一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110487308 A(43)申请公布日 2019.11.22

(21)申请号 201910796103.6(22)申请日 2019.08.27

(71)申请人 南京大学

地址 210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路

22号(72)发明人 张益昕　杜鹏昊　张旭苹　张道　

张宇昊　郑韵吟　王峰　(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限

公司 32200

代理人 许方(51)Int.Cl.

G01D 5/353(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图2页

CN 110487308 A(54)发明名称

一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统及方法(57)摘要

本发明公开了一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统及方法，该系统包括激光器、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤环形器、传感光纤、第二耦合器、平衡探测器、射频信号源、同步脉冲信号发生器、乘法器、功率放大器、IQ解调器、数据采集卡。本发明在现有Φ-OTDR相干探测传感系统基础上通过在数据采集前增加IQ解调器，降低了数据采集卡的带宽要求、降低了系统成本，并且实现了对声光调制器驱动信号中的载波信号和调制信号、IQ解调器参考信号和数据采集卡时钟信号的相位锁定，大幅提高了系统的信噪比，提高了传感系统的定位精度。

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1.一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统，其特征在于，该系统包括激光器、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤环形器、传感光纤、第二耦合器、平衡探测器、射频信号源、同步脉冲信号发生器、乘法器、功率放大器、IQ解调器、数据采集卡，

激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；第一耦合器，用于将激光器输入的窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；

声光调制器，用于将第一耦合器输入的初始探测光调制成脉冲探测光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将声光调制器输出的脉冲探测光放大后输出至光纤环形器；光纤环形器，用于将由光纤环形器第1端口输入的经过放大后的脉冲探测光从第2端口输出至传感光纤，当放大后的脉冲探测光经过传感光纤时产生的背向散射光由光纤环形器的第2端口输入并从光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器；

传感光纤，用于当接收到光纤环形器第2端口输入的经过放大后的脉冲探测光时，产生背向散射光输出至光纤环形器的第2端口；

第二耦合器，用于将光纤环形器的第3端口输入的背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

平衡探测器，用于将第二耦合器输入的相干光信号转换成电信号输出至IQ解调器；射频信号源，用于产生频率恒定的同步射频信号分别输出至乘法器，同步信号发生器，数据采集卡和IQ解调器；

同步脉冲信号发生器，用于以射频信号源输入的同步射频信号作为时钟信号合成同步脉冲信号输出至乘法器和数据采集卡；

乘法器，用于将射频信号源输入的同步射频信号和同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号相乘，并将相乘结果输出至功率放大器；

功率放大器，将乘法器输入的电信号进行放大得到声光调制器驱动信号并输出至声光调制器；

IQ解调器，用于以射频信号源输入的同步射频信号为参考信号，对平衡探测器输入的电信号进行解调，并将解调后的同相解调信号和正交解调信号输出数据采集卡；

数据采集卡，用于以射频信号源输入的同步射频信号为时钟参考信号，以同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号为触发采集信号，对IQ解调器输入的同相解调信号和正交解调信号进行模数转换并采集数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统，其特征在于，所述系统中声光调制器驱动信号中的调制信号和载波信号、IQ解调器参考信号，数据采集卡时钟信号、数据采集卡同步触发信号的相位是锁定的。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统，其特征在于，所述声光调制器将探测光进行移频，第二耦合器将背向散射光与本振连续光进行相干。

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5.基于权利要求1-4所述的任一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统的探测方法，包括以下步骤：

步骤一、采用激光器产生连续模式窄线宽激光，该窄线宽激光经第一耦合器分成两路：第一路作为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；

步骤二、射频信号源产生频率恒定的同步射频信号分别输出至乘法器，同步脉冲信号发生器，数据采集卡和IQ解调器，同步脉冲信号发生器将输入的同步射频信号作为时钟信号，合成指定周期和脉宽的同步脉冲信号输出至乘法器和数据采集卡，乘法器将射频信号源输入的同步射频信号和同步脉冲发生器输入的同步脉冲信号相乘，并将相乘结果输出至功率放大器，功率放大器将乘法器输入电信号进行功率放大，并将放大后的信号作为声光调制器驱动信号输出至声光调制器；

