本發(fā)明涉及相位敏感光時域反射計，尤其涉及一種基于線性調(diào)頻脈沖的相位敏感光時域反射計及測量方法。

背景技術(shù)：

分布式光纖傳感技術(shù)以傳感光纖自身同時作為信息傳輸媒介和感測單元，采用先進(jìn)的方法技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對光纖通路上幾十萬個點(diǎn)處外界物理量的同時測量，而且光纖本身具有體積小，重量輕，耐腐蝕，電絕緣，成本低，無源，可繞性好等特點(diǎn)，這決定了分布式光纖傳感系統(tǒng)相比于普通電學(xué)傳感器具有無可比擬的優(yōu)勢：耐腐蝕，絕緣性好，抗強(qiáng)電磁干擾；體積小且重量輕，具有可塑外形；靈敏度高；測量對象廣泛；便于組網(wǎng)，復(fù)用；成本低廉；適用于長距離，大范圍監(jiān)測。

相位敏感光時域反射計作為分布式光纖傳感技術(shù)的一種，具有以上分布式光纖傳感技術(shù)的所有優(yōu)勢，另外相位敏感光時域反射計區(qū)別于傳統(tǒng)的光時域反射技術(shù)，它使用的是窄線寬光源，以保證光纖中的后向瑞利散射光之間高度相干。同時，窄線寬光源保證了系統(tǒng)能夠響應(yīng)后向瑞利散射光相位變化信息，并且光源線寬越窄，散射信號間干涉越強(qiáng)，系統(tǒng)響應(yīng)外界變化的敏感程度也越高，通過解調(diào)后向散射信號的幅度信息，可以對有外界擾動的位置進(jìn)行精確定位，目前相位敏感光時域反射計技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于周界安防監(jiān)測領(lǐng)域。例如，2011年7月29日申請的、公開號為CN102280001B的中國專利“基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位方法”和2015年1月4日申請的、公開號為CN104574742A的中國專利“一種基于Φ-OTDR技術(shù)的光纖周界安防系統(tǒng)”。雖然Φ-OTDR技術(shù)優(yōu)勢眾多，但是由于其后向散射信號的幅度是由脈沖寬度內(nèi)散射光相干疊加成的，由于光纖的折射率分布并不均勻，其干涉疊加具有隨機(jī)性，因此幅度變化與應(yīng)變之間的定量關(guān)系很難確定，因此對于諸如應(yīng)變、溫度等需要定量測量的物理參量，以上技術(shù)方案就無法實(shí)現(xiàn)了。

國內(nèi)外研究人員針對以上問題尋求相應(yīng)解決方案。2009年，Yahei研究員提出通過對激光光源掃頻的辦法補(bǔ)償由于應(yīng)變或溫度導(dǎo)致的相位改變，使其散射信號波形完全恢復(fù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或溫度精確定量監(jiān)測，但是這種技術(shù)方案掃頻過程耗時較長，難以實(shí)現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(Yahei,Mutsumi,Kenya,Kazuo.Feiber-Optic Distributed Strain and Temperature Sensing With Very High Measurand Resolution Over Long Range Using Coherent OTDR[J].IEEE Journal of Lightwave Technology.2009,27(9):1142-1146.)。另一種技術(shù)方案是通過解調(diào)后向瑞利散射光的相位，建立相位與應(yīng)變或溫度之間的定量關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定量測量。例如，2015年9月18日申請的、公開號為CN105222815A的中國專利“基于120度相差干涉儀的相位敏感光時域反射計”，以及采用相干探測和IQ解調(diào)技術(shù)解調(diào)后向瑞利散射光相位，實(shí)現(xiàn)納應(yīng)變定量測量(Dong Yongkang,et al.Quantitative measurement of dynamic nanostrain based on a phase-sensitive optical time domain reflectometer[J].Applied Optics,2016,55(28):7810-7815.)，但是以上兩種技術(shù)方案需要解調(diào)相位信息，因此其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和解調(diào)算法比較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前技術(shù)方案動態(tài)性能低、解調(diào)技術(shù)復(fù)雜等問題，提供一種基于線性調(diào)頻脈沖的相位敏感光時域反射計及測量方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、解調(diào)技術(shù)方便可行、實(shí)時動態(tài)分布式相位敏感光時域反射計，可適用于應(yīng)變、溫度、振動的實(shí)時動態(tài)定量監(jiān)測。

