一种高分辨率的φ-OTDR分布式光纤传感系统及方法与流程

一种高分辨率的
φ
‑
otdr分布式光纤传感系统及方法
技术领域
1.本发明属于电气设备在线监测领域，更具体地，涉及一种高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统及方法。


背景技术：

2.分布式光纤传感系统由于其监测距离长、范围大等优点，在管道、铁路等大距离范围内的安全监测等方面的应用近年来受到了广泛的关注。分布式光纤传感系统以光纤作为探测载体，使用激光作为探测信号，可以获得整个光纤长度上被测量参量的在空间上随时间变化的信息。基于光时域反射计即otdr技术的传感系统，由于其系统结构简单、系统稳定与易于实现，能够对光纤传输电缆进行特性描述和故障定位，已成为目前分布式光纤传感系统中新的关注点。
3.传统的otdr系统只能提供光链路的损耗和反射轮廓，而基于φ
‑
otdr的分布式光纤传感系统能够通过使用高相干、窄线宽的光源来测量光纤的相位变化，具有灵敏度高、定位精度高、数据处理简单等优点。因此适用于实时性要求较高的环境，然而，基于φ
‑
otdr的分布式光纤传感系统的空间分辨率的提升仍然受到其他性能的限制。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统及方法，能够提高整个传感系统的空间分辨率并抑制传感系统信噪比的下降，从而实现更为灵敏的检测。
5.本发明采用如下的技术方案：
6.一种高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统，包括：超窄线宽激光器、偏振控制器、光分路器、声光调制器、edfa光放大器、任意波形发生器、光环形器、光耦合器、窄带滤波器、evoa、光电探测器和示波器；
7.其中，所述超窄线宽激光器发射的连续光输入所述偏振控制器，并由所述偏振控制器控制其偏振态，所述光分路器与所述偏振控制器相连接并对连续光进行分光，所述声光调制器与所述光分路器相连接并将连续光调制为光脉冲，所述edfa光放大器能够将光脉冲放大，所述任意波形发生器用于生成脉冲波信号，所述光环形器与所述edfa光放大器相连接并对光脉冲进行接收和传输，所述光耦合器与所述光环形器相连接并将光脉冲转换为拍频信号，所述窄带滤波器能够获得光载波频移附近的带通信号，所述evoa与所述光耦合器相连接并用于控制光信号的衰减，所述光电探测器用于将光信号转换成电信号，所述示波器接收电信号并进行显示。
8.优选地，所述超窄线宽激光器为中心波长在1550nm的连续波激光器，用于发射连续激光。
9.优选地，所述任意波形发生器用于生成脉冲波信号，且脉冲波信号为矩形脉冲，其上升/下降时间为2ns，重复频率为10khz，脉冲宽度为100ns，频移为100mhz。
10.优选地，所述光分路器为1/9光分路器，用于将接收到的连续激光分为两部分，分别占原激光的90％和10％。
11.本发明还涉及一种高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感方法，包括以下步骤：
12.步骤1：通过超窄线宽激光器产生输入脉冲；
13.步骤2：通过在输入脉冲中添加一个单独的光载波来修改原始的询问信号，得到经过声光调制器调制产生的光脉冲；
14.步骤3：根据卷积的线性，将光脉冲沿光纤的传播建模为两个后向散射分量和；
15.步骤4：光电探测器接收到拍频信号后，转换生成电信号。
16.优选地，输入脉冲p
std
(t,z)为：
[0017][0018]
其中，e0为脉冲场的振幅，τ
p
为脉冲宽度，β1(z)为传播延迟，p
cp
(t,z)为线性啁啾，且β1(z)和p
cp
(t,z)分别满足：
[0019][0020][0021]
其中，δv为总应用啁啾。
[0022]
优选地，经过声光调制器调制产生的光脉冲p(t,z)为：
[0023][0024]
且p
oc
(t,z)满足：
[0025][0026]
其中，为光载流子的光学频率。
[0027]
优选地，两个后向散射分量的和e(t)为：
[0028]
e(t)＝p(t,z)*r(z)＝e
oc
(t) e
cp
(t)
[0029]
其中，r(z)为光纤瑞利反向散射分布函数，e
oc
(t)为加入光载波对应的信号，e
cp
(t)为原信号光代表的信号。
[0030]
优选地，生成的电信号i(t)可表示为：
[0031]
i(t)＝e(t)e
cc
(t)＝i
bb
(t) i
pb
(t)
[0032]
且i
bb
(t)和i
pb
(t)分别满足：
[0033]
i
bb
(t)＝|e
oc
(t)|2 |e
cp
(t)|2[0034][0035]
其中，e
oc
(t)表示加入的光载波信号；
[0036]
e
cp
(t)表示本征信号光信号；
[0037]
e
cpcc
(t)表示本征光信号与后向瑞丽散射曲线卷积后的光信号。
[0038]
优选地，还包括数据解调，数据解调基于子带处理，在询问脉冲中加入一个特定频