步骤三、声光调制器根据功率放大器输入的声光调制器驱动信号将连续模式窄线宽激光转换为脉冲光，并通过掺铒光纤放大器(EDFA)将其放大，经放大后的脉冲探测光通过光纤环形器的第1端口输入，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤中；

步骤四、传感光纤接收到经过放大后的脉冲探测光，产生背向散射光，背向散射光从光纤环形器的第2端口输入，并由光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器，在第二耦合器中背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；

步骤五、平衡探测器将输入的光信号转换成电信号，并输出至IQ解调器，IQ解调器将输入的同步射频信号作为参考信号对平衡探测器输入的电信号进行解调，并将解调后的同相解调信号和正交解调信号输出至数据采集卡；

步骤六、数据采集卡以射频信号源输入的同步射频信号作为参考时钟信号，以输入的同步脉冲信号作为采集触发信号，对IQ解调器输入的同相解调信号和正交解调信号进行数模转换和数据采集。

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一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统及

方法

技术领域

[0001]本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ -OTDR实现系统及方法。

背景技术[0002]相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是光时域反射传感器家族中的后起之秀。1993 年，美国Texas A&M大学的Taylor.Henry F，首次提出利用光纤中瑞利散射光的相干衰落效应进行传感，这就是最早的Φ-OTDR。在随后的20多年中，Φ-OTDR吸引了世界各地研究者的目光，发展迅速。Φ-OTDR利用光纤中后向瑞利散射光的相干衰落效应，可以探知并定位待测光纤上外加的扰动事件。作为一种全分布式光纤传感技术，Φ-OTDR 不仅拥有全分布式光纤传感器共有的探测距离长、成本低廉、连续测量无盲区等优点，与其它分布式光纤传感器相比，它还有着灵敏度高，响应速度快等自身的特点，可以对光纤检测区域的故障和隐患进行精准快速地定位和识别，在大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、体育馆、电力通信网络及油气管道等的安全健康检测和故障预警与评估中显示广阔的前景。[0003]目前的Φ-OTDR探测技术可分为直接探测方式和相干探测方式。直接探测技术是通过调制器将激光器发出的连续光调制成脉冲光，然后将脉冲光通过环形器注入至传感光纤，通过对环形器中散射回来的背向瑞利散射光直接进行探测。由于Φ-OTDR系统中使用EDFA放大时，宽带的ASE噪声与瑞利散射信号混叠，直接探测无法进行区分，给Φ -OTDR的测试带来较高的噪声基底，影响Φ-OTDR的测试距离。

[0004]自外差相干探测Φ-OTDR系统结构如附图2所示,是将激光器发出的连续光分出一部分作为本地参考光,探测光与本地参考光通过耦合器拍频后输入到光电探测器中进行探测，可以使得最后探测器探测的中频交流分量与本振光功率和信号光功率的乘积的开方成正比，而不在是只与信号光功率成正比,可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的探测灵敏度和共模抑制比。[0005]近年来，渥太华大学的研究组希望把Φ-OTDR应用到建筑物的结构健康监测中。在建筑物的结构健康检测领域中，建筑物在外界冲击下的振动响应是结构损伤监测中的一项重要指标。将待测光纤嵌入建筑结构中，就可以利用Φ-OTDR进行该项测试。Φ-OTDR 能够实现长距离的检测，非常适合在桥梁、隧道等大型建筑中应用。他们的研究重点在于如何提高Φ-OTDR的信噪比，扩大Φ-OTDR能够检测的振动频率范围。

[0006]而目前的相干探测Φ-OTDR传感系统中主要存在以下几个问题：声光调制器驱动信号中载波信号与调制信号的相位没有锁定，数据采集卡采集的相干中频信号起始相位不一致，在后续数据处理中难以滤除相位噪声，不利于信噪比的提高；直接对平衡探测器输出的中频信号采样对数据采集卡带宽要求高，提高了系统成本；数据采集卡时钟与声光调制器脉冲相位未锁定，导致数据采集卡每次采集到的数据点会有随机的错位，影响定位精确度。

