本發(fā)明涉及一種分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，特別是涉及一種基于雙重同源外差相干檢測(cè)的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)發(fā)展迅速，它可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬，抗電磁干擾特性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此可以對(duì)周界入侵，管道安全，土木結(jié)構(gòu)健康，火車運(yùn)行狀態(tài)等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警。針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究已由多點(diǎn)精準(zhǔn)定位轉(zhuǎn)向信號(hào)的準(zhǔn)確識(shí)別，以降低系統(tǒng)誤報(bào)率。

相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：直接檢測(cè)式和相干檢測(cè)式。直接檢測(cè)式的結(jié)構(gòu)和解調(diào)方法簡(jiǎn)單，但是只能檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度變化，無(wú)法滿足振動(dòng)事件識(shí)別的需要，于是提出了一種基于相干檢測(cè)方法的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)。對(duì)于-OTDR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基于相干檢測(cè)的信號(hào)解調(diào)方法主要有兩種，包括外差相干檢測(cè)和數(shù)字相干檢測(cè)。外差檢測(cè)法使用本振光作參考信號(hào)與包含振動(dòng)信息的探測(cè)信號(hào)相干，采用復(fù)雜的實(shí)時(shí)同步電路和鎖頻環(huán)來(lái)減少由激光器和聲光調(diào)制器帶來(lái)的頻率飄移所引起的系統(tǒng)波動(dòng)(在先技術(shù)[1]:“Qin,Z.；Chen,L.；Bao,X.Continuous wavelet transform for non-stationary vibration detection with phase-OTDR.”O(jiān)pt.Express 2012,20,20459–20465)。另一種方法首先將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)字混頻，數(shù)字濾波，因此數(shù)字相干檢測(cè)需要一個(gè)超高采集頻率的數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)需要更多的存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)字相干檢測(cè)方法的實(shí)時(shí)性較差。(在先技術(shù)[2]:“Pan,Z.；Liang,K.；Zhou,J.；Ye,Q.；Cai,H.；Qu,R.Interference-fading-free phase-demodulated OTDR system.”，In Proceedings of the 22nd International Conference on Optical Fiber Sensor,Beijing,China,15–19October 2012.)。準(zhǔn)確獲取擾動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、相位信息是實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)模式識(shí)別的關(guān)鍵，要求參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間具有嚴(yán)格的時(shí)鐘同步以及相對(duì)穩(wěn)定的相位差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利中，提出了一種基于雙重同源外差相干檢測(cè)法的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用干涉參考臂產(chǎn)生的不包含振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)來(lái)跟蹤探測(cè)臂中頻率的漂移和相位的變化，可以有效克服由于系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步性差，激光器頻率漂移以及聲光調(diào)制器溫度適應(yīng)性差引起的被測(cè)信號(hào)失真現(xiàn)象。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于雙重同源外差相干檢測(cè)法的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)，特點(diǎn)在于其構(gòu)成結(jié)構(gòu)包括：窄線寬、低頻飄、低相位噪聲、低相對(duì)強(qiáng)度噪聲的外腔半導(dǎo)體激光器1、第一光纖耦合器2、第二光纖耦合器3、聲光調(diào)制器4、聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源5、第三光纖耦合器6、第四光纖耦合器7、第一平衡放大探測(cè)器8、第一帶通濾波器9、第一功率均分器10、電光調(diào)制器11、摻鉺光纖放大器12、第二帶通濾波器13、環(huán)形器14、傳感光纖15、第五光纖耦合器16、第二平衡放大器17、第三帶通濾波器18、第二功率均分器19、第一混頻器20、第一低通濾波器21、第二混頻器22、第二低通濾波器23、采集卡24、進(jìn)程間通信25、數(shù)據(jù)處理，上述部件的位置關(guān)系如下：