發(fā)明技術(shù)方案：

一種基于線性調(diào)頻脈沖的相位敏感光時域反射計，包括激光器、單邊帶調(diào)制器SSBM、聲光調(diào)制器AOM、摻鉺光纖放大器EDFA1、摻鉺光纖放大器EDFA2、任意波形發(fā)生器AWG、光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵濾波器FBG、光電探測器、數(shù)據(jù)采集模塊和待測光纖；

所述激光器的輸出端與所述單邊帶調(diào)制器SSBM的輸入端連接，用于激光器輸出的窄線寬的單頻連續(xù)激光進(jìn)入單邊帶調(diào)制器SSBM中；

所述任意波形發(fā)生器AWG位于所述單邊帶調(diào)制器SSBM上方，用于任意波形發(fā)生器AWG輸出頻率線性變化的微波信號加載到單邊帶調(diào)制器SSBM上；所述任意波形發(fā)生器AWG還與所述聲光調(diào)制器AOM連接，用于任意波形發(fā)生器AWG輸出脈沖信號將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖光；

所述單邊帶調(diào)制器SSBM的輸出端與所述聲光調(diào)制器AOM的輸入端連接，用于激光進(jìn)行線性調(diào)頻后進(jìn)入聲光調(diào)制器AOM中；

所述聲光調(diào)制器AOM的輸出端與所述摻餌光纖放大器EDFA1的輸入端連接，所述摻餌光纖放大器EDFA1的輸出端與所述光纖環(huán)形器第一輸出端口連接，用于將脈沖光通過所述摻鉺光纖放大器EDFA1將功率進(jìn)行放大，再通過所述光纖環(huán)形器第一輸出端口進(jìn)入待測光纖；

所述光纖環(huán)形器第三輸出端口與摻餌光纖放大器EDFA2的輸入端連接，之后通過摻鉺光纖放大器EDFA2對后向瑞利散射光信號進(jìn)行放大；

所述摻餌光纖放大器EDFA2的輸出端與所述光纖布拉格光柵濾波器FBG的輸入端連接，所述光纖布拉格光柵濾波器FBG的輸出端與所述光電探測器的輸入端連接，用于所述光纖布拉格光柵濾波器FBG濾除自發(fā)輻射噪聲，經(jīng)所述光電探測器探測轉(zhuǎn)化為電信號；

所述光電探測器的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集模塊連接，通過所述數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析；同時所述任意波形發(fā)生器AWG同步輸出線性調(diào)頻的微波信號和脈沖調(diào)制信號，同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

進(jìn)一步地：線性調(diào)頻脈沖光在所述待測光纖中傳播時，將不斷發(fā)生瑞利散射作用，且后向瑞利散射光在脈沖寬度內(nèi)相互干涉疊加，后向瑞利散射光信號通過所述光纖環(huán)形器第二輸出端口，并從所述光纖環(huán)形器3端口輸出。

進(jìn)一步地：激光脈沖采用了線性調(diào)頻，在脈沖寬度內(nèi)，激光頻率是隨時間線性變化的。進(jìn)一步地：采用的任意波形發(fā)生器AWG帶寬為32GHz，但受限于單邊帶調(diào)制器的帶寬和探測器帶寬，實(shí)際的線性調(diào)頻范圍為20GHz。