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发明内容

[0007]发明目的：针对以上问题，本发明提供一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ -OTDR实现系统及方法，可以提高Φ-OTDR传感系统空间分辨率，提高信噪比，降低数据采集卡带宽要求。

[0008]技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统，该系统包括激光器、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤环形器、传感光纤、第二耦合器、平衡探测器、射频信号源、同步脉冲信号发生器、乘法器、功率放大器、IQ解调器、数据采集卡，其中，[0009]激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；[0010]第一耦合器，用于将激光器输入的窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；[0011]声光调制器，用于将第一耦合器输入的初始探测光调制成脉冲探测光输出至掺铒光纤放大器；

[0012]掺铒光纤放大器，用于将声光调制器输出的脉冲探测光放大后输出至光纤环形器；

[0013]光纤环形器，用于将由光纤环形器第1端口输入的经过放大后的脉冲探测光从第2 端口输出至传感光纤，当放大后的脉冲探测光经过传感光纤时产生的背向散射光由光纤环形器的第2端口输入并从光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器；[0014]传感光纤，用于当接收到光纤环形器第2端口输入的经过放大后的脉冲探测光时，产生背向散射光输出至光纤环形器的第2端口；[0015]第二耦合器，用于将光纤环形器的第3端口输入的背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；[0016]平衡探测器，用于将第二耦合器输入的相干光信号转换成电信号输出至IQ解调器；

[0017]射频信号源，用于产生频率恒定的同步射频信号分别输出至乘法器，同步信号发生器，数据采集卡和IQ解调器；[0018]同步脉冲信号发生器，用于以射频信号源输入的同步射频信号作为时钟信号合成同步脉冲信号输出至乘法器和数据采集卡；[0019]乘法器，用于将射频信号源输入的同步射频信号和同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号相乘，并将相乘结果输出至功率放大器；[0020]功率放大器，将乘法器输入的电信号进行放大得到声光调制器驱动信号并输出至声光调制器；

[0021]IQ解调器，用于以射频信号源输入的同步射频信号为参考信号，对平衡探测器输入的电信号进行解调，并将解调后的同相解调信号和正交解调信号输出数据采集卡；[0022]数据采集卡，用于以射频信号源输入的同步射频信号为时钟参考信号，以同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号为触发采集信号，对IQ解调器输入的同相解调信号和正交解调信号进行模数转换并采集数据。

[0023]作为本发明所述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统进一步优化方案，所述系统中声光调制器驱动信号中的调制信号和载波信号、IQ解调器参考信

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号，数据采集卡时钟信号、数据采集卡同步触发信号的相位是锁定的。

[0024]作为本发明所述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统进一步优化方案，所述激光器为窄线宽激光器。

[0025]作为本发明所述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现同进一步优化方案，所述声光调制器将探测光进行移频，第二耦合器将背向散射光与本振连续光进行相干。

