基于雙聲光調(diào)制器的光時(shí)域反射儀及其共模抑制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙聲光調(diào)制器的光時(shí)域反射儀及其共模抑制方法，其中方法包括以下步驟：激光器輸出光信號(hào)；將光信號(hào)分為兩路光信號(hào)，分別進(jìn)行調(diào)制；對(duì)兩路光信號(hào)進(jìn)行直接拍頻，以消除激光器的頻率噪聲，生成參考信號(hào)；第一路光信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖的背向散射光與第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)拍頻后得到測(cè)量信號(hào)；采集所述測(cè)量信號(hào)與所述參考信號(hào)，并進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)。本發(fā)明采用兩個(gè)聲光調(diào)制器，通過(guò)引入?yún)⒖夹盘?hào)進(jìn)行共模抑制的方法降低了相位敏感型光時(shí)域反射儀中激光器頻率噪聲、聲光調(diào)制器頻率噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于雙聲光調(diào)制器的光時(shí)域反射儀及其共模抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光時(shí)域反射儀，尤其涉及一種基于雙聲光調(diào)制器的光時(shí)域反射儀及其共模抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相位敏感型光時(shí)域反射儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Phase-OTDR)是一種基于瑞利散射的分布式光纖傳感器，能對(duì)傳感光纖沿線的外界動(dòng)態(tài)物理量進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。Phase-OTDR需要采用窄線寬(小于IOKHz)和極小頻率漂移的激光器作為光源，通過(guò)探測(cè)光脈沖寬度區(qū)域內(nèi)光纖中背向瑞利散射光的干涉信號(hào)的變化進(jìn)而獲得擾動(dòng)位置處的環(huán)境參量信息(溫度、壓力、振動(dòng)、聲音等)，并通過(guò)測(cè)量光脈沖返回時(shí)間對(duì)事件進(jìn)行定位。它除了擁有分布式光纖傳感器的典型優(yōu)點(diǎn)外，還具有測(cè)量信號(hào)頻帶寬、定位精度指標(biāo)高、探測(cè)靈敏高等特點(diǎn)，特別適合于長(zhǎng)距離周界安防、石油石化天然氣輸送管道的安全預(yù)警、電力電纜及城市供水供氣管道防挖掘監(jiān)控等分布式周界安全和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
[0003]為了不斷提高Phase-OTDR的性能，研究者們進(jìn)行了廣泛深入的研究:
Xiaoyi Bao 等人于 2OlO 年[參見(jiàn) Y.L.Lu, T.Zhu, L.A.Chen, and X.Y.Bao,Distributed vibration sensor based on coherent detection of phase—OTDR,J.Lightw.Technol.2010, 28 (22), 3243-3249.]提出了在 Phase-OTDR 基礎(chǔ)上引入相干探測(cè)及外差檢測(cè)的方法對(duì)寬帶振動(dòng)或者聲音信號(hào)進(jìn)行定位和頻譜響應(yīng)測(cè)試，提升了Phase-OTDR的信噪比，系統(tǒng)空間分辨率為5m，頻率響應(yīng)可以到1kHz。該光路系統(tǒng)中僅使用了一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行移頻和探測(cè)脈沖生成，實(shí)驗(yàn)測(cè)試局限于定性測(cè)量擾動(dòng)信號(hào)的振幅和頻率信息，沒(méi)有定量獲得光纖擾動(dòng)位置的相位信息。
[0004]饒?jiān)平热擞?007年[參見(jiàn)基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的Φ-OTDR光纖分布式傳感系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(3): 569-572.]提出了一種基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的Phase-OTDR傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)定位精度可達(dá)到50m，定位范圍14km，信噪比為12dB。由于該傳感系統(tǒng)采用直接探測(cè)的方法，空間分辨率較低，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)相位信息的定量測(cè)量。
[0005]周俊等人于2011年[參見(jiàn)光頻分復(fù)用相位敏感光時(shí)域反射計(jì)，發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?201210124995.3]提出了基于光頻分復(fù)用和數(shù)字相干檢測(cè)的Phase-OTDR技術(shù)，可以提取瑞利散射信號(hào)的振幅和相位信息，進(jìn)而獲得光纖沿線的擾動(dòng)。該專(zhuān)利技術(shù)方案利用相位調(diào)制器產(chǎn)生多個(gè)頻率分量進(jìn)行復(fù)用測(cè)量，并使用了一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行移頻和光脈沖生成，對(duì)于數(shù)據(jù)采集及信號(hào)后處理的采樣率及數(shù)據(jù)并行處理硬件性能指標(biāo)要求較高，采集卡的采樣率需要高達(dá)500MHz以上，這對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)提出了十分苛刻的要求，不利于相位測(cè)量系統(tǒng)的噪聲抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于進(jìn)一步提升相位敏感型光時(shí)域反射儀的系統(tǒng)性能指標(biāo)，降低測(cè)量信號(hào)中的相位噪聲。
[0007]本發(fā)明為達(dá)到發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是:
提供一種基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的共模抑制方法，包括以下步
驟:
激光器輸出頻率為ω + Λ ω的光信號(hào)，其中激光器產(chǎn)生的頻率噪聲為Λ ω ；
