本发明专利技术公开了一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2光纤耦合器(2)、数字调制信号产生装置(3)、移频脉冲调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、2×2光纤耦合器8、光电平衡探测器(9、信号采集装置(10)和信号处理装置(11)。本发明专利技术通过在同一脉冲传输周期内发送数字正交相移脉冲，并构造正交相位的COTDR信号，在避免降低系统传感响应频率情况下，仅采用一套光电探测和数据采集装置，实现正交相位解调；脉冲强度、宽度的灵活调节，能根据需求灵活调节传感空间分辨率并且保持返回光信号强度稳定；解调得到传感光纤各处相位差变化，相位差与光纤应力线性相关，消除了干涉光强信号与应力非线性相关导致的传感结果畸变失真。
【技术实现步骤摘要】
一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置和方法
本专利技术涉及相干光时域反射
和信号解调
，特别是涉及一种相移脉冲COTDR传感装置和方法。
技术介绍
相干光时域反射(COTDR)传感技术，在建筑结构健康监测、矿产探测、海底光缆监测、水下监听等方面有着广泛的应用和需求。COTDR传感技术，将本地参考光与注入光纤的后向瑞利散射光信号混合放大，解调得到传感光纤各处的光相位信息，从而实时探知外界振动、声波信号导致的光纤各处相位变化，进而实现对振动源、声源的识别和定位。如在沿输油输气管道安全监测方面，通过沿管道固定的传感光纤，COTDR装置可以实时监测管道漏点、异常振动等状况。传统COTDR相位提取方法有采用90度光混合器或3x3光纤耦合器产生多路相移信号用于相位解调，采用多套光电转换和数据采集装置，既推高了系统成本，又由于多套装置间的强度、时延不一致引入噪声；另一传统方法，将全数字正交相移脉冲间隔依次注入传感光纤，得到连续多帧相移COTDR信号用于相位解调，但是由于需要采用多帧数据进行解调，导致系统传感响应频率降低。。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置和方法，通过在同一脉冲传输周期内发送数字正交相移脉冲，并构造正交相位的COTDR信号，从而在仅使用一套光电转换和数字采集装置情况下，避免系统传感响应频率低，并解调传感光纤各处相位信息，从而传感各处振动信息。本专利技术的一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置，该装置包括光源1、1×2光纤耦合器2、数字调制信号产生装置3、移频脉冲调制器4、掺铒光纤放大器5、光纤环行器6、传感光纤7、2×2光纤耦合器8、光电平衡探测器9、信号采集装置10和信号处理装置11，所述光源1与所述1×2光纤耦合器2的输入端连接，所述1×2光纤耦合器2具有两路输出端，一路输出端作为信号光输出端，依序分别连接所述掺铒光纤放大器5、所述光纤环行器6、所述传感光纤7；另一路输出端作为本低参考光输出端，依序连接所述2×2光纤耦合器8的输入端、所述光电平衡探测器9、所述信号采集装置10和所述信号处理装置11；所述2×2光纤耦合器8的另一输入端与所述光纤环行器6连接；其中：光源1发出频率为f0的连续激光经过1x2耦合器2，分为本地参考光和信号光两路光：信号光经过由数字调制信号产生装置3控制的移频脉冲调制器4，被调制为全数字正交相移脉冲，含有光频率分别为f0+f1、f0+f2和f0+f3、初始相位分别为0°、0°和90°以及宽度均为W的全数字正交相移脉冲；所述全数字正交相移脉冲先后经过掺铒光纤放大器5放大、光纤环行器6传输，被注入传感光纤7中沿传感光纤7传输，并在传感光纤7各处依次产生后向瑞利散射再沿传感光纤7返回，含有用于解调传感光纤各处相位信息的光频率为f0+f1、f0+f2和f0+f3的全数字正交相移脉冲信号一同经过光纤环行器6返回后到达2×2光纤耦合器8，与本地参考光混合干涉；三种频率的光信号分别与本地参考光在2×2光纤耦合器中混合干涉后，输出用于减弱共模噪声的两路反相光强信号，由光电平衡探测器9接收并转化为电压信号，经过信号采集装置10和信号处理装置11，得到传感光纤7中的各位置振动信息。本专利技术的一种全数字正交相移脉冲COTDR传感方法，该方法包括以下步骤：步骤一、光源发出频率为f0的连续激光经过1×2光纤耦合器分为本地参考光和信号光两路光；信号光经过由数字调制信号产生装置控制的移频脉冲调制器，被调制成为全数字相移脉冲，在每个重复周期中T含有3个宽度为W脉冲信号，其中移频为f1和f3的调制信号同时发出，移频为f2的调制信号间隔W0发出，频率为f1、f2和f3的三个调制信号初始相位分别为0°、0°和90°，其中f1、f2和f3满足f2-f1＝f3-f2＝Δf，Δf为脉冲移频的差值；数字相移脉冲含有光频率分别为f0+f1、f0+f2和f0+f3宽度均为W的数字相移光脉冲，光频率f0+f1和f0+f3的脉冲同时发出，光频率为f0+f2的脉冲间隔W0发出；步骤二、全数字相移光脉冲先后经过掺铒光纤放大器放大和环行器，然后被注入传感光纤中，数字相移光脉冲在传感光纤中分别发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回；含有用于解调传感光纤各处相位信息的光频率为f0+f1、f0+f2和f0+f3的光信号一同经过环行器返回后到达2×2光纤耦合器，与本地参考光混合干涉；步骤三、频率为f1、f2和f3的光信号分别与本地参考光在2×2光纤耦合器中混合干涉后，输出用于减弱共模噪声的两路反相光强信号S+、S-，由光电平衡探测器接收并转化为电压信号S：其中，和分别为距离传感光纤起点Z和Z+L处的相位信息，A1(t)、A2(t)、A3(t)分别为三种频率信号的包络，t为时间，为差分相位对应两点间距离，n为光纤有效折射率，c为真空中光速；步骤四、电压信号S经过中心频率为f1、f2和f3的数字带通滤波分别得到信号S1、S2、S3：S1和S3经过去包络处理，再分别与S2数字混频和低通滤波，构造数字正交信号I和Q：其中，为差分相位，与位置在Z～Z+L间的传感光纤应变成正比，将构造得到的数字正交信号I和Q，按Q+i·I构造信号，并求复数相角，得到差分相位Φ(Z)，进而通过监测其随时间变化，获得传感光纤各处振动信息。