[0026]基于上述的一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统的探测方法，包括以下步骤：[0027]步骤一、采用激光器产生连续模式窄线宽激光，该窄线宽激光经第一耦合器分成两路：第一路作为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；[0028]步骤二、射频信号源产生频率恒定的同步射频信号分别输出至乘法器，同步脉冲信号发生器，数据采集卡和IQ解调器，同步脉冲信号发生器将输入的同步射频信号作为时钟信号，合成指定周期和脉宽的同步脉冲信号输出至乘法器和数据采集卡，乘法器将射频信号源输入的同步射频信号和同步脉冲发生器输入的同步脉冲信号相乘，并将相乘结果输出至功率放大器，功率放大器将乘法器输入电信号进行功率放大，并将放大后的信号作为声光调制器驱动信号输出至声光调制器；[0029]步骤三、声光调制器根据功率放大器输入的声光调制器驱动信号将连续模式窄线宽激光转换为脉冲光，并通过掺铒光纤放大器EDFA将其放大，经放大后的脉冲探测光通过光纤环形器的第1端口输入，并由光纤环形器的第2端口注入至传感光纤中；[0030]步骤四、传感光纤接收到经过放大后的脉冲探测光，产生背向散射光，背向散射光从光纤环形器的第2端口输入，并由光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器，在第二耦合器中背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；[0031]步骤五、平衡探测器将输入的光信号转换成电信号，并输出至IQ解调器，IQ解调器将输入的同步射频信号作为参考信号对平衡探测器输入的电信号进行解调，并将解调后的同相解调信号和正交解调信号输出至数据采集卡；[0032]步骤六、数据采集卡以射频信号源输入的同步射频信号作为参考时钟信号，以输入的同步脉冲信号作为采集触发信号，对IQ解调器输入的同相解调信号和正交解调信号进行数模转换和数据采集。[0033]有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：[0034](1)实现对声光调制器驱动信号中的调制信号和载波信号，数据采集卡时钟信号，数据采集卡触发采集信号和IQ解调器参考信号的相位锁定，易于在后续数据处理中滤除相位噪声，避免了数据采集点随机错位，提高了定位精度。[0035](2)采用IQ解调器对。探测信号先解调后再采集，降低了数据采集卡带宽要求，降低了系统成本。

附图说明

[0036]图1是本发明的系统结构图；

[0037]图2是自外差相干探测Φ-OTDR系统结构图；

[0038]图3是未对声光调制器驱动信号中的载波信号和调制信号相位锁定时不同时刻平

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衡探测器探测到的中频信号波形；

[0039]图4是对声光调制器驱动信号中的载波信号和调制信号相位锁定后不同时刻平衡探测器探测到的中频信号波形。

具体实施方式

[0040]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

[0041]如图1所示是本发明公开一种基于相位锁定的高性能相干探测型Φ-OTDR实现系统结构图，该系统包括激光器、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤环形器、传感光纤、第二耦合器、平衡探测器、射频信号源、同步脉冲信号发生器、乘法器、功率放大器、IQ解调器、数据采集卡，其中：[0042]激光器，用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器；[0043]第一耦合器，用于将激光器输入的窄线宽激光分成两路：第一路为初始探测光输入至声光调制器，第二路为本振光输入至第二耦合器；[0044]声光调制器，用于将第一耦合器输入的初始探测光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

[0045]掺铒光纤放大器，用于将声光调制器输出的脉冲探测光放大后输出至光纤环形器；

[0046]光纤环形器，用于将由光纤环形器第1端口输入的经过放大后的脉冲探测光从第2 端口输出至传感光纤，当放大后的脉冲探测光经过传感光纤时产生的背向散射光由光纤环形器的第2端口输入并从光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器；[0047]传感光纤，用于当接收到光纤环形器第2端口输入的经过放大后的脉冲探测光时，产生背向散射光输出至光纤环形器的第2端口；[0048]第二耦合器，用于将光纤环形器的第3端口输入的背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；[0049]平衡探测器，用于将第二耦合器输入的相干光信号转换成电信号输出至IQ解调器；

[0050]射频信号源，用于产生频率恒定的同步射频信号分别输出至乘法器，同步信号发生器，数据采集卡和IQ解调器；[0051]同步脉冲信号发生器，用于以射频信号源输入的同步射频信号作为时钟信号合成同步脉冲信号输出至乘法器和数据采集卡；[0052]乘法器，用于将射频信号源输入的同步射频信号和同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号相乘，并将相乘结果输出至功率放大器；[0053]功率放大器，将乘法器输入的电信号进行放大得到声光调制器驱动信号并输出至声光调制器；

[0054]IQ解调器，用于以射频信号源输入的同步射频信号为参考信号，对平衡探测器输入的电信号进行解调，并将解调后的同相解调信号和正交解调信号输出数据采集卡；[0055]数据采集卡，用于以射频信号源输入的同步射频信号为时钟参考信号，以同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号为触发采集信号，对IQ解调器输入的同相解调信号和正交解调信号进行模数转换并采集数据。

