[发明专利]一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统

说明书

本发明属于分布式光纤传感技术领域，公开了一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，利用波分复用技术将探测光波长为1550nm的相干探测相位敏感光时域反射系统和探测光波长为1310nm的辅助干涉结构相结合，借助辅助干涉结构对外界振动信号进行快速感知，从而利用计算机控制实现单频探测状态与多频探测状态的切换，避免外界无振动信号时的多频探测导致的计算资源的浪费。此外，多频探测状态下，利用随机数生成器产生随机信号驱动并控制相位调制器，实现多频探测激光中三个频率分量强度的随机变化，增强多频瑞利后向散射光中各频率分量间的不相关度，提升频率分集效率。因此，本发明可在实现干涉衰落抑制的同时提升系统实时性能。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体为一种双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统。

背景技术

近年来，光纤振动传感技术因其耐腐蚀、绝缘性好、抗电磁干扰、测量范围广等优点，吸引了众多研究者的关注。相位敏感光时域反射系统作为一种典型的光纤振动传感系统，因其响应速度快和灵敏度高等特点，在结构健康监测、周界安防以及油气管道监测等领域显示出巨大应用潜力。

相位敏感光时域反射系统通过窄线宽激光器生成探测激光，其在光纤中传播时会不断生成瑞利后向散射光。由于系统所使用的窄线宽激光器相干长度较长，使得瑞利后向散射光容易发生干涉衰落现象，导致在某些位置处的瑞利后向散射光强度接近于零，造成信号相位解调产生误差。

频率分集技术是应用较为广泛的干涉衰落抑制方法。频率分集技术利用各类激光调制器件生成包含多个频率分量的多频探测激光，使得系统从单频探测状态转化为多频探测状态，最后通过对接收到的多频瑞利后向散射光进行光电转换和信号聚合来消除干涉衰落。与单频探测状态相比，多频探测状态由于需要分别对多个频率分量的信号进行滤波、聚合、相位解调等操作，导致信号处理时间成倍增加。此外，由于振动信号并非始终存在，外界无振动信号时的多频探测会浪费大量的计算资源，严重影响系统响应的实时性。同时，传统频率分集技术中的多个频率分量强度通常固定不变，造成不同频率的瑞利后向散射光之间存在一定相关度，从而影响了频率分集效率。因此，提升实时性能并优化干涉衰落抑制效率仍是相位敏感光时域反射系统需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服传统频率分集技术中多个频率分量强度固定不变、当外界无振动信号时仍采用多频探测状态会浪费大量计算资源的弊端，公开一种可实现单频探测状态与多频探测状态高效切换，且多个频率分量强度可随机变化的双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，可在实现干涉衰落抑制的同时提升系统实时性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双波长频率分集的相位敏感光时域反射系统，包括：1550nm激光器、第一光纤耦合器、声光调制器、相位调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、第一波分复用器、第一传感光纤、压电陶瓷、第二传感光纤、第二波分复用器、第一光隔离器、法拉第旋转镜、第二光纤耦合器、平衡光电探测器、计算机、随机数生成器、1310nm激光器、第二光隔离器、第三光纤耦合器、延迟光纤、第四光纤耦合器、光电探测器和阈值比较器；

所述1550nm激光器的输出端连接第一光纤耦合器的输入端；第一光纤耦合器的第一输出端依次经声光调制器、相位调制器、掺铒光纤放大器后连接环形器的第一连接端，第一光纤耦合器的第二输出端连接第二光纤耦合器的第一输入端；环形器的第二连接端连接第一波分复用器的第二输入端；第一波分复用器的输出端经第一传感光纤、压电陶瓷和第二传感光纤连接到第二波分复用器的输入端；第二波分复用器的第一输出端连接第一光隔离器，第二波分复用器的第二输出端连接法拉第旋转镜；环形器的第三连接端连接第二光纤耦合器的第二输入端；第二光纤耦合器的第一输出端和第二输出端与平衡光电探测器连接；平衡光电探测器的信号输出端连接计算机的输入端；