本實(shí)用新型涉及一種光纖傳感系統(tǒng)，具體涉及一種相位敏感光時域反射計(jì)(φ-OTDR)相位解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光時域反射計(jì)OTDR(英文名稱：optical time-domain reflect meter)根據(jù)光的后向散射與菲涅耳反向原理制作，利用光在光纖中傳播時產(chǎn)生的后向散射光來獲取衰減的信息，可用于測量光纖衰減、接頭損耗、光纖故障點(diǎn)定位以及了解光纖沿長度的損耗分布情況等，是光纜施工、維護(hù)及監(jiān)測中必不可少的工具。一般光時域反射計(jì)是基于光纖折射率的測量，在光纖通信中已經(jīng)廣泛應(yīng)用于探測光纖線路的損耗、熔接點(diǎn)和接通的損耗和彎折點(diǎn)，但由于測量時間較長只能測量靜態(tài)的事件。

相位敏感光時域反射計(jì)(φ-OTDR)技術(shù)可以快速探測到入侵行為的位置和類型，問世以來就被廣泛關(guān)注.φ-OTDR可以應(yīng)用于邊境、油氣管道、油井測井、交通監(jiān)測及重點(diǎn)區(qū)域入侵監(jiān)測等多個領(lǐng)域。

目前有兩種φ-OTDR的光信號探測結(jié)構(gòu)，一種是用高靈敏度的探測器直接探測后向瑞利散射光的強(qiáng)度信號，雖然結(jié)構(gòu)簡單但探測距離有限。另一種是利用本地光與后向瑞利散射光相干的相干探測結(jié)構(gòu)，可以同時解調(diào)出強(qiáng)度信號和相位信號，并大大提高傳感信號的信噪比，延長探測距離。目前有三種φ-OTDR相干探測的光信號解調(diào)方式；3×3耦合器解調(diào)法、光零差法和數(shù)字相干解調(diào)法。前兩種需要引入一個干涉儀結(jié)構(gòu)，容易受到環(huán)境的影響，并由此引入額外的噪聲。數(shù)字相干解調(diào)法需要大量高速的數(shù)據(jù)接收和處理，所以價格昂貴，實(shí)現(xiàn)困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)，光纖耦合器將激光束較大的一束分作傳感光，調(diào)制移頻fc送入傳感光纖，較小一束光作為參考光，與經(jīng)環(huán)形器返回的傳感光在耦合器耦合，再分為相等的兩束信號光，其中一束延時，之后兩束經(jīng)過相同的光電轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為電信號，分別混頻器與信號發(fā)生模塊發(fā)出的頻率為fc的正弦信號混頻，再各經(jīng)低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送入控制中心，得到傳感光信號的相位解調(diào)結(jié)果。

本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的一種相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)包括激光光源，聲光調(diào)制器和傳感光纖依次經(jīng)光纖連接，信號驅(qū)動器經(jīng)信號線連接聲光調(diào)制器；本實(shí)用新型的激光光源為窄線寬激光器，窄線寬激光器接光纖耦合器，光纖耦合器的分光比為(9:1)～(7:3),大部分光為傳感光接入聲光調(diào)制器，聲光調(diào)制器對其進(jìn)行調(diào)制并移頻fc后經(jīng)環(huán)形器和傳感光纖連接。光纖耦合器將小部分光作為參考光接入偏振控制器，偏振控制器的輸出端接2×2光纖耦合器一個輸入端，環(huán)形器的另一端接入2×2光纖耦合器另一個輸入端，耦合后的光分為兩束信號光，其中一束光先接光纖延時線，兩束光分別接入一號、二號光電轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換的電信號分別進(jìn)入混頻器，信號發(fā)生模塊發(fā)出的頻率為fc的正弦信號也分別接入一號、二號電混頻器，與兩束信號光轉(zhuǎn)換的電信號混頻，再各經(jīng)一號、二號低通濾波器和一號、二號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接入控制中心。所述兩束信號光的一號、二號光電轉(zhuǎn)換模塊、一號、二號電混頻器、一號、二號低通濾波器和一號、二號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊規(guī)格參數(shù)相同。

所述窄線寬激光器接光放大器和光纖濾波器再接入光纖耦合器。

所述聲光調(diào)制器后接光放大器和光纖濾波器再接入環(huán)形器。

所述的聲光調(diào)制器換為移頻器和電光調(diào)制器，光纖耦合器分光的大部分作為傳感光接入移頻器，信號驅(qū)動器接入電光調(diào)制器，移頻器連接電光調(diào)制器，電光調(diào)制器連接環(huán)形器。

所述的聲光調(diào)制器換為電光調(diào)制器，光纖耦合器分光的大部分作為傳感光接入電光調(diào)制器，電光調(diào)制器連接環(huán)形器；光纖耦合器分光的小部分接移頻器再接偏振控制器。