通過(guò)光纖將所述的外腔半導(dǎo)體激光器的輸出端與第一光纖耦合器的輸入端連接，第一光纖耦合器的第二輸出端口與第二光纖耦合器第一輸入端連接，第一輸出端與聲光調(diào)制器的輸入端連接，該聲光調(diào)制器的輸出端與第三光纖耦合器的第一輸入端口相連接，所述的第二光纖耦合器的第一輸出端口與第四光纖耦合器的第一輸入端口相連接，第三光纖耦合器的第二輸出端口與第四光纖耦合器第二輸入端口相連接，所述的第四光纖耦合器的第一輸出端口，第二輸出端口分別連接第一平衡放大探測(cè)器的第一輸入端口、第二輸入端口，該探測(cè)器的輸出端口與第一帶通濾波器輸入端相連接，該帶通濾波器的輸出端與第一功率均分器的輸入端相連接，所述的第三光纖耦合器的第一輸出端與電光調(diào)制器的輸入端相連接，該電光調(diào)制器的輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端相連接，該摻鉺光纖放大器的輸出端與第二帶通濾波器的輸入端口連接，該濾波器的輸出端口與環(huán)形器的第一端口相連接，該環(huán)形器的第二端口與傳感光纖相連接，該環(huán)形器的第三輸出端口與第五光纖耦合器的第一輸入端口相連接，所述的第二光纖耦合器的第二輸出端與第五光纖耦合器的第二輸入端相連接，第五光纖耦合器的第一輸出端和第二輸出端分別和第二平衡放大器的第一輸入端、第二輸入端相連接，該探測(cè)器的輸出端口與第三帶通濾波器輸入端相連接，該帶通濾波器的輸出端與第二功率均分器的輸入端相連接，所述的第一功率均分器的第一輸出端和第二功率均分器的第一輸出端分別連接第一混頻器的第一端口和第二端口。該混頻器的輸出端口接第一低通濾波器的輸入端口，所述的第一功率均分器的端和第二功率均分器的端分別接第二混頻器的第一端口、第二端口，該混頻器的輸出端口接第二低通濾波器的輸入端口，所述的第一、第二低通濾波器的輸出端口分別接采集卡的第一輸入端口，第二輸入端口。該采集卡的輸出端口接電光調(diào)制器，采集卡的輸出端口與計(jì)算機(jī)相連。所述的聲光調(diào)制器的調(diào)制端與直流標(biāo)準(zhǔn)TTL電源相連。

基于雙重同源外差相干檢測(cè)的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)采用干涉參考臂產(chǎn)生的不包含振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)來(lái)跟蹤探測(cè)臂中頻率的漂移和相位的變化，可以有效克服由于采集卡與頻率調(diào)制器間實(shí)時(shí)同步性差，激光器頻率漂移，聲光調(diào)制器溫度適應(yīng)性差引起的被測(cè)信號(hào)失真現(xiàn)象。

對(duì)于該系統(tǒng)，干涉參考臂中拍頻信號(hào)的形成：

由外腔半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)第一光纖耦合器后2，10％那部分的本振光場(chǎng)強(qiáng)為E_L(t)＝E_Lexpj[w_Lt+Φ_L(t)]，經(jīng)第二光纖耦合器3后與第三光纖耦合器6輸出的被聲光調(diào)制器4調(diào)制后的連續(xù)光的10％在第四光纖耦合器7中干涉，輸出的光場(chǎng)強(qiáng)可以表示為

這里E_L、w_L、，Φ_L(t)，分別是本振光的振幅、角頻率、初始相位。E_L,A(t)為輸出的干涉振幅，I_L,A(t)為輸出的干涉光強(qiáng)，E_A、w_A分別為被聲光調(diào)制器4調(diào)制了的光的振幅、角頻率，Δw和Φ(t)是由于采集卡與頻率調(diào)制器間實(shí)時(shí)同步性差，激光器頻率漂移，聲光調(diào)制器4溫度適應(yīng)性差引起的光的角頻率轉(zhuǎn)移和相位變化。

該系統(tǒng)中的干涉參考臂，本振光與被聲光調(diào)制器4調(diào)制了的連續(xù)探測(cè)光通過(guò)相干得到拍頻信號(hào)，獲取消除本振光角頻率w_L和初始相位Φ_L(t)的信號(hào)。

對(duì)于該系統(tǒng)，探測(cè)臂中包含振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)的形成：

由外腔半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器2分光后，90％的探測(cè)光進(jìn)入聲光調(diào)制器4，被移頻后的連續(xù)光，經(jīng)電光調(diào)制器11被斬波為脈沖光，再經(jīng)摻鉺光纖放大器12、第一帶通濾波器13，光脈沖經(jīng)過(guò)環(huán)形器14注入到傳感光纖15，攜帶振動(dòng)信號(hào)的背向瑞利散射光與從第二光纖耦合器3輸出的本振光在第五光纖耦合器16中干涉，輸出的含有振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)可以表示為

