一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计制造技术

一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计，属于光电子技术领域。所述相干光时域反射计包括窄线宽线偏振激光器、光分束器、光强度调制器、光纤环形器、保偏传感光纤、光相位调制器、保偏光纤耦合器、平衡探测器、信号处理电路和方波信号发生器；所述方波信号发生器产生周期方波信号并输入光相位调制器，以对本振光的相位进行相移键控调制，同时，在方波信号发生器的作用下，信号处理电路识别平衡探测器在不同附加相位延迟得到的信号，从而进行信号处理。本发明专利技术提供的相干光时域反射计对光电探测电路的带宽要求大大降低，使得光电探测电路中的跨阻较大，热噪声较小，从而有效提高了系统的接收信噪比和灵敏度。

A Coherent Optical Time Domain Reflectometer Based on Local Oscillator Orthogonal Phase Modulation

A coherent optical time domain reflectometer based on local oscillator quadrature phase modulation belongs to the field of optoelectronics. The coherent optical time domain reflectometer includes a narrow linewidth linear polarization laser, a beam splitter, a light intensity modulator, an optical fiber loop, a polarization maintaining sensing fiber, an optical phase modulator, a polarization maintaining fiber coupler, a balance detector, a signal processing circuit and a square wave signal generator; the square wave signal generator generates periodic square wave signals and inputs the optical phase modulator to the local oscillator light. Phase shift keying modulation is carried out. Meanwhile, under the action of square wave signal generator, signal processing circuit identifies the signals obtained by balancing detector with different additional phase delays, so as to carry out signal processing. The coherent optical time domain reflectometer provided by the invention greatly reduces the bandwidth requirement of the photoelectric detection circuit, makes the cross resistance of the photoelectric detection circuit larger and the thermal noise smaller, thereby effectively improving the received noise ratio and sensitivity of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计
本专利技术属于光电子
，具体涉及一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计。
技术介绍