將激光器輸出的光信號(hào)分為兩路光信號(hào)，將第一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻率變?yōu)棣?+ Λ ω+fl+Afl，第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)另一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻率變?yōu)棣?+ Λ ω +f2+ Δ f2 ；
對(duì)兩路光信號(hào)進(jìn)行直接拍頻，以消除激光器的頻率噪聲△ ω，生成頻率為(fl-f2) + (Afl-Af2)的參考信號(hào)； 第一路光信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖的背向散射光的頻率為ω + Λ ω+Π+ΔΠ+Δ Φ,其與第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)拍頻后得到頻率為(fl-f2) + ( Λ Π- Λ f2) + Λ Φ 的測(cè)量信號(hào)；
采集所述測(cè)量信號(hào)與所述參考信號(hào)，并進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)ΛΦ。
[0008]本發(fā)明還提供了一種基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀，包括: 激光器，輸出光信號(hào)，該光信號(hào)中包含激光器產(chǎn)生的頻率噪聲；
分光器件，將激光其產(chǎn)生的光信號(hào)分為第一路光信號(hào)和第二路光信號(hào)，其中第一路光信號(hào)注入傳感光纖；
第一聲光調(diào)制器，與分光器件連接，對(duì)第一路光信號(hào)進(jìn)行聲光調(diào)制；
第二聲光調(diào)制器，與分光器件連接，對(duì)第二路光信號(hào)進(jìn)行聲光調(diào)制；
第一拍頻電路，將經(jīng)過(guò)第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行拍頻，生成參考信號(hào)，以消除激光器的頻率噪聲；
第二拍頻電路，將傳感光纖的背向散射光與第二路光信號(hào)進(jìn)行拍頻，得到測(cè)量信號(hào)；多通道同步數(shù)據(jù)采集電路，與第一拍頻電路和第二拍頻電路連接，采集參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)；
數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元，將多通道同步數(shù)據(jù)采集電路采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)。
[0009]本發(fā)明所述的反射儀中，該反射儀還包括數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊，將數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。
[0010]本發(fā)明所述的反射儀中，該反射儀還包括時(shí)序同步及控制電路，與多通道同步數(shù)據(jù)采集電路連接，對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)脈沖觸發(fā)和同步采樣；第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器均通過(guò)射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。
[0011]本發(fā)明還提供一種基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀，包括窄線寬光纖激光器、光纖稱(chēng)合分束器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、光纖環(huán)形器、光電探測(cè)器、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡；
所述窄線寬光纖激光器發(fā)出的光經(jīng)所述的光纖耦合分束器分成兩路光信號(hào)，其中一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器，另一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器，兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制后再通過(guò)光纖稱(chēng)合分束器和光纖稱(chēng)合分束器； 經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器的光又被各自分為兩路，其中一路經(jīng)由摻鉺光纖放大器、光纖環(huán)形器注入到傳感光纖，傳感光纖的背向散射信號(hào)光通過(guò)光纖環(huán)形器的一個(gè)端口進(jìn)入光纖耦合分束器的一端，與來(lái)自聲光調(diào)制器并經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器的一路光匯合，共同作用于光電探測(cè)器，形成測(cè)量信號(hào)；
經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器和光纖耦合分束器的其他兩路光信號(hào)經(jīng)由光纖耦合分束器匯合共同作用于光電探測(cè)器；
多通道同步數(shù)據(jù)采集卡與所述光電探測(cè)器連接，對(duì)兩者的電壓信號(hào)進(jìn)行采集；
該反射儀還包括數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元和數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊，數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元將多通道同步數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、特征提取和事件模式識(shí)別，最后將處理結(jié)果送到數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊。
[0012]本發(fā)明所述的反射儀中，該反射儀還包括時(shí)序同步及控制電路、射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源和射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源，時(shí)序同步及控制電路與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡連接，對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)脈沖觸發(fā)和同步采樣；射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器，射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器。