進(jìn)一步地：所述光纖布拉格光柵FBG之間的中心波長相差1-10nm。

一種基于線性調(diào)頻脈沖的相位敏感光時域反射計的測量方法，包括以下步驟：步驟一、激光進(jìn)入到單邊帶調(diào)制器SSBM中；步驟二、任意波形發(fā)生器AWG輸出頻率線性變化的微波信號加載到單邊帶調(diào)制器SSBM上；步驟三、激光線性調(diào)頻后進(jìn)入聲光調(diào)制器AOM中；步驟四、將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖光，通過摻餌光纖放大器EDFAI進(jìn)行放大；步驟五、通過光纖環(huán)形器第一輸出端口進(jìn)入待測光纖；步驟六、后向瑞利散射信號通過光纖環(huán)形器第二輸出端口，通過光纖環(huán)形器第三輸出端口輸出；步驟七、摻餌光纖放大器EDFAII對后向瑞利散射光信號進(jìn)行放大；步驟八、光纖布拉格光柵濾波器FBG濾除自發(fā)輻射噪聲，經(jīng)光電探測器探測轉(zhuǎn)化為電信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析；步驟九、任意波形發(fā)生器AWG同步輸出線性調(diào)頻的微波信號和脈沖調(diào)制信號，并同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本發(fā)明對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：一種基于線性調(diào)頻脈沖的相位敏感光時域反射計，使用線性調(diào)頻脈沖而非掃頻方式，減少了測量時間，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能；采用外調(diào)制的方案實(shí)現(xiàn)對連續(xù)激光的線性調(diào)頻，其優(yōu)勢在于可以保證頻率變化具有良好的線性度，提升系統(tǒng)對應(yīng)變/溫度的測量精度；另外采用的任意波形發(fā)生器AWG帶寬為32GHz，但受限于單邊帶調(diào)制器的帶寬和探測器帶寬，實(shí)際的線性調(diào)頻范圍為20GHz，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)變/溫度測量范圍；本發(fā)明方案中只需測量后向瑞利散射信號的強(qiáng)度信息，不需要進(jìn)一步的解調(diào)算法，本發(fā)明方案方便可行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較簡單。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是線性調(diào)頻脈沖經(jīng)待測光纖散射后的后向瑞利散射波形示意圖；

圖3是施加不同應(yīng)變情況下后向瑞利散射波形平移實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖；

圖中1-激光器；2-單邊帶調(diào)制器SSBM；3-聲光調(diào)制器AOM；4-摻鉺光纖放大器EDFAI；5-摻鉺光纖放大器EDFAII；6-任意波形發(fā)生器AWG；7-光纖環(huán)形器；8-光纖布拉格光柵濾波器FBG；9-光電探測器；10-數(shù)據(jù)采集模塊；11-待測光纖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種基于線性調(diào)頻脈沖的相位敏感光時域反射計，包括激光器1、單邊帶調(diào)制器SSBM2、聲光調(diào)制器AOM3、摻鉺光纖放大器EDFAI4、摻鉺光纖放大器EDFAII5、任意波形發(fā)生器AWG6、光纖環(huán)形器7、光纖布拉格光柵濾波器FBG8、光電探測器9、數(shù)據(jù)采集模塊10和待測光纖11；

所述激光器1的輸出端與所述單邊帶調(diào)制器SSBM2的輸入端連接，用于激光器1輸出的窄線寬的單頻連續(xù)激光進(jìn)入單邊帶調(diào)制器SSBM2中；

所述任意波形發(fā)生器AWG6位于所述單邊帶調(diào)制器SSBM2上方，用于任意波形發(fā)生器AWG6輸出頻率線性變化的微波信號加載到單邊帶調(diào)制器SSBM2上；所述任意波形發(fā)生器AWG6還與所述聲光調(diào)制器AOM3連接，用于任意波形發(fā)生器AWG6輸出脈沖信號將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖光；

所述單邊帶調(diào)制器SSBM2的輸出端與所述聲光調(diào)制器AOM3的輸入端連接，用于激光進(jìn)行線性調(diào)頻后進(jìn)入聲光調(diào)制器AOM3中；

所述聲光調(diào)制器AOM3的輸出端與所述摻餌光纖放大器EDFAI4的輸入端連接，所述摻餌光纖放大器EDFAI4的輸出端與所述光纖環(huán)形器7第一輸出端口連接，用于將脈沖光通過所述摻鉺光纖放大器EDFAI4將功率進(jìn)行放大，再通過所述光纖環(huán)形器7第一輸出端口進(jìn)入待測光纖11；

