專利名稱：用于φ-otdr的一種被動零差解調(diào)裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式光纖傳感和一種Φ-OTDR;還涉及一種被動零差解調(diào)的方法，特別是一種利用低成本的PZT壓電陶瓷進(jìn)行光纖相位調(diào)制檢測分布式傳感中背向瑞利散射光相位的檢測裝置及其檢測方法。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感技術(shù)是利用一根光纖作為延伸的傳感元件，光纖上的任意一段既是傳感單元，又是其它傳感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測量沿此光纖在空間和時間上變化的分布信息。它消除了傳統(tǒng)傳感單元存在的傳感“盲區(qū)”，從根本上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量限制。其中光時域反射技術(shù)OTDR是目前發(fā)展最為成熟的光纖分布式傳感技術(shù)，廣泛應(yīng)用于光纖通訊中光鏈路的損耗、斷點(diǎn)、微彎檢測。但其由于傳感靈敏度不高，難以檢測進(jìn)行如溫度、應(yīng)變和振動的擾動傳感。在光時域反射技術(shù)發(fā)展出偏振敏感的光時域反射技術(shù)(P-OTDR)和相位敏感的光時域反射技術(shù)(C-0TDR或phase-OTDR)。美國Texas A&M大學(xué)的Juan C.Juarez利用C-OTDR和P-OTDR實(shí)現(xiàn)了 IOkm的分布式擾動傳感系統(tǒng)，并在地埋光纜的擾動測試工程化應(yīng)用。加拿大渥太華大學(xué)的Yuelan Lu和Xiaoyi Bao等人利用C-0TDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測試距離1km，空間分辨率5m的振動傳感器。H.F.Taylor在1993年提出了相位敏感的Φ-OTDR技術(shù)，該技術(shù)的問世大大的提高了分布式光纖傳感技術(shù)的靈敏度，也為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持和信心。Φ-OTDR主要采用脈沖光，以此對光源線寬的要求非常高。隨著光纖放大器和光纖激光器技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，使得激光器線寬不斷減小，Φ-OTDR技術(shù)進(jìn)入工程化應(yīng)用階段。Φ-OTDR以檢測光纖中瑞利散射光為原理，通過瑞利散射光相位的變化反應(yīng)外界振動和溫度變化等，瑞利散射光的檢測方法分為外差檢測和零差檢測，外差檢測主要采用聲光或電光移頻器對參考光進(jìn)行頻移，采用聲光移頻器，性能穩(wěn)定，但是調(diào)制帶寬有限，價格昂貴，采用集成電光移頻器調(diào)制頻率高，但性能隨著溫度和環(huán)境變化而變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的具體技術(shù)問題是通過帶相位調(diào)制度測量改進(jìn)的PGC算法實(shí)現(xiàn)對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光相位的被動零差檢測，并提供一種價格低廉，靈敏度高，性能穩(wěn)定的用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置及其方法。本發(fā)明所提供的用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置，包括壓電陶瓷、光纖耦合器、光電探測器、分析控制模塊和壓電陶瓷驅(qū)動器模塊；其特征是:
通過壓電陶瓷驅(qū)動器模塊驅(qū)動PZT拉伸光纖進(jìn)行相位調(diào)制，使得光纖中傳輸?shù)谋镜貐⒖脊庀辔话l(fā)生正弦變化，本地參考光與Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光在光纖耦合器中發(fā)生干涉，干涉信號通過光電探測器接收后傳輸給分析控制模塊，分析控制模塊測量控制光纖壓電陶瓷驅(qū)動器相位調(diào)制度的同時對分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光相位進(jìn)行解調(diào)，構(gòu)成一種用于Φ-OTDR的被動零差解調(diào)裝置。
本發(fā)明一種用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置的解調(diào)方法，其所述解調(diào)方法是通過帶相位調(diào)制度測量改進(jìn)的PGC算法，實(shí)現(xiàn)對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光相位的被動零差檢測；通過PZT進(jìn)行相位外調(diào)制，瑞利散射光與本地參考光干涉信號通過貝塞爾函數(shù)進(jìn)行展開，通過分析貝塞爾函數(shù)展開后的各次諧波項(xiàng)幅度的大小，進(jìn)而分析得到相位調(diào)制度，進(jìn)一步求解瑞利散射光相位。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述的用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置及其方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解調(diào)裝置結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，性能穩(wěn)定；本發(fā)明方法通過帶相位調(diào)制度測量改進(jìn)的相位載波生成PGC算法，實(shí)現(xiàn)了對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光的被動零差檢測，通過壓電陶瓷PZT進(jìn)行外調(diào)制，簡化了檢測方法，極大的降低了分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)的運(yùn)行成本，可廣泛應(yīng)用于光纖水聽器、公共安全、地面入侵檢測和故障定位等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式 下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作出進(jìn)一步的說明。本發(fā)明所提供的用于φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置及其解調(diào)方法，是充分利用壓電陶瓷PZT拉伸光纖從而使得光纖相位變化的特點(diǎn)，加以相位調(diào)制，使得光纖中傳輸?shù)谋镜貐⒖脊庀辔话l(fā)生正弦 變化,從而通過本地參考光與分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光發(fā)生干涉，干涉信號通過貝塞爾函數(shù)進(jìn)行展開，通過分析貝塞爾函數(shù)展開后的各次諧波項(xiàng)幅度的大小，對分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光進(jìn)行解調(diào)。由于本地參考光與分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光光程差在傳感光纖位置變化時發(fā)生變化，使得對本地參考光進(jìn)行相位調(diào)制時，本地參考光相對于分布式Φ -OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位調(diào)制度發(fā)生變化。