一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种结合PGC技术和Φ‑OTDR技术探测光纤振动的方法及装置，该方法将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ‑OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。本发明专利技术具有低噪声、灵敏度高、性能稳定的特点。

A method and device for detecting optical fiber vibration combined with PGC technology and -OTDR Technology

The invention discloses a method and device for detecting optical fiber vibration with PGC technology and OTDR technology. The method divides the narrow line width laser into two channels, and the optical fiber interferometer is introduced after phase modulation by PZT as a reference light, and the other is used as a signal light to obtain Rayleigh backscatter light through the method of OTDR. After the interferometer is introduced, the interference between the signal light and the reference light is realized by the optical fiber interferometer; the interference signal is demodulated by the anti tangent PGC demodulation method. The interference signal is unfolded through the Bessel function to obtain the backscattered light phase information, thus the high precision optical fiber vibration information is obtained. The invention has the characteristics of low noise, high sensitivity and stable performance.

【技术实现步骤摘要】
一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置
本专利技术涉及一种分布式光纤传感的方法，尤其涉及一种结合PGC(phasegeneratedcarrier)技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置。
技术介绍
世界上首次出现的的衰减小于20dB/km的光纤是康宁公司在1970年研制的，自此光纤的各方面性能都得到了极大的提升，加上光纤成本的降低，使得光纤在通信中发挥了极大的作用。在通信系统中，光纤主要是作为光信号传输的媒介，而实际上当光纤所处环境的外界状态(如温度、应变、磁场)等发生变化后，光纤中传输的光波的各种参数(如强度、相位信息、偏振态等)都会受到调制，探测通过光纤中光波的不同参数信息便可以实现传感。相对于传统的机械式以及电式传感器，光纤传感器具有许多独特的优点；1.耐腐蚀、抗高温、体积小、质量捂，能够适用多种环境。光纤由于自身材料(其主要成分为二氧化硅SiO2)的特点能够在强腐蚀性、高温等恶劣环境下正常工作。此外光纤直径极小，质量轻，能够与待测物紧密的结合，且不影响待测物的性能。因此光纤传感器能够植入到待测物中，构成新型智能传感器。2.灵敏度高。由于使用光波作为探测信号而光信号通常具有较短的波长和极高的频率，这使得其可以应用于各种微小信号检测的场合。3.可测参量多、对象广。光纤传感器可以实现对温度、应变、位移、压力、电流、电压、加速度等参量的测试，还能够被应用于测量折射率、光辐射、湿度等领域。不同的应用场合，传感器所需要具备的测量范围不同，按照测量范围进行分类可分为：1.点式传感器：它仅能够实现单点事件或该点附近较小区域内事件的探测；2.准分布式光纤传感器：它由多个点式的传感器组成，通过各种复用技术实现多点信号的测量，光纤光栅是一种使用较为普遍的准分布式光纤传感器；3.分布式光纤传感器。这类技术能够对整条光纤进行连续的，无盲区的测量，能够应用于大范围、长距离的场合，是光纤传感技术一个十分重要的分支。自1976年Barnsen和Jensor最早提出了光纤中背向散射光可以应用于传感后，基于背向瑞利散射光的OTDR技术(OpticalTimeDomainReflectometer)的出现使得分布式光纤传感技术的概念更加突出。20世纪80年代，基于布里渊散射光和拉曼散射光的分布式传感技术也分别被报道。在90年代初这些分布式传感器的性能得到了极大的提升，引起了更多研究者关注，被认为是极具潜力的一个研究方向。基于瑞利散射的OTDR技术，基于布里渊散射光的分布式传感技术，以及基于拉曼散射的拉曼光时域反射技术是分布式光纤传感技术中三个重要的分支。其中基于布里渊散射光的分布式传感技术中主要包括BOTDR技术(BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry)BOTDA技术(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)。分布式光纤传感器是大型基础设施结构健康监测的优秀解决方案，对大型基础设施的温度进行监测可以有效的预防火灾等险情，而对振动进行监测可以进行周界安防。温度和振动的监测是分布式光纤传感技术两个重点关注的参量。同时，温度和振动也是静态参量和动态参量的两种典型参量。在诸多分布式光纤传感技术中基于瑞利散射的OTDR技术和BOTDR技术，在温度和振动的监测上具有突出的优点，是两种应用十分广泛的分布式光纤传感技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法及装置。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法，该方法将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ-OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。进一步地，所述采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，具体为：原信号分别与单倍频和二倍频混频低通滤波后得到两个正交的正弦项和余弦项，将两个正交项相除得到正切信号，再进行反正切运算，最后经过高通滤波实现信号的解调。一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置，该装置包括：激光二极管、隔离器、功率分叉器、第一EDFA功率放大器、第一环形器、第一FBG光纤布拉格光栅、第二环形器第二EDFA功率放大器、第三环形器第二FBG光纤布拉格光栅、衰减器、压电陶瓷、压电陶瓷调制器和待测光纤；其中，所述激光二极管、隔离器和功率分叉器依次相连，功率分叉器的输出端分别连接第一EDFA功率放大器和衰减器；第一EDFA功率放大器连接第一环形器的第一端口，第一环形器的第二端口和第三端口分别连接第一FBG光纤布拉格光栅、第二环形器的第一端口，第二环形器的第二端口连接待测光纤，第三端口依次连接第二EDFA功率放大器、第三环形器的第一端口，第三环形器的第二端口连接第二FBG光纤布拉格光栅，第三端口输入光纤干涉仪；衰减器与压电陶瓷相连后输入光纤干涉仪，压电陶瓷由压电陶瓷调制器驱动。进一步地，所述光纤干涉仪包括依次连接的2x1耦合器、光电二极管、模拟数字转换器、DSP芯片，2x1耦合器接收压电陶瓷输出的参考光和第三环形器的第三端口输出的信号光，通过光电二极管转换成电信号，通过模拟数字转换器转化成数字信号，通过DSP芯片将干涉信号进行解调，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。进一步地，所述激光二极管为DFB激光二极管或DBR激光二极管。进一步地，所述功率分叉器分出90-99％功率的光用作探测光输入第一EDFA功率放大器，剩余1-10％功率的光为参考光输入衰减器。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术具有低噪声、高灵敏度、高精度识别和分析、稳定性高的特点。2.本专利技术基于高灵敏度PGC相位测量，使该结构可以获得极高的温度及应变分辨力，可通过缩短光源线宽来扩展动态测量范围。3.本专利技术可实现分布式探测，可实现实时多点的同时探测，可通过和光纤干涉仪复用提高空间分辨率并实现通信和传感的同时进行。附图说明图1为本专利技术结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置的光路示意图；图中，激光二极管1、隔离器2、功率分叉器3、第一EDFA功率放大器4、第一环形器5、第一FBG光纤布拉格光栅6、第二环形器7、第二EDFA功率放大器8、第三环形器9、第二FBG光纤布拉格光栅10、衰减器11、压电陶瓷12、压电陶瓷调制器13、2x1耦合器14、光电二极管15、模拟数字转换器16、DSP芯片17、待测光纤18。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的工作原理如下：1.常规干涉仪中的两束光，信号光和参考光当仅为两束光干涉的情形下，E1(t)＝A1cos(ωt+φ1)，E2(t)＝A2cos(ωt+φ2)则本专利技术在参考光加入了调制深度为M、超声频率为ω0的光程差调制，以获取干涉条纹的高分辨解析，即的相位差被调制。设其对相位的调制为H＝Msin(ω0t+Δφ1)，则此时探测到的光强为：I(t)＝I0+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合PGC技术和Φ‑OTDR技术探测光纤振动的方法，其特征在于，将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ‑OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。