光时域反射计(OTDR)是根据光的后向瑞利散射与菲涅耳反射原理，利用光在光纤中传播时产生的后向散射和反射光来获取待测器件的相关光学信息的器件，可用于测量光纤的衰减、接头损耗、定位光纤故障点等，并用于光纤温度、振动和应力等参数的传感，是进行光纤施工、维护及监测的有力工具。这种技术在1976年由Barnoski等人首次提出，到目前为止，采用瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的光时域反射技术在光纤传感系统中已经得到了广泛的关注与研究。传统OTDR的工作原理为(田国栋，基于OTDR技术的光纤测试方法探讨.现代电子技术，2009,19期：99-101)：半导体光源在驱动电路调制下输出光脉冲，经过光耦合器注入被测光纤成为入射光脉冲；入射光脉冲在光纤中传输时会产生瑞利散射光，大部分瑞利散射光将折射入包层后衰减，其中与光脉冲传播方向相反的背向瑞利散射光将会沿着光纤传输到进光端口，经定向耦合器入射光电探测器，通过对光电信号的处理得到待测物理量。传统OTDR的主要缺点是：瑞利散射光非常微弱，直接光电探测获得的信噪比不高，限制了整个系统的测量距离和定位精度。采用外差探测技术可以在很大程度上提高接收信噪比，国内外研究者在这方面开展了广泛的探索和尝试，如YuelanLu等(YuelanLu,TaoZhu,Member,IEEE.DistributedVibrationSensorBasedonCoherentDetectionofPhase-OTDR[J].JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.28,NO.22,NOVEMBER15,2010.)研制了一种外差式OTDR用于振动传感。其工作原理是：将一台1.55μm的窄线宽单频连续激光器的输出经光纤耦合器分成两束，其中一束经声光调制器移频200MHz并通过调制产生脉冲激光，再经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大，并采用光纤滤波器滤除大部分自发辐射光；滤波后的脉冲光通过光纤环形器注入1.2km的测试光纤，在传输过程中产生后向散射光(信号光)；信号光通过光环形器后注入光纤耦合器，在其中与单频连续激光器输出的另一束光(本振光)进行干涉，光纤耦合器的输出接入平衡探测器，得到频率为200MHz的拍频信号，通过后续数据处理即可得到测试光纤中的振动信息。该方法与直接探测相比，通过外差方式提高了系统的信噪比和灵敏度，但是，由于信号光与本振光之间存在较大的频差(一般为100MHz～200MHz，此处为200MHz)，需要采用带宽较大的光电探测器，使得探测电路中的跨阻较小，热噪声较强，从而限制了系统信噪比和灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种信噪比高、灵敏度高的基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计，包括窄线宽线偏振激光器1、光分束器2、光强度调制器3、光纤环形器4、保偏传感光纤5-1、光相位调制器6、保偏光纤耦合器7、平衡探测器8、信号处理电路9和方波信号发生器10；所述窄线宽线偏振激光器通过光纤与光分束器的输入端相连，光分束器的两个输出端口分别连接光强度调制器的输入端和光相位调制器的输入端；光强度调制器的输出端连接光纤环形器的脉冲激光输入端口，光纤环形器的双工端口连接保偏传感光纤，光纤环形器的信号光输出端口连接保偏光纤耦合器的一个输入端口；光相位调制器的输出端口连接保偏光纤耦合器的另一个输入端口，保偏光纤耦合器的两个输出端口连接平衡探测器；平衡探测器的输出端口接入信号处理电路；所述方波信号发生器的输出端口连接光相位调制器和信号处理电路；所述方波信号发生器产生周期方波信号并输入光相位调制器，以对本振光的相位进行相移键控调制，同时，在方波信号发生器的作用下，信号处理电路识别平衡探测器在不同附加相位延迟(0°和90°)得到的信号(Va和Vb)，从而进行信号处理；当本振光在低电平时通过光相位调制器和保偏光纤耦合器后，平衡探测器输出的电压Va∝ESELOcos(Δωt+Δφ)，其中，Δω为信号光与本振光的角频率之差，Δφ为信号光与本振光的初位相之差，ES为信号光场的幅度，ELO为本振光场的幅度，t为整个信号的时间参量；当本振光在π/2电平时通过光相位调制器和保偏光纤耦合器后，平衡探测器输出的电压Vb∝ESELOsin(Δωt+Δφ)；平衡探测器输出的电压信号进入信号处理电路，信号处理电路通过对电压分别平方再求和，得到信号V＝Va2+Vb2∝ISILO，IS为信号光的强度，ILO为本振光的强度；由于本振光的强度是恒定的，从而可实现对信号光强度的解调。进一步地，所述方波信号发生器产生的方波信号的幅度为光相位调制器电压的π/2，占空比为50％。进一步地，Δω主要由激光频率漂移速率决定，通常小于1kHz。进一步地，所述保偏传感光纤可采用单模传感光纤替代，以降低系统成本；当采用单模传感光纤时，须在光纤环形器的信号光输出端口与保偏光纤耦合器的输入端口之间添加光纤偏振控制器，通过光纤偏振控制器调节输入到保偏光纤耦合器的信号光偏振方向，使本振光和信号光的偏振方向保持一致。