通過貝塞爾函數(shù)展開后的各次諧波項(xiàng)幅度的特點(diǎn)也同時求解出相位調(diào)制度的大小時，相位調(diào)制度的求解精度由于與分布式Φ -OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光相位變化有關(guān)。通過測量貝塞爾函數(shù)展開后的各次諧波項(xiàng)幅度大小，從而判斷分布式Φ -OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光相位變化方向，通過不同的表達(dá)式求解本地參考光相對本地參考光與分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位調(diào)制度大小，進(jìn)而通過改進(jìn)的相位生成載波PGC對分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位進(jìn)行精確解調(diào)。本發(fā)明方案實(shí)施例利用壓電陶瓷PZT通過壓電陶瓷驅(qū)動器模塊對本地參考光進(jìn)行正弦相位調(diào)制，獲得一個相位隨機(jī)起伏相干性較好的連續(xù)激光信號。本地參考光與分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光在2*1光纖稱合器中發(fā)生干涉后，通過2*1光纖耦合器的輸出臂輸出后由光電探測器5接收后信號后進(jìn)行前置放大和濾波，濾波后的信號由數(shù)據(jù)采集和分析控制模塊6采集分析，通過計算得到本地參考光相對于分布式φ -OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位調(diào)制度值和分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位值。由于本地參考光相對于分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位調(diào)制度隨著分布式Φ -OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光傳感位置變化而變化，為了得到合適的相位調(diào)制度值，這就要求對光纖中傳輸?shù)谋镜貐⒖脊庀辔徽{(diào)制度進(jìn)行控制，本發(fā)明通過數(shù)據(jù)采集和分析控制模塊實(shí)時分析相位調(diào)制度大小，進(jìn)而通過控制壓電陶瓷驅(qū)動器模塊，使得輸入壓電陶瓷給PZT的正弦信號的幅度發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)本地參考光相對于分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光的相位調(diào)制度，使得當(dāng)分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光光程差在光纖傳感位置變化時，提高傳感信號的信噪比。實(shí)施本發(fā)明用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置，包括壓電陶瓷、光纖耦合器、光電探測器、分析控制模塊和壓電陶瓷驅(qū)動器模塊；其結(jié)構(gòu)特征是:
通過壓電陶瓷驅(qū)動器模塊驅(qū)動PZT拉伸光纖進(jìn)行相位調(diào)制，使得光纖中傳輸?shù)谋镜貐⒖脊庀辔话l(fā)生正弦變化，本地參考光與Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光在光纖耦合器中發(fā)生干涉，干涉信號通過光電探測器接收后傳輸給分析控制模塊，分析控制模塊測量控制光纖壓電陶瓷驅(qū)動器相位調(diào)制度的同時對分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光相位進(jìn)行解調(diào)。實(shí)施本發(fā)明用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置的解調(diào)方法，該方法是通過帶相位調(diào)制度測量的改進(jìn)的相位載波生成PGC算法實(shí)現(xiàn)對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光相位的被動零差檢測，通過壓電陶瓷PZT進(jìn)行相位外調(diào)制。瑞利散射光和經(jīng)過壓電陶瓷PZT外調(diào)制的參考光干涉，其輸出光強(qiáng)為:
權(quán)利要求
1.用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置，包括壓電陶瓷、光纖耦合器、光電探測器、分析控制模塊和壓電陶瓷驅(qū)動器模塊；其特征是: 通過壓電陶瓷驅(qū)動器模塊驅(qū)動PZT拉伸光纖進(jìn)行相位調(diào)制，使得光纖中傳輸?shù)谋镜貐⒖脊庀辔话l(fā)生正弦變化，本地參考光與Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光在光纖耦合器中發(fā)生干涉，干涉信號通過光電探測器接收后傳輸給分析控制模塊，分析控制模塊測量控制光纖壓電陶瓷驅(qū)動器相位調(diào)制度的同時對分布式Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)傳感光纖中的后向瑞利散射光相位進(jìn)行解調(diào)，構(gòu)成一種用于Φ-OTDR的被動零差解調(diào)裝置。
2.一種用于Φ-OTDR的一種被動零差解調(diào)裝置的解調(diào)方法，其所述解調(diào)方法是通過帶相位調(diào)制度測量改進(jìn)的PGC算法，實(shí)現(xiàn)對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光相位的被動零差檢測，通過PZT進(jìn)行相位外調(diào)制，瑞利散射光與本地參考光干涉信號通過貝塞爾函數(shù)進(jìn)行展開，通過分析貝塞爾函數(shù)展開后的各次諧波項(xiàng)幅度的大小，進(jìn)而分析得到相位調(diào)制度，進(jìn)一步求解瑞利散射光相 位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于Φ-OTDR的被動零差解調(diào)裝置及其方法，所述裝置是由壓電陶瓷、光纖耦合器、光電探測器、分析控制模塊和壓電陶瓷驅(qū)動器模塊構(gòu)成；所述方法是由帶相位調(diào)制度測量改進(jìn)的PGC算法，實(shí)現(xiàn)對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光相位的被動零差檢測，通過PZT進(jìn)行相位外調(diào)制，瑞利散射光與本地參考光干涉信號通過貝塞爾函數(shù)進(jìn)行展開，通過分析貝塞爾函數(shù)展開后的各次諧波項(xiàng)幅度的大小，進(jìn)而分析得到相位調(diào)制度，進(jìn)一步求解瑞利散射光相位。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，性能穩(wěn)定；本方法實(shí)現(xiàn)了對Φ-OTDR傳感光纖中瑞利散射光的被動零差檢測，簡化了檢測方法，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。適用于光纖水聽器、公共安全、地面入侵檢測和故障定位等。
文檔編號G01J9/02GK103217226SQ20131009942
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者張超, 王云才, 張明江 申請人:太原理工大學(xué)