所述光纖環(huán)形器7第三輸出端口與摻餌光纖放大器EDFAII5的輸入端連接，之后通過摻鉺光纖放大器EDFAII5對后向瑞利散射光信號進(jìn)行放大；

所述摻餌光纖放大器EDFAII5的輸出端與所述光纖布拉格光柵濾波器FBG8的輸入端連接，所述光纖布拉格光柵濾波器FBG8的輸出端與所述光電探測器9的輸入端連接，用于所述光纖布拉格光柵濾波器FBG8濾除自發(fā)輻射噪聲，經(jīng)所述光電探測器9探測轉(zhuǎn)化為電信號；

所述光電探測器9的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集模塊10連接，通過所述數(shù)據(jù)采集模塊10進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析；同時所述任意波形發(fā)生器AWG6同步輸出線性調(diào)頻的微波信號和脈沖調(diào)制信號，同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊10進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

具體地，線性調(diào)頻脈沖光在所述待測光纖中傳播時，將不斷發(fā)生瑞利散射作用，且后向瑞利散射光在脈沖寬度內(nèi)相互干涉疊加，后向瑞利散射光信號通過所述光纖環(huán)形器7第二輸出端口，并從所述光纖環(huán)形器7第三輸出端口輸出。

具體地，激光脈沖采用了線性調(diào)頻，在脈沖寬度內(nèi)，激光頻率是隨時間線性變化的。

具體地，采用的任意波形發(fā)生器AWG6帶寬為32GHz，但受限于單邊帶調(diào)制器的帶寬和探測器帶寬，實(shí)際的線性調(diào)頻范圍為20GHz。

具體地，所述光纖布拉格光柵FBG8之間的中心波長相差1-10nm。

激光入射到傳感光纖中，將不斷發(fā)生瑞利散射作用，通過探測器探測，數(shù)據(jù)采集模塊采集，可以得到其散射信號波形。當(dāng)外界有應(yīng)變施加到光纖上時，則該位置處光纖的折射率將會發(fā)生改變，散射信號波形將會發(fā)生改變。這種由應(yīng)變導(dǎo)致的波形變化可以通過激光的頻率變化來補(bǔ)償，使波形完全恢復(fù)。由于傳感器方案中使用的是線性調(diào)頻脈沖，即在脈沖寬度內(nèi)光頻隨時間是線性變化的。因此，由應(yīng)變導(dǎo)致的光纖某位置處折射率的改變最終可以體現(xiàn)在該位置處后向瑞利散射波形的平移，通過測量波形的平移量就可測定應(yīng)變的大小。詳細(xì)理論分析如下：

在無應(yīng)變情況下，考慮單個準(zhǔn)單色脈沖周期內(nèi)，忽略光纖傳輸損耗，光纖后向瑞利散射光振幅的一維脈沖響應(yīng)模型可以表示為：

式中a_i為散射系數(shù)，ν₀為準(zhǔn)單色脈沖光的中心頻率，τ_i為單個脈沖周期內(nèi)第i個散射脈沖光的時間延遲，N為整個傳感光纖的散射中心個數(shù)，W為脈沖寬度，表示光脈沖在傳播過程中散射體積的變化，當(dāng)時，當(dāng)或時，

由式(1)得出后向瑞利散射光的光功率表達(dá)式：

式(2)中φ_ij表示無應(yīng)變時第i個后向瑞利散射波與第j個后向散射波散射中心的相對相位差，時間延遲τ_i與第i個散射中心位置z_i的關(guān)系是τ_i＝2nz_i/c，n為光纖有效折射率，c為真空中光速。φ_ij的具體表達(dá)形式為：

φ_ij＝2πν₀(τ_i-τ_j)＝4πν₀n(z_i-z_j)/c (3)

