一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-OTDR系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单片机的低成本鉴相型的系统，包括窄线宽激光器、强度调制器、掺铒光纤放大器、环形器、1x2耦合器、延时光纤、3x3耦合器、三个光电探测器、三个采样保持器、单片机。本发明专利技术通过分别使用价格低廉的微处理器、采样保持器代替原有的较为昂贵设备，配合专门的低运算量的相位解调算法，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。统成本。统成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单片机的低成本鉴相型的
φ
‑
OTDR系统


[0001]本专利技术涉及分布式光纤传感
，具体而言涉及一种基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统。

技术介绍

[0002]分布式光纤声学传感(Distributed Acoustic Sensor，DAS)利用整条光纤作为信号的传感介质和传感单元，能够实时连续地测量光纤沿线的参数变化，具有体积小、抗电磁干扰、对恶劣环境牢靠耐用等优点。在许多应用中，特别是在管道安全等远程应用以及石油和天然气井等恶劣环境中，都是一个很有前途的解决方案。
[0003]目前，DAS系统的实现主要是基于相位敏感光时域反射技术(phase
‑
sensitive Optical Time Domain Reflectometry，φ
‑
OTDR)，通过探测传感光纤中背向瑞利散射光的相位变化来感知外界扰动信息。光纤受扰动后，相应位置光程会发生变化，从而导致受扰动的光纤段两端产生的瑞利散射光相位差发生变化。理论上，受扰动的光纤段两端产生的瑞利散射光相位差与扰动存在线性关系，所以可以通过解调该相位差的变化实现对扰动幅度的定量测量，这就是DAS的传感原理。根据解调相位方式的不同，DAS系统结构主要有外差相干探测、三端口耦合探测、相位生成载波等。不同的解调算法各有优劣，其中基于3
×
3耦合器的相位解调(又称低成本鉴相型)是通过引入两臂之间存在120
°
相位差的3
>×
3耦合器并结合干涉结构来实现相位解调的，适用于直接探测光路，受偏振噪声影响较小，但对器件一致性要求较高。
[0004]传统的三端口耦合探测的φ
‑
OTDR系统结构主要包含窄线宽激光器(NLL)、声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、3x3耦合器(OC)、三个光电探测器(PD)等不可缺少的光电器件，以及数采卡(DAQ)、数据处理端(一般为PC)等数据采集和处理设备。
[0005]为了更好更快地解调得到相位信息，一般需要高采样率的数采卡和配置高、性能好的PC设备，而这样性能的相应设备往往价格高昂，使得整个DAS设备的价格居高，限制了DAS设备在一些成本敏感的应用场景里的使用。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有DAS设备成本高昂的问题，提供一种基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统，通过分别使用价格低廉的单片机、采样保持器代替原有的PC、DAQ设备，配合专门的低运算量的相位解调算法，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术实施例提出了一种基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统，所述φ
‑
OTDR系统包括窄线宽激光器、强度调制器、掺铒光纤放大器、环形器、1x2耦合器、延时光纤、3x3耦合器、三个光电探测器、三个采样保持器和单片机；
[0009]所述强度调制器的输入端与窄线宽激光器连接，输出端与掺铒光纤放大器连接，
强度调制器用于将窄线宽激光源产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，由单片机控制该脉冲光的重复频率、脉冲宽度和触发机制；强度调制器发出的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后进入环形器；环形器的其中一个输出端与1x2耦合器连接，另一个输出端与待测光纤连接；
[0010]所述1x2耦合器将环形器返回的探测信号均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤延时后和另一路探测光分别入射至3x3耦合器，由3x3耦合器耦合后再次均分成三路光信号，且三路光信号分别入射至三个光电探测器；
[0011]所述三个光电探测器的输出端一一对应地与三个采样保持器连接，三个光电探测器的设备参数相同，将3x3耦合器耦合输出的三路光信号转换为相应的光电流信号后输出至三个采样保持器；
[0012]所述三个采样保持器的输出端均与单片机连接，每个采样保持器根据预设的采样周期对输入的待测光电流信号进行采样，并将采样得到的光电流信号幅值保持至下一个采样周期，再利用下一个采样周期的光电流信号幅值覆盖当前采样周期的光电流信号幅值；