E_L,S(t)為輸出的干涉振幅，I_L,s(t)為輸出的干涉光強(qiáng)，r為瑞利散射的振幅，E_S為探針光脈沖，包含脈沖形狀函數(shù)，γ為由光源線寬決定的相干因子，α為光纖損耗，z為光纖中的位置點(diǎn)，θ為偏離本振光波的偏振角度，φ(t)為探測(cè)光的傳輸相移和散射相移之和。

對(duì)于系統(tǒng)中的探測(cè)臂，其特征在于本振光與攜帶振動(dòng)信息的瑞利散射光通過(guò)相干得到拍頻信號(hào)，獲取消除本振光角頻率w_L和初始相位Φ_L(t)且包含振動(dòng)信息的信號(hào)。

對(duì)于該系統(tǒng)，其特征在于四種信號(hào)在混頻器中混頻：

第四光纖耦合器7輸出的拍頻信號(hào)經(jīng)光平衡放大探測(cè)器8、第一低通濾波器9被第一功率分配器10分為兩部分I₁(t)和I₂(t)，其中第二路作的相位轉(zhuǎn)移，第二平衡放大光電探測(cè)器17輸出的交流信號(hào)、通過(guò)第三低通濾波器18被第二功率分配器19分為兩部分I₃(t)和I₄(t)。然后I₃(t)和I₁(t)在第一混頻器20中混頻，I₂(t)和I₄(t)在第二混頻器21中混頻，混頻器20、21輸出的拍頻信號(hào)可表示為

I₁(t)·I₃(t)＝A·B[cos(2(w_At+Φ(t)+φ(t))+cos(φ(t)))]

I₂(t)·I₄(t)＝A·B[sin(2(w_At+Φ(t)+φ(t))+sin(φ(t)))]

A＝2E_LE_A，B＝rγE_LE_Se^-αzcos(θ)

然后低通濾波，隔離信號(hào)中的高頻部分，得到振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和相位信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和相位信息，再通過(guò)相位解調(diào)處理得到頻率。

與同類系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用該結(jié)構(gòu)的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)，可獲得穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度、頻率，增加系統(tǒng)頻率響應(yīng)范圍，從而為振動(dòng)源的準(zhǔn)確識(shí)別提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.該系統(tǒng)采用干涉參考臂產(chǎn)生的不包含振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)來(lái)跟蹤探測(cè)臂中頻率的漂移和相位的變化，可以有效克服由于采集卡與頻率調(diào)制器間實(shí)時(shí)同步性差，激光器頻率漂移，聲光調(diào)制器溫度適應(yīng)性差引起的被測(cè)信號(hào)失真現(xiàn)象。

3.該系統(tǒng)還可以簡(jiǎn)化和縮短系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，提高數(shù)據(jù)處理效率，且占用內(nèi)存少，不需要高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，降低系統(tǒng)成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于雙重同源外差相干檢測(cè)的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是對(duì)振動(dòng)信號(hào)解調(diào)的數(shù)字信號(hào)處理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是基于雙重同源外差相干檢測(cè)的相位敏感光時(shí)域反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其特征在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：外腔半導(dǎo)體激光器1、第一光纖耦合器2、第二光纖耦合器3、聲光調(diào)制器4、聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源5、第三光纖耦合器6、第四光纖耦合器7、第一平衡放大探測(cè)器8、第一帶通濾波器9、第一功率均分器10、電光調(diào)制器11、摻鉺光纖放大器12、第二帶通濾波器13、環(huán)形器14、傳感光纖15、第五光纖耦合器16、第二平衡放大探測(cè)器17、第三帶通濾波器18、第二功率均分器19、第一混頻器20、第一低通濾波器21、第二混頻器22、第二低通濾波器23、采集卡24。