由式(2)和式(3)可知，應(yīng)變將導(dǎo)致光纖折射率n發(fā)生改變，相對相位差φ_ij也隨之改變，進(jìn)而后向瑞利散射光信號波形也隨之改變，此時可以通過改變激光頻率來彌補(bǔ)由于應(yīng)變導(dǎo)致的波形的變化。當(dāng)光纖折射率變化量△n＜＜n時，△n與激光頻率變化量△ν存在線性關(guān)系同時光纖折射率變化量△n與應(yīng)變量△ε存在線性關(guān)系△n＝C_ε·△ε，其中，C_ε為折射率應(yīng)變系數(shù)，因此應(yīng)變量△ε與激光頻率變化量△ν之間的關(guān)系可以表示為：

在本發(fā)明中，激光脈沖采用了線性調(diào)頻，即在脈沖寬度內(nèi)，激光頻率是隨時間線性變化的，可表示為δν為線性調(diào)頻范圍，等式兩邊同時取微分，可得帶入式(4)，可得：

由式(5)可知，通過本方案采取的線性調(diào)頻脈沖的方式，可建立起應(yīng)變量△ε與時間變化量△t之間的線性關(guān)系，因此可通過測量時間變化量△t，即后向瑞利散射波形的平移量來定量測定應(yīng)變量△ε，同理，利用此種方案也可定量測量溫度變化量△T。

激光器輸出的窄線寬的單頻連續(xù)激光進(jìn)入單邊帶調(diào)制器SSBM中，任意波形發(fā)生器輸出頻率線性變化的微波信號加載到單邊帶調(diào)制器SSBM上，對激光進(jìn)行線性調(diào)頻，之后進(jìn)入聲光調(diào)制器AOM中，任意波形發(fā)生器輸出脈沖信號將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖光，通過摻鉺光纖放大器EDFA1將脈沖光功率進(jìn)行放大，通過光纖環(huán)形器第一輸出端口進(jìn)入待測光纖；

線性調(diào)頻脈沖光在待測光纖中傳播時，將不斷發(fā)生瑞利散射作用，后向瑞利散射光在脈沖寬度內(nèi)相互干涉疊加，后向瑞利散射光信號通過光纖環(huán)形器第二輸出端口，并從光纖環(huán)形器第三輸出端口輸出，之后通過摻鉺光纖放大器EDFA2對后向瑞利散射光信號進(jìn)行放大，并通過光纖布拉格光柵濾波器FBG濾除自發(fā)輻射噪聲，之后經(jīng)光電探測器探測轉(zhuǎn)化為電信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析；

任意波形發(fā)生器AWG同步輸出線性調(diào)頻的微波信號和脈沖調(diào)制信號，并同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3是施加不同應(yīng)變情況下后向瑞利散射波形平移實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。實(shí)驗(yàn)中光纖長度為50m，在光纖10m-20m處，對光纖施加應(yīng)力使光纖產(chǎn)生應(yīng)變。1nε表示單位長度為1m的光纖發(fā)生1nm形變(伸長或縮短)時所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。如圖3所示，在光纖10m-20m處，對光纖均勻施加應(yīng)變，該處散射信號波形由右至左發(fā)生均勻移動，因此可通過測量散射信號波形的平移量建立應(yīng)變量與平移量之間的線性關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的定量測量。在光纖未施加應(yīng)變的區(qū)域，散射波形完全重合，因此可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的分布式定量測量。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果理論分析結(jié)果吻合，進(jìn)一步證明了該方案的可行性。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用線性調(diào)頻脈沖而非掃頻方式，減少了測量時間，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能；采用外調(diào)制的方案實(shí)現(xiàn)對連續(xù)激光的線性調(diào)頻，其優(yōu)勢在于可以保證頻率變化具有良好的線性度，提升系統(tǒng)對應(yīng)變/溫度的測量精度；另外采用的任意波形發(fā)生器AWG帶寬為32GHz，但受限于單邊帶調(diào)制器的帶寬和探測器帶寬，實(shí)際的線性調(diào)頻范圍為20GHz，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)變/溫度測量范圍；方案中只需測量后向瑞利散射信號的強(qiáng)度信息，不需要進(jìn)一步的解調(diào)算法，因此解調(diào)方案方便可行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較簡單。