本专利技术提供的一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计中，所述窄线宽线偏振激光器产生窄线宽、线偏振的单频激光，通过光分束器将激光分为两束，其中一束光作为本振光经光相位调制器后输入保偏光纤耦合器，另一束光输入光强度调制器，将连续激光调制成脉冲激光，通过光纤环形器输入保偏传感光纤；由于光纤自身的瑞利散射，有部分信号光会返回光纤环形器，不同时刻返回的光功率代表了不同位置的传感光纤的散射特性；散射的回波光信号经过光纤环形器后，与本振光在保偏光纤耦合器内相干叠加，输出两路相位差分别为0°和180°的相干光信号，被平衡探测器接收；所述方波信号发生器产生周期方波信号并输入光相位调制器，以对本振光的相位进行相移键控调制，所述方波信号的幅度为光相位调制器电压的π/2，占空比为50％，同时，方波信号发生器给信号处理电路一个触发作用，使得信号处理电路能识别从平衡探测器在不同附加相位延迟(0°和90°)所得到的信号(Va和Vb)，从而进行信号处理；当本振光在低电平时通过光相位调制器，其附加相位延迟为0°，平衡探测器输出的光电信号电压Va∝ESELOcos(Δωt+Δφ)，其中，Va为本振光在低电平时平衡探测器的输出电压，Δω为信号光与本振光的角频率之差ωS-ωLO，对于稳定光源，两束光的频率差一般较小，主要由激光频率漂移速率决定，通常小于1kHz，Δφ为信号光与本振光的初位相之差φS-φLO，ES(信号光)和ELO(本振光)分别为信号光场与本振光场的幅度，t为整个信号的时间参量；当本振光在π/2电平时通过光相位调制器，其附加相位延迟为90°，平衡探测器输出的光电信号电压Vb∝ESELOsin(Δωt+Δφ)，Vb为本振光在π/2电平时平衡探测器的输出电压；平衡探测器输出的电压信号进入信号处理电路，信号处理电路将每个调制周期内前半个周期(附加相位延迟为0°)的电压信号和后半个周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计，包括窄线宽线偏振激光器(1)、光分束器(2)、光强度调制器(3)、光纤环形器(4)、保偏传感光纤(5‑1)、光相位调制器(6)、保偏光纤耦合器(7)、平衡探测器(8)、信号处理电路(9)和方波信号发生器(10)；所述窄线宽线偏振激光器与光分束器的输入端相连，光分束器的两个输出端口分别连接光强度调制器的输入端和光相位调制器的输入端；光强度调制器的输出端连接光纤环形器的脉冲激光输入端口，光纤环形器的双工端口连接保偏传感光纤，光纤环形器的信号光输出端口连接保偏光纤耦合器的一个输入端口；光相位调制器的输出端口连接保偏光纤耦合器的另一个输入端口，保偏光纤耦合器的两个输出端口连接平衡探测器；平衡探测器的输出端口接入信号处理电路；所述方波信号发生器的输出端口连接光相位调制器和信号处理电路；所述方波信号发生器产生周期方波信号并输入光相位调制器，以对本振光的相位进行相移键控调制；当本振光在低电平时通过光相位调制器和保偏光纤耦合器后，平衡探测器输出的电压Va∝ESELOcos(Δωt+Δφ)，其中，Δω为信号光与本振光的角频率之差，Δφ为信号光与本振光的初位相之差，ES为信号光场的幅度，ELO为本振光场的幅度；当本振光在π/2电平时通过光相位调制器和保偏光纤耦合器后，平衡探测器输出的电压Vb∝ESELOsin(Δωt+Δφ)；平衡探测器输出的电压信号进入信号处理电路，信号处理电路通过对电压分别平方再求和，得到信号V＝Va2+Vb2∝ISILO，IS为信号光的强度，ILO为本振光的强度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于本振光正交相位调制的相干光时域反射计，包括窄线宽线偏振激光器(1)、光分束器(2)、光强度调制器(3)、光纤环形器(4)、保偏传感光纤(5-1)、光相位调制器(6)、保偏光纤耦合器(7)、平衡探测器(8)、信号处理电路(9)和方波信号发生器(10)；所述窄线宽线偏振激光器与光分束器的输入端相连，光分束器的两个输出端口分别连接光强度调制器的输入端和光相位调制器的输入端；光强度调制器的输出端连接光纤环形器的脉冲激光输入端口，光纤环形器的双工端口连接保偏传感光纤，光纤环形器的信号光输出端口连接保偏光纤耦合器的一个输入端口；光相位调制器的输出端口连接保偏光纤耦合器的另一个输入端口，保偏光纤耦合器的两个输出端口连接平衡探测器；平衡探测器的输出端口接入信号处理电路；所述方波信号发生器的输出端口连接光相位调制器和信号处理电路；所述方波信号发生器产生周期方波信号并输入光相位调制器，以对本振光的相位进行相移键控调制；当本振光在低电平时通过光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云祥，李天鹏，郭键聪，邱琪，廖云，史双瑾，苏君，王智勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51