率的光载波，允许从中频接收的信号中提取光纤对啁啾脉冲的响应，通过使用窄带滤波器，光纤响应谱被分成多个子带，最终做逆变换后在时域重叠，并在子带分析期间执行平均操作。
[0039]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过evoa衰减来自近距离通道的光信号，并允许其他信号通过而不衰减；将传感光纤近距离和远距离的后向散射信号分别进行处理，从而获得整个光纤的空间分布，靠近发射端的信号功率衰减，而接近光纤远端的信号功率保持在最大水平，消除了近距离通道的信号饱和与远端通道信号的减弱，从而提升了信噪比；结合正交解调方法，突破了系统空间分辨率的限制，并利用移动平均技术提高了整个系统的信噪比，从而实现分辨率和灵敏度较高的检测系统。
[0040]
本发明的有益效果至少包括：
[0041]
1、本发明通过基于子带处理原理的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统，在不减小脉冲宽度的情况下，在输入脉冲中加入一个光频移，利用数字滤波技术，将光纤的后向散射谱分解为多个子带，每个子带都对应短光脉冲产生的光纤响应，每个子带都有高空间分辨率，从而减小信噪比；
[0042]
2、在φ
‑
otdr分布式光纤传感系统中加入evoa后，其仅衰减来自近距离通道的信号，并允许其他信号通过而不衰减。将传感光纤近距离和远距离的后向散射信号分别处理，以获得整个光纤的空间分布，靠近发射端的信号功率衰减，而接近光纤远端的信号功率保持在最大水平，消除了近距离通道的信号饱和与远端通道信号的减弱，从而提升了信噪比。
附图说明
[0043]
图1为本发明提供的高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统的整体结构示意图；
[0044]
图2为本发明提供的高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感方法的整体流程示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0046]
参照图1的示意，为本发明所述高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统的整体结构示意图，该系统包括超窄线宽激光器、偏振控制器、光分路器、声光调制器、edfa光放大器、任意波形发生器、光环形器、光耦合器、窄带滤波器、evoa、光电探测器和示波器。
[0047]
其中，超窄线宽激光器发射的连续光输入偏振控制器，并由偏振控制器控制其偏振态，光分路器能够对连续光进行分光，声光调制器与光分路器相连接并将连续光调制为光脉冲，edfa光放大器能够将光脉冲放大，补偿光分路器引入的损耗，任意波形发生器用于生成脉冲波信号，光环形器与edfa光放大器相连接并对光脉冲进行接收和传输，光耦合器与光环形器相连接并将光脉冲转换为拍频信号，窄带滤波器能够获得光载波频移附近的带通信号，evoa与光耦合器相连接并用于控制光信号的衰减，具体为evoa能够衰减来自近距离通道的信号，并允许其他信号通过而不衰减，其中，近距离通道信号为百米内的信号，光电探测器用于将光信号转换成电信号，电信号输入示波器中，示波器用于将电信号进行显示。
[0048]
具体的，超窄线宽激光器为中心波长在1550nm的连续波激光器，能够产生连续光；
偏振控制器用于控制光的偏振态；光分路器采用1/9光分路器，1/9光分路器能够将激光器产生的连续光分为两部分；声光调制器用于将90％的连续光调制成光脉冲；edfa光放大器用于光脉冲光功率的放大，且edfa光放大器的上升时间为1ns；任意波形发生器用于产生声光调制器的脉冲波信号，且脉冲波信号为矩形脉冲，其上升/下降时间为2ns，重复频率为10khz，脉冲宽度为100ns，频移为100mhz；光环形器用于使声光调制器调制产生的光脉冲注入被测光纤和接收被测光纤中的后向瑞利散射光并注入光耦合器，且光耦合器采用2*2光耦合器；窄带滤波器用于获得光载波频移附近的带通信号，evoa用于控制光信号的衰减；光电探测器用于将光信号转换成电信号；示波器用于电信号的显示和处理；被测光纤长度为100m，为标准单模光纤。
[0049]
进一步的，在本发明提出的高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统中，超窄线宽激光器产生波长为1550nm的连续激光通过偏振控制器后注入1/9光分路器；1/9光分路器将激光分为两部分，分别占总激光的90％和10％，其中90％的激光进入声光调制器并被调制成光脉冲信号，10％的激光则作为本征光直接进入分光比1/1的2*2光耦合器；声光调制器产生的光脉冲信号经过edfa光放大器进行光功率的放大，放大后的脉冲光经过光环行器注入到待测光纤中；脉冲光在待测光纤中产生的后向瑞利散射信号经过evoa后，通过光环行器注入到2*2光耦合器中形成拍频信号；窄带滤波器用于获得光载波频移附近的带通信号，拍频信号通过光电探测器器转换成电信号，并输入至示波器中进行显示处理。