[0013]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用兩個(gè)聲光調(diào)制器，通過(guò)引入?yún)⒖夹盘?hào)進(jìn)行共模抑制的方法降低了相位敏感型光時(shí)域反射儀中激光器頻率噪聲、聲光調(diào)制器頻率噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)還降低了拍頻信號(hào)的頻率，從而緩解了對(duì)高速采集卡采樣率及并行計(jì)算數(shù)據(jù)吞吐量等指標(biāo)的苛刻要求。進(jìn)一步提高了相位敏感型光時(shí)域反射儀的信號(hào)振幅及相位測(cè)量精度，避免了過(guò)高采樣率條件下導(dǎo)致的對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的苛刻限制。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:
圖1是本發(fā)明實(shí)施例基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的共模抑制方法的流程圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例共模抑制過(guò)程中光信號(hào)頻率的變化流程圖；
圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的結(jié)構(gòu)示意
圖；
圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的共模抑制方法，通過(guò)采用兩個(gè)聲光調(diào)制器，并引入?yún)⒖夹盘?hào)進(jìn)行共模抑制的方法降低了相位敏感型光時(shí)域反射儀中激光器頻率噪聲、聲光調(diào)制器相位噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。如圖1所示，本發(fā)明的基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的共模抑制方法包括以下步驟:
S101、激光器輸出頻率為ω + Λ ω的光信號(hào)，其中激光器產(chǎn)生的頻率噪聲為Λ ω ；S102、將激光器輸出的光信號(hào)分為兩路光信號(hào),將第一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻率變?yōu)棣?+ Λ ω+Π+ΛΠ，第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)另一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻率變?yōu)棣?+ Λ ω +f2+ Δ f2 ；
S103、對(duì)兩路光信號(hào)進(jìn)行直接拍頻，以消除激光器的頻率噪聲Λω，生成頻率為(fl-f2) + (Afl-Af2)的參考信號(hào)；
S104、第一路光信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖的背向散射光的頻率為ω + Λ ω+Π+ΔΠ+Δ Φ,其與第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)拍頻后得到頻率為(fl-f2) + ( Λ Π- Λ f2) + Λ Φ 的測(cè)量信號(hào)；
S105采集所述測(cè)量信號(hào)與所述參考信號(hào)，并進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)ΛΦ。
[0017]具體地，如圖2所示，激光器的輸出光信號(hào)中包含有頻率噪聲，設(shè)其輸出頻率為ω + Λ ω，而聲光調(diào)制器受射頻驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)也存在頻率噪聲，設(shè)兩個(gè)聲光調(diào)制器的包含噪聲的移頻頻率分別為Π+ΛΠ和f2+Af2，經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器后光信號(hào)的頻率分別變?yōu)棣?+ Δω+?Ι+Δ?!和ω + Δ ω+f2+Δ f2,其中兩路光彳目號(hào)進(jìn)彳了直接拍頻，生成頻率為(ω + Δ ω +f 1+ Δ f I) - ( ω + Δ ω +f 2+ Δ f 2)的/[目號(hào)，消除了激光器頻率噪聲Δω的影響,輸入給采集卡的參考電信號(hào)頻率為(fl_f2) + (Afl-Af2)，該信號(hào)中包含了聲光調(diào)制器的頻率噪聲(△ Π- △ f2)，若僅僅使用一個(gè)聲光調(diào)制器，則無(wú)法消除聲光調(diào)制器及射頻驅(qū)動(dòng)源所引入的頻移噪聲；
測(cè)量光信號(hào)在經(jīng)過(guò)傳感光纖后獲得的背向散射光的頻率及相位為ω + Λ ω +f 1+ ΔΠ+Δ Φ,經(jīng)過(guò)拍頻后獲得的測(cè)量信號(hào)的頻率相位信息為(ω + Δ ω +f 1+ Δ f I Δ Φ) - ( ω + Δ ω +f2+ Δ f2)，扣掉了激光器的頻率噪聲Δ ω影響后的測(cè)量信號(hào)為(f l_f2) + ( Λ f 1- Λ f2) + Λ Φ，該測(cè)量信號(hào)輸入到采集卡后，由并行計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算與參考信號(hào)(fl_f2) + (Afl-Af2)進(jìn)行相位解調(diào)計(jì)算，通過(guò)相位解調(diào)算法對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，即進(jìn)行如下運(yùn)算:
[(fl-f2) + (Afl-Af2)]-[ (fl-f2) + (ΔΠ-Δ?2) + Δ Φ]
然后就可以獲得待測(cè)信號(hào)△ Φ，通過(guò)該方法消除了聲光調(diào)制器及射頻驅(qū)動(dòng)源所引入的表現(xiàn)形式為ΛΠ_Λ?.2的頻率噪聲，提高了待測(cè)信號(hào)的測(cè)量精度。
[0018]基于上述方法，本發(fā)明實(shí)施例基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀，如圖3所示,包括:
激光器301，輸出光信號(hào)，該光信號(hào)中包含激光器產(chǎn)生的頻率噪聲；
分光器件302，將激光其產(chǎn)生的光信號(hào)分為第一路光信號(hào)和第二路光信號(hào)，其中第一路光信號(hào)注入傳感光纖；
第一聲光調(diào)制器303，與分光器件302連接，對(duì)第一路光信號(hào)進(jìn)行聲光調(diào)制；
第二聲光調(diào)制器304，與分光器件302連接，對(duì)第二路光信號(hào)進(jìn)行聲光調(diào)制；