通過(guò)光纖將所述的外腔半導(dǎo)體激光器1的輸出端與第一光纖耦合器2的輸入端201連接，第一光纖耦合器2的第二輸出端口203與第二光纖耦合器3第一輸入端301連接，第一輸出端202與聲光調(diào)制器4的輸入端連接，該聲光調(diào)制器4的輸出端與第三光纖耦合器6的第一輸入端口601相連接，所述的第二光纖耦合器5的第一輸出端口502與第四光纖耦合器7的第一輸入端口701相連接，第三光纖耦合器6的第二輸出端口603與第四光纖耦合器7第二輸入端口702相連接，所述的第四光纖耦合器7的第一輸出端口703，第二輸出端口704分別連接第一平衡放大探測(cè)器8的第一輸入端口801、第二輸入端口802，該探測(cè)器8的輸出端口803與第一帶通濾波器9輸入端相連接，該帶通濾波器9的輸出端與第一功率均分器10的輸入端1001相連接，所述的第三光纖耦合器6的第一輸出端602與電光調(diào)制器11的輸入端相連接，該電光調(diào)制器11的輸出端與摻鉺光纖放大器12的輸入端相連接，該摻鉺光纖放大器12的輸出端與第二帶通濾波器13的輸入端口連接，該濾波器13的輸出端口與環(huán)形器14的第一端口1401相連接，該環(huán)形器的第二端口1402與傳感光纖15相連接，該環(huán)形器的第三輸出端口1403與第五光纖耦合器16的第一輸入端口1601相連接，，所述的第二光纖耦合器3的第二輸出端303與第五光纖耦合器16的第二輸入端1602相連接，第五光纖耦合器16的第一輸出端1603和第二輸出端1604分別和第二平衡放大器17的第一輸入端1701、第二輸入端1702相連接，該探測(cè)器17的輸出端口1703與第三帶通濾波器18輸入端相連接，該帶通濾波器18的輸出端與第二功率均分器19的輸入端1901相連接，所述的第一功率均分器的1002端和第二功率均分器的1902端分別連接第一混頻器20的第一端口2001和第二端口2002。該混頻器20的輸出端口2003接第一低通濾波器21的輸入端口，所述的第一功率均分器的1003端和第二功率均分器的1903端分別接第二混頻器22的第一端口2201、第二端口2202，該混頻器的輸出端口2203接第二低通濾波器23的輸入端口，所述的第一、第二低通濾波器21，23的輸出端口分別接采集卡24的第一輸入端口2401，第二輸入端口2402。該采集卡的輸出端口2403接電光調(diào)制器，采集卡24的輸出端口與計(jì)算機(jī)相連。所述的聲光調(diào)制器的調(diào)制端與直流標(biāo)準(zhǔn)TTL電源相連。

所述的第一光纖耦合器2為90：10的光纖耦合器，該耦合器起到分光的作用，將光源發(fā)出的連續(xù)光分成兩路，90％的光作為探測(cè)光，10％的光作為本振光。

實(shí)施例:

光源1是中心波長(zhǎng)1550.12nm，低線寬、低頻飄、低相位噪聲、低相對(duì)強(qiáng)度噪聲的外腔半導(dǎo)體激光器1，光源的作用是提供探測(cè)光和本振光，通過(guò)第一光纖耦合器2分光的辦法將光源1輸出的光分成兩路，即一路用作探測(cè)光，進(jìn)入傳感光纖引起后向瑞利散射。另一路用作本振光，與散射回來(lái)的瑞利光相干形成帶有振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)，起到了相干放大的作用。

第一光纖耦合器2是一個(gè)90：10的光纖耦合器，該耦合器起到分光的作用，也就是將光源1發(fā)出的連續(xù)光從201端口進(jìn)入第一光纖耦合器2后分成兩路，一路用作探測(cè)光從202端口輸出，另一路用作本振光從203輸出，探測(cè)光和本振光的功率比為90：10.。

第二光纖耦合器3是一個(gè)50：50的光纖耦合器，該耦合器起到分光作用，也就是將第一光纖耦合器2輸出的本振光，分為功率相等的兩部分。

聲光調(diào)制器4帶有聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源模塊5，用3.3V的偏置電壓作聲光調(diào)制器的終端射頻驅(qū)動(dòng)，聲光調(diào)制器4將第一光纖耦合器2的第一輸出端口202輸出的連續(xù)光的頻率相對(duì)于輸入的連續(xù)光產(chǎn)生了一個(gè)80M頻移量，也就是將光源1輸出的光經(jīng)第一光纖耦合器2分成兩路之后，其中用作探測(cè)光的一路的光被移頻。

第三光纖耦合器6具有601，602，603共三個(gè)端口，第三光纖耦合器6是一個(gè)90：10的光纖耦合器，該耦合器起到分光的作用，將從聲光調(diào)制器3發(fā)出的連續(xù)調(diào)制光從601端口進(jìn)入第三光線耦合器6，一路繼續(xù)用作探測(cè)光從端口602輸出，另一路用作和本振光干涉，從端口603輸出，探測(cè)光和用作干涉的光的功率比為90:10。