【技术特征摘要】
1.一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的方法，其特征在于，将窄线宽激光分成两路，一路作为参考光，通过PZT进行相位外调制后，引入光纤干涉仪；另一路作为信号光，通过Φ-OTDR方式获得瑞利后向散射光后，引入光纤干涉仪；通过光纤干涉仪实现信号光和参考光的干涉；采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，对干涉信号通过贝塞尔函数进行展开，获得后向散射光相位信息，从而得到高精度的待测光纤振动信息。2.根据权利要求1所述的探测光纤振动的方法，其特征在于，所述采用反正切PGC解调法对干涉信号进行解调，具体为：原信号分别与单倍频和二倍频混频低通滤波后得到两个正交的正弦项和余弦项，将两个正交项相除得到正切信号，再进行反正切运算，最后经过高通滤波实现信号的解调。3.一种结合PGC技术和Φ-OTDR技术探测光纤振动的装置，其特征在于，该装置包括：激光二极管(1)、隔离器(2)、功率分叉器(3)、第一EDFA功率放大器(4)、第一环形器(5)、第一FBG光纤布拉格光栅(6)、第二环形器(7)、第二EDFA功率放大器(8)、第三环形器(9)、第二FBG光纤布拉格光栅(10)、衰减器(11)、压电陶瓷(12)、压电陶瓷调制器(13)和待测光纤(18)；其中，所述激光二极管(1)、隔离器(2)和功率分叉器(3)依次相连，功率分叉器(3)的输出端分别连接第一EDFA功率放大器(4)和衰减器(11)；第一EDFA...

【专利技术属性】
技术研发人员：单子豪，吴兴坤，谭清华，
申请(专利权)人：广州天长通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44