[0050]
进一步的，参照图2的示意，本发明还提出一种高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感方法，该方法能够基于上述高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感系统实现，该方法具体包括以下步骤：
[0051]
步骤1：通过超窄线宽激光器产生输入脉冲p
std
(t,z)：
[0052][0053]
其中，e0为脉冲场的振幅，τ
p
为脉冲宽度，β1(z)为传播延迟，p
cp
(t,z)为线性啁啾，且β1(z)和p
cp
(t,z分别满足：
[0054][0055][0056]
其中，φv为总应用啁啾，
[0057]
步骤2：通过在输入脉冲中添加一个单独的光载波来修改原始的询问信号，得到经过声光调制器调制产生的光脉冲p(t,z)：
[0058][0059]
且p
oc
(t,z)满足：
[0060][0061]
其中，为光载流子的光学频率。
[0062]
步骤3：根据卷积的线性，将光脉冲p(t,z)沿光纤的传播建模为两个后向散射分量的和e(t)：
[0063]
e(t)＝p(t，z)*r(z)＝e
oc
(t) e
cp
(t)
[0064]
其中，r(z)为光纤瑞利反向散射分布函数，e
oc
(t)为加入光载波对应的信号，e
cp
(t)为原信号光代表的信号。
[0065]
步骤4：光电探测器接收到拍频信号后，转换生成的电信号i(t)可表示为：
[0066]
i(t)＝e(t)e
cc
(t)＝i
bb
(t) i
pb
(t)
[0067]
且i
bb
(t)和i
pb
(t)分别满足：
[0068]
i
bb
(t)＝|e
oc
(t)|2 |e
cp
(t)|2[0069][0070]
其中，e
oc
(t)表示加入的光载波信号；
[0071]
e
cp
(t)表示本征信号光信号；
[0072]
e
cpcc
(t)表示本征光信号与后向瑞丽散射曲线卷积后的光信号。
[0073]
由于应用于p
cp
(t,z)的线性啁啾，在p(t,z)中输入脉冲的任何子窗口都会产生一个特定的子带隙。每个子带的频谱对应于用一个短脉冲询问光纤时产生的频谱，因此保证了较高的空间分辨率。
[0074]
进一步的，所述高分辨率的φ
‑
otdr分布式光纤传感方法还包括数据解调，数据解调基于子带处理，在询问脉冲中加入一个特定频率的光载波，允许从中频接收的信号中提取光纤对啁啾脉冲的响应，通过使用窄带滤波器，光纤响应谱被分成多个子带，最终做逆变换后在时域重叠，并在子带分析期间执行平均操作。对子带中任何一个子带的分析都保证了φ
‑
otdr记录数据具有高分辨率，但降低了信噪比和最大可测量应变温度变化；通过在子带分析期间执行平均操作，可以降低信噪比。
[0075]
本方法通过声光调制器在光脉冲中加入一个特定频率的光载波频移，允许从中频接收的信号中提取光纤对光脉冲的响应。通过使用数字滤波器，光纤响应谱被分成多个子带，最终重叠。对这些子带中任何一个子带的分析都保证了φ
‑
otdr记录数据具有高分辨率，但降低了信噪比和最大可测量应变温度变化。通过在子带分析期间执行平均操作，可以提高信噪比。
[0076]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过子带处理和evoa的添加，衰减来自近距离通道的光信号，并允许其他信号通过而不衰减。将传感光纤近距离和远距离的后向散射信号分别处理，以获得整个光纤的空间分布，靠近发射端的信号功率衰减，而接近光纤远端的信号功率保持在最大水平，消除了近距离通道的信号饱和与远端通道信号的减弱，从而提升了信噪比。结合正交解调方法，突破了系统空间分辨率的限制，并利用移动平均技术提高了整个系统的信噪比，从而实现分辨率和灵敏度较高的检测系统。
[0077]
1、本发明将传感光纤近距离和远距离的后向散射信号分别处理，以获得整个光纤的空间分布。靠近发射端的信号功率衰减，而接近光纤远端的信号功率保持在最大水平；
[0078]
2、消除了近距离通道的信号饱和与远端通道信号的减弱，evoa仅衰减来自近距离通道的信号，并允许其他信号通过而不衰减，从而补偿系统的信噪比。
[0079]
名词释义：
[0080]
otdr：optical time
‑
domain reflectometer，光时域反射仪；
[0081]
edfa光放大器：erbium doped fiber amplifier，掺铒光放大器；
[0082]
evoa：electrical variable optical attenuator，电压可调光衰减器。
[0083]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。