一种相干探测型Φ-OTDR系统及自检方法技术方案

本发明专利技术公开了一种相干探测型Φ‑OTDR系统的自检方法，系统装置包括激光器、第一耦合器、可调光衰减器(OVA)、声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤环形器、第二耦合器、平衡探测器、可调增益低噪放大器(LNA)、信号采集卡、传感光纤装置盒、脉冲发生器。运行该传感系统，得到光纤盒内光纤的瑞利背向散射信号；对原始信号进行强度分析，频域分析，结果均趋于稳定正常值则说明系统正常工作，否则系统处于故障状态；正常工作情况下调节EDFA到合适的参数以提高系统信号强度；调节OVA和LNA大小来提高系统的信噪比，得到系统最优性能。本发明专利技术公开的系统自检方法，能快速检测系统是否正常运行，并优化系统性能，具有实际应用价值。

A coherent detection type \u03a6 - OTDR system and self checking method

【技术实现步骤摘要】
一种相干探测型Φ-OTDR系统及自检方法
本专利技术属于光纤传感
，尤其涉及一种相干探测型Φ-OTDR系统及自检方法。
技术介绍
对长距离、大规模的基础设施的结构健康状态，研究有效的监测系统已成为研究的热点。分布式光纤传感系统由于具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感等优点，已经应用到很多结构健康检测领域。1993年，美国的Taylor.HenryF，首次提出利用光纤中瑞利散射光的相干衰落效应进行传感，是最早的Φ-OTDR。Φ-OTDR可以探知并定位待测光纤上外加的扰动事件，已经广泛应用于大型结构的健康监测。Φ-OTDR探测技术可分为直接探测方式和相干探测方式。自外差相干探测Φ-OTDR系统结构如附图1所示,是将激光器发出的连续光分出一部分作为本地参考光,探测光与本地参考光通过耦合器拍频后输入到光电探测器中进行探测，可以使得最后探测器探测的中频交流分量与本振光功率和信号光功率的乘积的开方成正比，而不在是只与信号光功率成正比,可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的探测灵敏度和信噪比。Φ-OTDR系统的性能会因系统器件的参数设置不同，环境因素的影响而发生变化。而人工调试机器时，判断机器工作状态会受主观因素影响，凭经验调试机器并不总能接近最优设置方法。为了快速判断出机器是否处于正常工作状态，并且有效调试器件获得较好参数组合以提升系统的探测能力，我们提出了一种系统自检方法，设计了一种光纤传感装置盒，能快速判断系统性能优劣并得出较好的参数组合，具有应用价值。使用该自检方法，可以对该类型的传感系统进行开机自检查，帮助快速准确地掌握机器的工作情况。
技术实现思路
专利技术目的：针对本专利技术所要解决的技术问题，本专利技术提出一种相干探测Φ-OTDR系统及自检方法，能快速判断系统性能优劣并得出较好的参数组合。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种相干探测型Φ-OTDR系统，包含激光器、第一耦合器、可调光衰减器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、第二耦合器、平衡探测器、可调增益低噪放大器、信号采集卡、传感光纤装置盒、脉冲发生器；其中：激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：两路光分别输入至声光调制器及可调光衰减器；可调光衰减器，用于将第一耦合器输出的10％连续光进行适当衰减后输入至第二耦合器；声光调制器，用于将第一耦合器输出的连续光调制产生脉冲光，并输入至掺铒光纤放大器；掺铒光纤放大器，用于将输入的脉冲光放大后输出至光纤环形器；光纤环形器，用于将放大的脉冲光从其第1端口输入，并由其第2端口注入至接入的传感光纤装置盒，并且由光纤产生的背向瑞利散射光由光纤环形器的第3端口输出至第二光纤耦合器；第二光纤耦合器，用于将光纤环形器的第3端口输入的瑞利背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；平衡探测器，用于混频光信号转换成电信号输出至可调增益低噪放大器；可调增益低噪放大器，用于将电信号放大输入至信号采集卡；信号采集卡，用于根据触发脉冲，将电信号转换为数字信号进行后续处理；同步脉冲信号发生器，用于将同步脉冲信号输出至声光调制器和数据采集卡，声光调制器在脉冲电信号的作用下将激光器发出的连续光调制成脉冲光，数据采集卡根据同步脉冲信号来触发采集信号。本专利技术还提出基于上述装置的一种相干探测型Φ-OTDR系统的自检方法，包括以下步骤：步骤一、通过相干探测型Φ-OTDR系统，通过数据采集卡采集，获得一段时长的传感光纤装置盒内光纤的瑞利背向散射光信号的原始信号强度；步骤二、对采集的原始信号进行分析处理，将每分钟的原始信号强度累加值作方差，得到原始数据方差V值随系统运行时间t的变化情况；步骤三、对原始信号进行相位解调，再作傅里叶变换得到频域信息，得到空间频率分布图；步骤四、若强度的方差值V和信号频域值f逐渐趋于稳定值并小于阈值，可认为Φ-OTDR系统装置处于正常工作状态，否则判定系统处于故障状态；步骤五、系统正常工作情况下，分析数采卡采集到的数据是否有较多已超出采集卡量程；在采集到的数据有相当的比例(95％)未超过量程时，认为此时原始信号强度合适；步骤六、调节掺铒光纤放大器的泵浦电流大小增强原始瑞利散射光信号强度，提高系统动态范围；步骤七、同时调节可调光衰减器和可调增益低噪放大器的大小，并计算各种参数组合下所得信号的信噪比，比较得到最高信噪比的参数组合，使该传感系统性能得到最优化。作为本专利技术所述的一种相干探测型Φ-OTDR系统的自检方法的进一步优选方案，所述步骤四中，判断传感系统工作状态的具体过程如下：步骤1：在系统开始工作后，连续采集一段时间的数据。计算得到每分钟内信号强度的方差V，若系统正常工作，光纤盒未受到外界干扰时，信号的方差应逐渐稳定，并小于经验低值Vn，根据经验通常运行tn时间后，信号方差小于Vn。若系统信号方差值超过预期时间无法稳定低于Vn，则说明系统工作异常，其中，tn与Vn的值由系统正常工作时多次测量的经验值得出。步骤2：对原始数据进行相位解调，并对解相结果作傅里叶变换得到频域信息。同样，在刚打开传感系统时，低频部分变化剧烈。一段时间后，得到的频域信息会趋于稳定，并低于经验值fn，此时认为传感系统处于正常工作状态。步骤3：使用该传感系统所得的瑞利散射信号，在预设时间内，若同时满足信号方差值和频域信息均逐渐稳定并小于经验值Vn和fn，则判断相干探测型Φ-OTDR系统正常工作，否则判断系统异常。作为本专利技术所述的一种相干探测型Φ-OTDR系统的自检方法的进一步优选方案，所述步骤七中，提高系统信噪比的方法具体如下：步骤1：分别调节可调光衰减器(OVA)和可调增益低噪放大器(LNA)的大小，得到一组系统信号的信噪比结果。定义信噪比的计算方法为：PS是系统瑞利散射信号的平均功率，PN是基底噪声的平均功率。步骤2：将可调光衰减器和可调增益低噪放大器的参数组合设置若干组，获取信号信噪比最高时的参数组合，此时系统性能得到最优化。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：(1)可以快速有效得判断光纤传感系统的工作状态；(2)可以在系统正常运行的条件下，合理地调整各器件参数，提高系统的整体性能，提供更高的信噪比；(3)本专利技术智能方便，可用于自动化的计算判断光纤传感系统性能并优化参数，比常规凭经验调试系统参数更加方便有效，具有实用价值。附图说明图1是本专利技术的系统结构图；图2是本专利技术的方法流程图；图3是本专利技术设计的传感光纤装置盒的结构图；图4是原始信号方差随时间的变化趋势图；图5是信号频率分量的功率在一定时刻的分布图；图6是采集到的原始信号。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：...