[0013]所述单片机内存储有光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系表，单片机接收三个采样保持器采样得到的光电流信号值，结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。
[0014]进一步地，所述单片机中存储有三个映射关系表，三个映射关系表分别对应三个采样保持器的光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系。
[0015]进一步地，所述单片机结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值的过程包括以下步骤：
[0016]设每个采样保持器获得光电流信号幅值和外部扰动引起的相位变化量之间的映射关系为：
[0017][0018]其中，I
N
(m)是第N个采样保持器对应的查找表中第m个光电流信号幅值，是查找表中与I
N
(m)对应的外部扰动引起的相位变化量，N是采样保持器的编号，N＝1，2，3，M是相位的精细化程度，M越大，相位精度越高；
[0019]联立三个映射关系：
[0020][0021]式中，是t时刻采样得到的光电流信号幅值，是t时刻采样得到的三个光电流信号幅值与各自查找表的幅值的差值平方和；
[0022]将差值平方和最小的m值对应的相位值作为t时刻的最佳相位变化量的估计值。
[0023]进一步地，所述单片机包括三个存储块，三个存储块分别与三个采样保持器相对应，每个存储块都为M行，对应相位变化量的精细化程度。
[0024]进一步地，所述单片机的采用PIC16F914。
[0025]进一步地，所述窄线宽激光器的输出光波长为1550nm，线宽为100kHz，光功率为
8dbm。
[0026]进一步地，所述单片机通过重复改变从强度调制器的脉冲光发出到采样保持器开始采样的延时时间，获得不同位置的由外部扰动引起的相位变化值，以执行在一定范围内的对外部扰动的分布式传感测量。
[0027]第二方面，本专利技术实施例提出了一种基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统的工作方法，所述工作方法包括：
[0028]S1，对窄线宽激光器产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，对脉冲光进行放大后注入环形器；
[0029]S2，当外部扰动在待测光纤任一位置上施加振动时，扰动信号反向传输并且经环形器进入1x2耦合器，由1x2耦合器均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤和另一路探测光进行混合；
[0030]S3，采用3x3耦合器将混合信号均分成三路信号光，三路信号光分别经三个光电探测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统，其特征在于，所述φ
‑
OTDR系统包括窄线宽激光器、强度调制器、掺铒光纤放大器、环形器、1x2耦合器、延时光纤、3x3耦合器、三个光电探测器、三个采样保持器和单片机：所述强度调制器的输入端与窄线宽激光器连接，输出端与掺铒光纤放大器连接，强度调制器用于将窄线宽激光源产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，由单片机控制该脉冲光的重复频率、脉冲宽度和触发机制；强度调制器发出的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后进入环形器；环形器的其中一个输出端与1x2耦合器连接，另一个输出端与待测光纤连接；所述1x2耦合器将环形器返回的探测信号均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤延时后和另一路探测光分别入射至3x3耦合器，由3x3耦合器耦合后再次均分成三路光信号，且三路光信号分别入射至三个光电探测器；所述三个光电探测器的输出端一一对应地与三个采样保持器连接，三个光电探测器的设备参数相同，将3x3耦合器耦合输出的三路光信号转换为相应的光电流信号后输出至三个采样保持器；所述三个采样保持器的输出端均与单片机连接，每个采样保持器根据预设的采样周期对输入的待测光电流信号进行采样，并将采样得到的光电流信号幅值保持至下一个采样周期，再利用下一个采样周期的光电流信号幅值覆盖当前采样周期的光电流信号幅值；所述单片机内存储有光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系表，单片机接收三个采样保持器采样得到的光电流信号值，结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。2.根据权利要求1所述的基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统，其特征在于，所述单片机中存储有三个映射关系表，三个映射关系表分别对应三个采样保持器的光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系。3.根据权利要求2所述的基于单片机的低成本鉴相型的φ
‑
OTDR系统，其特征在于，所述单片机结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，宋金玉，张旭苹，王顺，李亚卓，佟帅，王峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：