[发明专利]一种基于自混频技术的相位敏感光时域反射系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是分布式光纤传感技术——相位敏感光时域反射技术中的解调技术，具体是将其应用于一种相位敏感光时域反射系统中，形成了一种基于自混频技术的相位敏感光时域反射系统。

背景技术

分布式光纤传感技术在近年来，随着油气管道、高铁、大型建筑等的高速发展，其安全越来越受到各界关注，而分布式光纤传感技术由于其本身大量的优点，使得其成为长距离、恶劣环境下进行外界信息感知的关键技术。而相位敏感的光时域反射技术正是分布式光纤传感技术大家庭中的一员，其主要功能是用来测量外界扰动、入侵等，不仅能对其进行定位还能测量其扰动频率。虽然该技术目前已经处于比较成熟的阶段，但其探测技术主要有两类：1、直接探测；该探测技术对光电探测器的灵敏度要求很高，且传感范围一般较小。2、相干探测；该探测技术是目前主流的探测技术，该技术能实现更远的传感距离，且对探测器的灵敏度要求不是特别高。但该技术电信号需要再进行一次解调，目前主要有两类电上面的解调技术应用与该技术：A、相干解调；B、正交解调；两种解调技术都需要产生一个本地信号，同时这个本地信号并不能跟随本地光信号频率漂移所引起的宽带信号的频率漂移，因此在解调时并不能很好地将信号解调出来。

发明内容

鉴于现有技术在对相位解调上的不足，本发明的目的是提供一种简单有效的解调方法将调制在光相位上的扰动信号解调出来。基于自混频方式的相位敏感光时域反射系统，利用相干探测的方式解调光信号，提高传感距离。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于自混频技术的相位敏感光时域反射系统，光路采用信号光和本地光进行相干解调，电路则采用自混频的方式解调信号，采用混频器将两路信号混频便能将外界加载在光纤上的信号解调出来,其具体结构为：

窄线宽激光器1输出的连续光经光耦合器2后分为两路，一路由与脉冲发生器4相连的声光调制器3调制为脉冲光之后经环形器5注入到传感光纤6；另一路通过偏振控制器7与耦合器8连接；脉冲光在光纤中传输过程中产生的后向散射光通过环形器5从另一端口输出，输出的散射光与本地光在耦合器8处合成一束光，然后经平衡探测器9进行拍频，拍频信号频率由声光调制器3引入的频移决定，拍频信号经过电带通滤波器10、低噪放大器11滤波放大后，平衡光电探测器输出的电信号分成两路，即被功分比为50:50的功分器12分为相同的两个信号，再用混频器13进行解调，最后经过低通滤波器14之后用数据采集卡15采集并用数据处理机16处理。

在本发明装置中，由于激光器具有线宽，且本地光具有频率漂移，故拍频之后的电信号为一个宽带信号，可表示为：S(t)＝A cos(ω₁t+φ₁)+B cos(ω₂t+φ₂)+…+N cos(ω_nt+φ_n)。从两个频率分量开始分析，S₁(t)＝A cos(ω₁t+φ₁)+B cos(ω₂t+φ₂)，则经过自混频之后通过低通滤波器变可以得到信号S₁²(t)＝A²/2+B²/2+AB cos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]；因为光谱不同频率的强度不同，呈洛伦兹型；故拍频之后的电谱同样呈洛伦兹型，则对于某一时刻的S²(t)，频率为一变量，则可以通过对频率的积分来获取该位置所有频率信号的叠加值，而积分的最终结果将会由余弦函数的初始相位决定，即相位的变化将会反映到积分值上面，因此可以通过解积分值来获得相位的信息，而积分过程只需要所采用的硬件设备能响应电信号的带宽便能实现，因此可以直接获取其解调结果。

采用自混频的方式，由于本振信号采用的是本身，则能避免混频时本地信号频率与射频信号频率不匹配的问题。本装置工作稳定，在多次测量中都能较准确的测量出振动的位置和频率。

在本发明中，采用平衡光电探测器拍频产生的RF一分为二然后进行混频，混频之后再经过低通滤波器便能获取到解调之后的信号，再经过简单的数据处理便能解调出扰动位置和频率。这种自混频解调技术，结构简单，不必产生一个稳定的本地信号，并且可以消除由于本地光信号频率漂移引起的宽带信号不稳所导致的解调效果不好的现象，解调效果很好。

附图说明：