第一拍頻電路305，將經(jīng)過(guò)第一聲光調(diào)制器303和第二聲光調(diào)制器304調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行拍頻，生成參考信號(hào)，以消除激光器301的頻率噪聲；
第二拍頻電路307，將傳感光纖306的背向散射光與第二路光信號(hào)進(jìn)行拍頻，得到測(cè)量信號(hào);
多通道同步數(shù)據(jù)采集電路308，與第一拍頻電路和第二拍頻電路連接，采集參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)；
數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元309，將多通道同步數(shù)據(jù)采集電路308采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)。
[0019]該反射儀還包括數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊309，將數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元308的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。
[0020]該反射儀還包括時(shí)序同步及控制電路，與多通道同步數(shù)據(jù)采集電路308連接，對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)脈沖觸發(fā)和同步采樣；第一聲光調(diào)制器303和第二聲光調(diào)制器304均通過(guò)射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0021]本發(fā)明的另一實(shí)施例基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀，如圖4所不，包括窄線寬光纖激光器1、光纖稱(chēng)合分束器2、5、6、10、12、聲光調(diào)制器3、4、摻鉺光纖放大器7、光纖環(huán)形器8、光電探測(cè)器11、13、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡14、數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元15和數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊16。
[0022]窄線寬光纖激光器I發(fā)出的光經(jīng)所述的光纖耦合分束器2分成兩路光信號(hào)，其中一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器3，另一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器4，兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器后在通過(guò)光纖稱(chēng)合分束器5和光纖稱(chēng)合分束器6,經(jīng)過(guò)光纖稱(chēng)合分束器的光又被各自分為兩路，其中一路經(jīng)由摻鉺光纖放大器7、光纖環(huán)形器8注入到傳感光纖9，光纖的背向散射信號(hào)光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器8的第三端口連接到光纖耦合分束器12的一端，與來(lái)自聲光調(diào)制器4，經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器6的一路光匯合，共同作用于光電探測(cè)器13，形成測(cè)量信號(hào)。經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器5和光纖耦合分束器6的其他兩路光信號(hào)經(jīng)由光纖耦合分束器10匯合共同作用于光電探測(cè)器11。
[0023]光電探測(cè)器11和光電探測(cè)器13形成的電壓信號(hào)分別連接多通道同步數(shù)據(jù)采集卡14，然后將被采樣后的數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元15進(jìn)行信號(hào)濾波、特征提取和事件模式識(shí)另Ij，最后將處理結(jié)果送到數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊16。
[0024]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該反射儀還包括時(shí)序同步及控制電路17、射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源18和射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源19。
[0025]時(shí)序同步及控制電路17對(duì)射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源19和多通道同步數(shù)據(jù)采集卡14進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)脈沖觸發(fā)和同步采樣；射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源18驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器4，射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源19驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器3。
[0026]該實(shí)施例中，窄線寬激光器作為光源，采用的光源可為DFB結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器，也可以采用其他類(lèi)型的窄線寬、極小頻率漂移的光纖激光器或者帶有穩(wěn)頻機(jī)構(gòu)的固體激光器。
[0027]本發(fā)明實(shí)施例中，光纖稱(chēng)合分束器2米用1550nm波段單模光纖,端口 2 X 2,分光比為 1: 9。
[0028]聲光調(diào)制器3用于將激光器輸出的連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，并移頻。本發(fā)明實(shí)例中采用的聲光調(diào)制器為ACOUSTIC公司生產(chǎn)的聲光調(diào)制器，也可以選用其他類(lèi)型的聲光調(diào)制器。
[0029]聲光調(diào)制器4用于將激光器輸出的連續(xù)光進(jìn)行移頻，降低拍頻信號(hào)的頻率；發(fā)明實(shí)例中采用的聲光調(diào)制器為ACOUSTIC公司生產(chǎn)的聲光調(diào)制器，需要選用和另一個(gè)聲光調(diào)制器相同廠家相同批次的產(chǎn)品； 光纖稱(chēng)合分束器5米用1550nm波段單模光纖,端口 2X2,分光比為1: 7。