与现有技术相比，本专利技术的一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置和方法具有以下积极效果：1、通过在同一脉冲传输周期内发送数字正交相移脉冲，并构造正交相位的COTDR信号，在避免降低系统传感响应频率情况下，仅采用一套光电探测和数据采集装置，实现正交相位解调；2、脉冲强度、宽度的灵活调节，能根据需求灵活调节传感空间分辨率并且保持返回光信号强度稳定；3、解调得到传感光纤各处相位差变化，相位差与光纤应力线性相关，消除了干涉光强信号与应力非线性相关导致的传感结果畸变失真。附图说明图1是本专利技术的一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置结构示意图；图2是数字调制信号产生装置的调制信号示意图；图3是全数字正交相移脉冲COTDR解调算法框图；附图标记：1、光源，2、1×2耦合器，3、数字调制信号产生装置，4、移频脉冲调制器，5、掺铒光纤放大器，6、光纤环行器，7、传感光纤，8、2×2光纤耦合器，9、光电平衡探测器，10、信号采集装置，11、信号处理装置。具体实施方式以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本专利技术的技术方案。如图1所示，为本专利技术的一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置结构示意图。该装置包括光源1、1×2光纤耦合器2、数字调制信号产生装置3、移频脉冲调制器4、掺铒光纤放大器5、光纤环行器6、传感光纤7、2x2光纤耦合器8、光电平衡探测器9、信号采集装置10和信号处理装置11，其中：光源1发出频率为f0的连续激光经过1x2耦合器2，分为本地参考光和信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2光纤耦合器(2)、数字调制信号产生装置(3)、移频脉冲调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、2×2光纤耦合器(8)、光电平衡探测器(9)、信号采集装置(10)和信号处理装置(11)，所述光源(1与所述1×2光纤耦合器(2)的输入端连接，所述1×2光纤耦合器(2)具有两路输出端，一路输出端作为信号光输出端，依序分别连接所述掺铒光纤放大器(5)、所述光纤环行器(6)、所述传感光纤(7)；另一路输出端作为本低参考光输出端，依序连接所述2×2光纤耦合器(8)的输入端、所述光电平衡探测器(9)、所述信号采集装置(10)和所述信号处理装置(11)；所述2×2光纤耦合器(8)的另一输入端与所述光纤环行器(6)连接；其中：/n光源(1)发出的频率为f
【技术特征摘要】
1.一种全数字正交相移脉冲COTDR传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2光纤耦合器(2)、数字调制信号产生装置(3)、移频脉冲调制器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光纤环行器(6)、传感光纤(7)、2×2光纤耦合器(8)、光电平衡探测器(9)、信号采集装置(10)和信号处理装置(11)，所述光源(1与所述1×2光纤耦合器(2)的输入端连接，所述1×2光纤耦合器(2)具有两路输出端，一路输出端作为信号光输出端，依序分别连接所述掺铒光纤放大器(5)、所述光纤环行器(6)、所述传感光纤(7)；另一路输出端作为本低参考光输出端，依序连接所述2×2光纤耦合器(8)的输入端、所述光电平衡探测器(9)、所述信号采集装置(10)和所述信号处理装置(11)；所述2×2光纤耦合器(8)的另一输入端与所述光纤环行器(6)连接；其中：
光源(1)发出的频率为f0的连续激光经过1×2耦合器(2)，分为本地参考光和信号光两路光：信号光经过由数字调制信号产生装置(3)控制的移频脉冲调制器(4)，被调制为全数字正交相移脉冲，含有光频率分别为f0+f1、f0+f2和、初f0+f3始相位分别为0°、0°和90°以及宽度均为W的全数字正交相移脉冲；所述全数字正交相移脉冲先后经过掺铒光纤放大器(5)放大、光纤环行器(6)传输，被注入传感光纤(7)中沿传感光纤(7)传输，并在传感光纤(7)各处依次产生后向瑞利散射再沿传感光纤(7)返回，含有用于解调传感光纤各处相位信息的光频率为f0+f1、f0+f2和f0+f3的全数字正交相移脉冲信号一同经过光纤环行器(6)返回后到达2×2光纤耦合器(8)，与本地参考光混合干涉；三种频率的光信号分别与本地参考光在2×2光纤耦合器(8)中混合干涉，输出用于减弱共模噪声的两路反相光强信号，由光电平衡探测器(9)接收并转化为电压信号，经过信号采集装置(10)和信号处理装置(11)，得到传感光纤(7)中的各位置振动信息。
2.一种全数字正交相移脉冲COTDR传感方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、光源发出频率为f0的连续激光...
【专利技术属性】
技术研发人员：江俊峰，刘铁根，陈文杰，王双，刘琨，丁振扬，张学智，马喆，梁冠华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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