的相位信息。饶云江等人于2007年[参见基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的Φ-OTDR光纤分布式传感系统[J].光学学报,2007,28(3):569-572.]提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的Phase-OTDR传感系统，该传感系统定位精度可达到50m，定位范围14km，信噪比为12dB。由于该传感系统采用直接探测的方法，空间分辨率较低，也无法实现相位信息的定量测量。周俊等人于2011年[参见光频分复用相位敏感光时域反射计，专利技术专利，申请号：201210124995.3]提出了基于光频分复用和数字相干检测的Phase-OTDR技术，可以提取瑞利散射信号的振幅和相位信息，进而获得光纤沿线的扰动。该专利技术方案利用相位调制器产生多个频率分量进行复用测量，并使用了一个声光调制器进行移频和光脉冲生成，对于数据采集及信号后处理的采样率及数据并行处理硬件性能指标要求较高，采集卡的采样率需要高达500MHz以上，这对硬件电路的设计提出了十分苛刻的要求，不利于相位测量系统的噪声抑制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于进一步提升相位敏感型光时域反射仪的系统性能指标，降低测量信号中的相位噪声。本专利技术为达到专利技术目的所采用的技术方案是：提供一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法，包括以下步骤：激光器输出频率为ω+Δω的光信号，其中激光器产生的频率噪声为Δω；将激光器输出的光信号分为两路光信号，将第一路光信号经过一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f1+Δf1，第二路光信号经过另一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f2+Δf2；对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声Δω，生成频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)的参考信号；第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光的频率为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，其与第二路光信号经过拍频后得到频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ的测量信号；采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号ΔΦ。本专利技术还提供了一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，包括：激光器，输出光信号，该光信号中包含激光器产生的频率噪声；分光器件，将激光其产生的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，其中第一路光信号注入传感光纤；第一声光调制器，与分光器件连接，对第一路光信号进行声光调制；第二声光调制器，与分光器件连接，对第二路光信号进行声光调制；第一拍频电路，将经过第一声光调制器和第二声光调制器调制的信号进行拍频，生成参考信号，以消除激光器的频率噪声；第二拍频电路，将传感光纤的背向散射光与第二路光信号进行拍频，得到测量信号；多通道同步数据采集电路，与第一拍频电路和第二拍频电路连接，采集参考信号和测量信号；数字信号并行计算单元，将多通道同步数据采集电路采集的数字信号进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。本专利技术所述的反射仪中，该反射仪还包括数据显示及存储模块，将数字信号并行计算单元的待测信号进行显示和存储。本专利技术所述的反射仪中，该反射仪还包括时序同步及控制电路，与多通道同步数据采集电路连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；第一声光调制器和第二声光调制器均通过射频信号驱动源驱动。本专利技术还提供一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，包括窄线宽光纤激光器、第一光纤耦合分束器、第二光纤耦合分束器、第三光纤耦合分束器、第四光纤耦合分束器、第五光纤耦合分束器、第一声光调制器、第二声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、第一光电探测器、第二光电探测器和多通道同步数据采集卡；所述窄线宽光纤激光器发出的光经所述的第一光纤耦合分束器分成两路光信号，其中一路光信号经过第一声光调制器，另一路光信号经过第二声光调制器，两路光信号经过声光调制后再通过第二光纤耦合分束器和第三光纤耦合分束器；经过光纤耦合分束器的光又被各自分为两路，其中一路经由掺铒光纤放大器、光纤环形器注入到传感光纤，传感光纤的背向散射信号光通过光纤环形器的一个端口进入第五光纤耦合分束器的一端，与来自第二声光调制器并经过第三光纤耦合分束器的一路光汇合，共同作用于第二光电探测器，形成测量信号；经过第二光纤耦合分束器和第三光纤耦合分束器的其他两路光信号经由第四光纤耦合分束器汇合共同作用于第一光电探测器；多通道同步数据采集卡与第一光电探测器和第二光电探测器连接，对两者的电压信号进行采集；该反射仪还包括数字信号并行计算单元和数据显示及存储模块，数字信号并行计算单元将多通道同步数据采集卡采集的数字信号进行滤波、特征提取和事件模式识别，最后将处理结果送到数据显示及存储模块。本专利技术所述的反射仪中，该反射仪还包括时序同步及控制电路、第一射频信号驱动源和第二射频信号驱动源，时序同步及控制电路与多通道同步数据采集卡连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；射频信号驱动源驱动声光调制器，射频信号驱动源驱动声光调制器。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术采用两个声光调制器，通过引入参考信号进行共模抑制的方法降低了相位敏感型光时域反射仪中激光器频率噪声、声光调制器频率噪声对测量结果的影响。同时还降低了拍频信号的频率，从而缓解了对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求。进一步提高了相位敏感型光时域反射仪的信号振幅及相位测量精度，避免了过高采样率条件下导致的对系统性能指标的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：激光器输出频率为ω+Δω的光信号，其中激光器产生的频率噪声为Δω；将激光器输出的光信号分为两路光信号，将第一路光信号经过一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f1+Δf1，第二路光信号经过另一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f2+Δf2；对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声Δω，生成频率为(f1‑f2)+(Δf1‑Δf2)的参考信号；第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光的频率为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，其与第二路光信号经过拍频后得到频率为(f1‑f2)+(Δf1‑Δf2)+ΔΦ的测量信号；采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号ΔΦ。

【技术特征摘要】
1.一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪的共模抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：激光器输出频率为ω+Δω的光信号，其中激光器产生的频率噪声为Δω；将激光器输出的光信号分为两路光信号，将第一路光信号经过一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f1+Δf1，第二路光信号经过另一个声光调制器进行调制，调制后的频率变为ω+Δω+f2+Δf2；对两路光信号进行直接拍频，以消除激光器的频率噪声Δω，生成频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)的参考信号；第一路光信号经放大后进入传感光纤，传感光纤的背向散射光的频率为ω+Δω+f1+Δf1+ΔΦ，其与第二路光信号经过拍频后得到频率为(f1-f2)+(Δf1-Δf2)+ΔΦ的测量信号；采集所述测量信号与所述参考信号，并进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号ΔΦ。2.一种基于双声光调制器的相位敏感型光时域反射仪，其特征在于，包括：激光器，输出光信号，该光信号中包含激光器产生的频率噪声；分光器件，将激光器产生的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，其中第一路光信号注入传感光纤；第一声光调制器，与分光器件连接，对第一路光信号进行声光调制；第二声光调制器，与分光器件连接，对第二路光信号进行声光调制；第一拍频电路，将经过第一声光调制器和第二声光调制器调制的信号进行拍频，生成参考信号，以消除激光器的频率噪声；第二拍频电路，将传感光纤的背向散射光与第二路光信号进行拍频，得到测量信号；多通道同步数据采集电路，与第一拍频电路和第二拍频电路连接，采集参考信号和测量信号；数字信号并行计算单元，将多通道同步数据采集电路采集的数字信号进行相位解调，以对参考信号和测量信号进行相位比较，获得待测信号。3.根据权利要求2所述的反射仪，其特征在于，该反射仪还包括数据显示及存储模块，将数字信号并行计算单元的待测信号进行显示和存储。4.根据权利要求2所述的反射仪，其特征在于，该反射仪还包括时序同步及控制电路，与多通道同步数据采集电路连接，对其进行控制，实现光探测脉冲触发和同步采样；第一声光调制器和第二声光调制器均通过射频信号驱动源驱动。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：闫奇众，印新达，谢竞，
申请(专利权)人：武汉理工光科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42