[0030]光纖耦合分束器6采用1550nm波段單模光纖，端口 2X2，分光比為1:1。
[0031]摻鉺光纖放大器7采用商用的窄帶低噪聲EDFA模塊。
[0032]光纖環(huán)形器8是一個(gè)三端口光纖環(huán)行器，其入射光和反射光從不同的端口進(jìn)出。
[0033]傳感光纖9通信用1550nm單芯單模光纖，需要進(jìn)行鎧裝保護(hù)。
[0034]光纖I禹合分束器10米用1550nm波段單模光纖,端口 2X2,分光比為1:1。
[0035]光電探測(cè)器11是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的高速探測(cè)器，本發(fā)明實(shí)例中采用的光電探測(cè)器是Thorlabs公司生產(chǎn)的探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)高速光脈沖信號(hào)探測(cè)，當(dāng)然也可以選用其他類(lèi)型的高速光電探測(cè)器。
[0036]光纖I禹合分束器12米用1550nm波段單模光纖,端口 2X2,分光比為1:1。
[0037]光電探測(cè)器13是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的高速探測(cè)器，本發(fā)明實(shí)例中采用的光電探測(cè)器是Thorlabs公司生產(chǎn)的探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)高速光脈沖信號(hào)探測(cè)，當(dāng)然也可以選用其他類(lèi)型的高速光電探測(cè)器。
[0038]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡14主要進(jìn)行數(shù)據(jù)觸發(fā)采集。為了獲得高時(shí)間分辨率，需要采用高速數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明中采用的數(shù)據(jù)采集卡是NI公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀，也可以采用其他公司的高速采集卡。
[0039]并行計(jì)算單元15用來(lái)進(jìn)行多探測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的濾波降噪及特征提取等同步運(yùn)算，本實(shí)施例中采用的是NVIDIA公司的GPU。
[0040]數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊16用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖形展示及數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)，用戶可以進(jìn)行交互控制，本實(shí)施例中采用的是DELL公司的服務(wù)器。
[0041]時(shí)序同步及控制電路17用來(lái)對(duì)聲光調(diào)制器、數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步脈沖觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集，本實(shí)施例中采用的是基于FPGA技術(shù)開(kāi)發(fā)的自研電路板。
[0042]射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源18和射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源19用于驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器，跟聲光調(diào)制器配套提供。
[0043]本發(fā)明采用兩個(gè)聲光調(diào)制器，通過(guò)引入?yún)⒖夹盘?hào)進(jìn)行共模抑制的方法降低了相位敏感型光時(shí)域反射儀中激光器頻率噪聲、聲光調(diào)制器頻率噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；同時(shí)還降低了拍頻信號(hào)的頻率，從而緩解了對(duì)高速采集卡采樣率及并行計(jì)算數(shù)據(jù)吞吐量等指標(biāo)的苛刻要求。進(jìn)一步提高了相位敏感型光時(shí)域反射儀的信號(hào)振幅及相位測(cè)量精度，避免了過(guò)高采樣率條件下導(dǎo)致的對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的苛刻限制。
[0044]本發(fā)明還提升了 Phase-OTDR系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度水平，使得系統(tǒng)能夠盡量真實(shí)的還原外界環(huán)境擾動(dòng)信息，便于后續(xù)信號(hào)處理及模式識(shí)別算法的開(kāi)發(fā)，使之能夠在更加復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用。
[0045]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀的共模抑制方法，其特征在于，包括以下步驟: 激光器輸出頻率為ω + Λ ω的光信號(hào)，其中激光器產(chǎn)生的頻率噪聲為Λ ω ； 將激光器輸出的光信號(hào)分為兩路光信號(hào)，將第一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻率變?yōu)棣?+ Λ ω+fl+Afl，第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)另一個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻率變?yōu)棣?+ Λ Q+f2+Af2 ； 對(duì)兩路光信號(hào)進(jìn)行直接拍頻，以消除激光器的頻率噪聲△ ω，生成頻率為(fl-f2) + (Afl-Af2)的參考信號(hào)； 第一路光信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖的背向散射光的頻率為ω + Λ ω+Π+ΔΠ+Δ Φ,其與第二路光信號(hào)經(jīng)過(guò)拍頻后得到頻率為(fl-f2) + ( Λ Π- Λ f2) + Λ Φ 的測(cè)量信號(hào)； 采集所述測(cè)量信號(hào)與所述參考信號(hào)，并進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)ΛΦ。