所述光纖延時線可換用一段長L的光纖代替，L＝(c×π)/(2n×fc)，式中c為真空中的光速，n為光纖的折射率。

所述一號、二號光電轉(zhuǎn)換模塊為PIN管或雪崩二極管。

所述控制中心為計(jì)算機(jī)，數(shù)字信號處理器，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和工控機(jī)中的任一種。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)的窄線寬激光器發(fā)出的激光束由光纖耦合器分成兩部分，小部分光作為本地參考光經(jīng)偏振控制器進(jìn)行偏振控制，大部分經(jīng)過聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制并移頻fc后經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖，散射回來的傳感光信號經(jīng)環(huán)形器接入2×2光纖耦合器，偏振控制后的本地參考光也接入2×2光纖耦合器，二者進(jìn)行外差相干后分成兩束信號光，一束經(jīng)光纖延時線延時后，兩束信號光的相位相差π/2形成正交。兩束信號光各經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，得到的電信號分別通過電混頻器與信號發(fā)生模塊發(fā)出的頻率為fc的正弦信號進(jìn)行混頻，得到的電信號分別通過低通濾波器濾波、濾除外差頻率信號以及其高次諧波分量，然后各經(jīng)模數(shù)模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入控制中心，控制中心接收兩束正交的信號光的轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行微分交叉相乘相減(DCM)操作，得到傳感光信號的相位解調(diào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的相位敏感光時域反射計(jì)的相位解調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：消除了電子移相元件所帶來的額外電子噪聲與環(huán)境溫度變化引起的相位漂移，使位敏感光時域反射計(jì)(φ-OTDR)系統(tǒng)具有更好的信噪比及穩(wěn)定性，增加探測距離，并能同時解調(diào)出信號光的相位變化。

附圖說明

圖1為本相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖內(nèi)標(biāo)號為：

1、窄線寬激光器，2、光纖耦合器,3、聲光調(diào)制器，4、信號驅(qū)動器，5、環(huán)形器，6、一號光電轉(zhuǎn)換模塊，7、信號發(fā)生模塊，8、一號電混頻器，9、 傳感光纖/光纜，10、一號低通濾波器11、一號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，12、控制中心，13、二號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，14、二號低通濾波器，15、二號電混頻器，16、二號光電轉(zhuǎn)換模塊，17、光纖延時線，18、2×2光纖耦合器，19、偏振控制器，20、電光調(diào)制器，21、移頻器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例1

本相位敏感光時域反射計(jì)(φ-OTDR)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例1如圖1所示，波長為C波段的窄線寬激光器1接光纖耦合器2，光纖耦合器2的分光比為90:10。90％的光作為傳感光接入聲光調(diào)制器3，信號驅(qū)動器4連接聲光調(diào)制器3，聲光調(diào)制器3對接入的傳感光進(jìn)行調(diào)制并移頻fc后經(jīng)環(huán)形器5和傳感光纖9連接。

光纖耦合器2將10％的光作為參考光接入偏振控制器19，偏振控制器19的輸出端接2×2光纖耦合器18一個輸入端，環(huán)形器5的另一端接入2×2光纖耦合器18另一個輸入端，耦合后的光分為兩束信號光，其中一束光先接光纖延時線17，兩束光各接入一號、二號光電轉(zhuǎn)換模塊6、16，轉(zhuǎn)換的電信號分別進(jìn)入一號、二號電混頻器8、15，信號發(fā)生模塊7發(fā)出的頻率為fc的正弦信號也分別接入兩個電混頻器8、15，與兩束信號光轉(zhuǎn)換的電信號混頻，再各經(jīng)一號、二號低通濾波器10、14和一號、二號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11、13接入控制中心12；所述兩束信號光的一號、二號光電轉(zhuǎn)換模塊6、16、一號、二號電混頻器8、15、一號、二號低通濾波器10、14和一號、二號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11、13的規(guī)格參數(shù)相同。

本例中窄線寬激光器1后可連接光放大器和光纖濾波器再接入光纖耦合器2。

本例聲光調(diào)制器3后可接光放大器和光纖濾波器再接入環(huán)形器5。

本例光纖延時線17可換為一段長L的光纖，L＝(c×π)/(2n×fc)，式中 c為真空中的光速，n為光纖的折射率。

本例一號、二號光電轉(zhuǎn)換模塊6、19為PIN管、或雪崩二極管。

本例控制中心12為計(jì)算機(jī)，數(shù)字信號處理器，現(xiàn)場可編程門陣列和工控機(jī)中的任一種。

相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例2

本相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例2如圖2所示，與上述相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例2結(jié)構(gòu)相似，但實(shí)施例1中的聲光調(diào)制器3換為移頻器21和電光調(diào)制器20，信號驅(qū)動器4接入電光調(diào)制器20，光纖耦合器2分光的90％作為傳感光接入移頻器21，移頻器21連接電光調(diào)制器20，電光調(diào)制器20連接環(huán)形器5。

相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例3

本相位敏感光時域反射計(jì)相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例3如圖3所示，與上述相位解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相似，但實(shí)施例1中的聲光調(diào)制器3換為電光調(diào)制器20，光纖耦合器2分光的90％作為傳感光接入電光調(diào)制器20，再連接環(huán)形器5；光纖耦合器2分光的10％作為傳感光接入移頻器21，再接偏振控制器19。

上述實(shí)施例，僅為對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個例，本實(shí)用新型并非限定于此。凡在本實(shí)用新型的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。