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所述系统中声光调制器驱动信号中的调制信号和载波信号、IQ解调器参考信号，

数据采集卡时钟信号、数据采集卡同步触发信号的相位是锁定的。[0057]所述激光器为窄线宽激光器。

[0058]所述声光调制器将探测光进行移频，并将背向散射光与本振连续光进行相干。[0059]使用器件性能：激光器的型号为RIO激光器，该激光器波长为1550nm，线宽为3kHz，输出光功率为11dBm；声光调制器的型号为Gooch&Housego，可以实现150MHz的频率上移；EDFA选用Amonics的放大器，中心频率在1550nm，恒功率增益可以达到23dBm；同步射频信号源型号为安捷伦E8257D微波源，输出功率20dBm，频率150MHz；同步脉冲信号源普源DG1062脉冲信号源,输出脉冲周期1KHz，幅值5V，脉宽100ns。上述具体参数仅仅作为举例说明，实际工作中，可以根据实际需要设置不同的参数。[0060]结合实验参数的具体步骤如下：[0061]步骤一、激光器产生波长为1550nm，线宽为3kHz，功率为11dBm的激光，该窄线宽激光通过90/10耦合器，10％的激光作为相干探测的本振光输出至第二耦合器，90％的激光作为初始探测光输出至声光调制器；[0062]步骤二、设定同步射频信号源输出同步射频信号的频率和功率，射频信号的频率为 40-200MHz,功率为5-20dBm，同步射频信号分别输出至乘法器，同步脉冲信号发生器，数据采集卡和IQ解调器。设定同步脉冲发生器的脉冲宽度和脉冲周期，脉冲宽度在 50ns-1us,周期为150us-1ms，并将同步脉冲信号输出至乘法器，乘法器将射频信号源输入的同步射频信号和同步脉冲发生器输入的同步脉冲信号相乘，并将相乘结果输出至功率放大器。功率放大器将乘法器输入电信号进行功率放大，并将放大后的信号作为声光调制器驱动信号输出至声光调制器；[0063]步骤三、声光调制器根据功率放大器输入的声光调制器驱动信号将连续模式窄线宽激光光移频40-200MHz并转换为脉冲光，然后通过掺铒光纤放大器将其放大至峰峰值为 21dBm，放大后的脉冲探测光通过光纤环形器的第1端口输入，并由光纤环形器的第2 端口注入至传感光纤中；[0064]步骤四、传感光纤接收到经过放大后的脉冲探测光时，产生背向散射光，背向散射光由光纤环形器的第2端口输入，并由光纤环形器的第3端口输出至第二耦合器，在第二耦合器中背向散射光与第一耦合器输入的本振光混频后，输出相干光至平衡探测器；[0065]步骤五、平衡探测器将输入的光信号转换成电信号，并输出至IQ解调器，IQ解调器将输入的同步射频信号作为参考信号对平衡探测器输入的电信号进行解调，并将解调后的同相解调信号和正交解调信号输出至数据采集卡；[0066]步骤六、数据采集卡以射频信号源输入的同步射频信号作为参考时钟信号合成频率为1GHz的时钟信号，以同步脉冲信号发生器输入的同步脉冲信号作为采集触发信号，对IQ解调器输入的同相解调信号和正交解调信号进行数模转换和数据采集。

[0067]实验测得的未对声光调制器驱动信号中的载波信号和调制信号相位锁定时不同时刻平衡探测器探测到的中频信号波形如图3所示，图4是对声光调制器驱动信号中的载波信号和调制信号相位锁定后不同时刻平衡探测器探测到的中频信号波形。通过图3和图4的对比，可以说明本发明方法可以通过锁定声光调制器驱动信号中的载波信号和调制信号的相位来锁定平衡探测器探测中频信号的起始相位，从而便于在后续数据处理中抑制采集信

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号中的相位噪声，提高系统信噪比。

[0068]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

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图3

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