2.一種基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀，其特征在于，包括: 激光器，輸出光信號(hào)，該光信號(hào)中包含激光器產(chǎn)生的頻率噪聲；分光器件，將激光器產(chǎn)生的光信號(hào)分為第 一路光信號(hào)和第二路光信號(hào)，其中第一路光信號(hào)注入傳感光纖； 第一聲光調(diào)制器，與分光器件連接，對(duì)第一路光信號(hào)進(jìn)行聲光調(diào)制； 第二聲光調(diào)制器，與分光器件連接，對(duì)第二路光信號(hào)進(jìn)行聲光調(diào)制； 第一拍頻電路，將經(jīng)過(guò)第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行拍頻，生成參考信號(hào)，以消除激光器的頻率噪聲； 第二拍頻電路，將傳感光纖的背向散射光與第二路光信號(hào)進(jìn)行拍頻，得到測(cè)量信號(hào)；多通道同步數(shù)據(jù)采集電路，與第一拍頻電路和第二拍頻電路連接，采集參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)； 數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元，將多通道同步數(shù)據(jù)采集電路采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)，以對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位比較，獲得待測(cè)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射儀，其特征在于，該反射儀還包括數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊，將數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射儀，其特征在于，該反射儀還包括時(shí)序同步及控制電路，與多通道同步數(shù)據(jù)采集電路連接，對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)脈沖觸發(fā)和同步采樣；第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器均通過(guò)射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。
5.一種基于雙聲光調(diào)制器的相位敏感型光時(shí)域反射儀，其特征在于，包括窄線寬光纖激光器(I)、光纖稱(chēng)合分束器(2、5、6、10、12)、聲光調(diào)制器(3、4)、摻鉺光纖放大器(7)、光纖環(huán)形器(8)、光電探測(cè)器(11、13)、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(14)； 所述窄線寬光纖激光器(I)發(fā)出的光經(jīng)所述的光纖耦合分束器(2)分成兩路光信號(hào)，其中一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器(3)，另一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器(4)，兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制后再通過(guò)光纖稱(chēng)合分束器(5)和光纖稱(chēng)合分束器(6)； 經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器的光又被各自分為兩路，其中一路經(jīng)由摻鉺光纖放大器(7)、光纖環(huán)形器(8)注入到傳感光纖(9)，傳感光纖(9)的背向散射信號(hào)光通過(guò)光纖環(huán)形器(8)的一個(gè)端口進(jìn)入光纖耦合分束器(12)的一端，與來(lái)自聲光調(diào)制器(4)并經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器(6)的一路光匯合，共同作用于光電探測(cè)器(13)， 形成測(cè)量信號(hào)； 經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器(5)和光纖耦合分束器(6)的其他兩路光信號(hào)經(jīng)由光纖耦合分束器(10 )匯合共同作用于光電探測(cè)器(11); 多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(14)與所述光電探測(cè)器(11、13)連接，對(duì)兩者的電壓信號(hào)進(jìn)行米集； 該反射儀還包括數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元(15)和數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊(16)，數(shù)字信號(hào)并行計(jì)算單元(15)將多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(14)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、特征提取和事件模式識(shí)別，最后將處理結(jié)果送到數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)模塊(16 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射儀，其特征在于，該反射儀還包括時(shí)序同步及控制電路(17)、射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源(18)和射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源(19)，時(shí)序同步及控制電路(17)與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(14)連接，對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)脈沖觸發(fā)和同步采樣；射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源(18)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(4)，射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)源(19)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(3)。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK103900623SQ201410152484
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】閆奇眾, 印新達(dá), 謝競(jìng) 申請(qǐng)人:武漢理工光科股份有限公司