【技术保护点】
1.一种相干探测型Φ-OTDR系统，其特征在于，该系统包含激光器、第一耦合器、可调光衰减器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、第二耦合器、平衡探测器、可调增益低噪放大器、信号采集卡、传感光纤装置盒、脉冲发生器，其中：/n激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；/n第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：两路光分别输入至声光调制器及可调光衰减器；/n可调光衰减器，用于将第一耦合器输出的10％连续光进行适当衰减后输入至第二耦合器；/n声光调制器，用于将第一耦合器输出的连续光调制产生脉冲光，并输入至掺铒光纤放大器；/n掺铒光纤放大器，用于将输入的脉冲光放大后输出至光纤环形器；/n光纤环形器，用于将放大的脉冲光从其第1端口输入，并由其第2端口注入至接入的传感光纤装置盒，并且由光纤产生的背向瑞利散射光由光纤环形器的第3端口输出至第二光纤耦合器；/n第二光纤耦合器，用于将光纤环形器的第3端口输入的瑞利背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；/n平衡探测器，用于混频光信号转换成电信号输出至可调增益低噪放大器；/n可调增益低噪放大器，用于将电信号放大输入至信号采集卡；/n信号采集卡，用于根据触发脉冲，将电信号转换为数字信号进行后续处理；/n同步脉冲信号发生器，用于将同步脉冲信号输出至声光调制器和数据采集卡，声光调制器在脉冲电信号的作用下将激光器发出的连续光调制成脉冲光，数据采集卡根据同步脉冲信号来触发采集信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种相干探测型Φ-OTDR系统，其特征在于，该系统包含激光器、第一耦合器、可调光衰减器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、第二耦合器、平衡探测器、可调增益低噪放大器、信号采集卡、传感光纤装置盒、脉冲发生器，其中：
激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；
第一耦合器，用于将窄线宽激光分成两路：两路光分别输入至声光调制器及可调光衰减器；
可调光衰减器，用于将第一耦合器输出的10％连续光进行适当衰减后输入至第二耦合器；
声光调制器，用于将第一耦合器输出的连续光调制产生脉冲光，并输入至掺铒光纤放大器；
掺铒光纤放大器，用于将输入的脉冲光放大后输出至光纤环形器；
光纤环形器，用于将放大的脉冲光从其第1端口输入，并由其第2端口注入至接入的传感光纤装置盒，并且由光纤产生的背向瑞利散射光由光纤环形器的第3端口输出至第二光纤耦合器；
第二光纤耦合器，用于将光纤环形器的第3端口输入的瑞利背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；
平衡探测器，用于混频光信号转换成电信号输出至可调增益低噪放大器；
可调增益低噪放大器，用于将电信号放大输入至信号采集卡；
信号采集卡，用于根据触发脉冲，将电信号转换为数字信号进行后续处理；
同步脉冲信号发生器，用于将同步脉冲信号输出至声光调制器和数据采集卡，声光调制器在脉冲电信号的作用下将激光器发出的连续光调制成脉冲光，数据采集卡根据同步脉冲信号来触发采集信号。


2.根据权利要求1所述的相干探测型Φ-OTDR系统实现的一种自检方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、通过相干探测型Φ-OTDR系统，通过数据采集卡采集，获得一段时长的传感光纤装置盒内光纤的瑞利背向散射光信号的原始信号强度；

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，任娟，张旭苹，张道，张宇昊，陈可楠，王峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32