[发明专利]基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法

摘要

本发明涉及光纤传感领域，特别是指一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置及方法。所述装置由窄线宽激光器、耦合方式为1×2的光纤耦合器、偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器、第一可调光衰减器、三端口环行器、传感光纤、耦合方式为2×1的光纤耦合器、光电探测器、信号采集及处理模块、任意波形发生器、功率放大器和第二可调光衰减器组成。本发明将外差检测和相位解调结合起来，通过直接解调相位实现外界振动传感，可提供一种具有更高灵敏度的相位光时域反射装置和方法。另外，由于本发明采用全新的直接相位解调的方法对外界振动进行传感，故各振动点的定位方法较之以往也不同。

主权项

一种基于外差检测和相位解调的相位光时域反射装置，其特征在于：该装置由窄线宽激光器(01)、耦合方式为1×2的光纤耦合器(02)、偏振控制器(03)、声光调制器(04)、掺铒光纤放大器(05)、窄带光纤滤波器(06)、第一可调光衰减器(07)、三端口环行器(08)、传感光纤(09)、耦合方式为2×1的光纤耦合器(10)、光电探测器(11)、信号采集及处理模块(12)、任意波形发生器(13)、功率放大器(14)和第二可调光衰减器(15)组成，所述窄线宽激光器(01)通过连接光纤连接至1×2光纤耦合器(02)的第一端口(021)，所述1×2光纤耦合器(02)的第二端口(022)通过偏振控制器(03)连接至声光调制器(04)的光纤输入端口，所述声光调制器(04)的光纤输出端口依次通过掺铒光纤放大器(05)、窄带光纤滤波器(06)和第一可调光衰减器(07)连接至三端口环行器(08)的第一端口(081)，所述三端口环行器(08)的第二端口(082)连接至传感光纤(09)，所述三端口环行器(08)的第三端口(083)通过光纤连接至2×1光纤耦合器(10)的第一端口(101)，所述1×2光纤耦合器(02)的第三端口(023)通过第二可调光衰减器(15)连接至2×1光纤耦合器10的第二端口(102)，所述2×1光纤耦合器(10)的第三端口(103)通过光纤连接至光电探测器(11)的输入端口，所述光电探测器的输出端口通过连接电缆与信号采集及处理模块(12)的第一端口连接，所述信号采集及处理模块(12)包含乘法功能、低通滤波功能、反正切运算功能、相位修正功能、高通滤波功能和付立叶变换功能，用于实现对外界振动信号的解调和定位，信号采集及处理模块(12)的第二端口通过连接电缆与任意波形发生器(13)的第一端口相连，所述任意波形发生器(13)的第二端口通过功率放大器(14)与声光调制器(04)的射频输入端口相连；窄线宽激光器(01)的输出光经1×2光纤耦合器(02)分为两束，一束光从1×2光纤耦合器第二端口(022)输出，作为传感用的探测光，另一束光从1×2光纤耦合器第三端口(023)输出，作为外差检测的参考光：参考光经第二可调光衰减器(15)调节光功率后进入2×1光纤耦合器的第二端口(102)；探测光经偏振控制器(03)调节偏振态后进入声光调制器(04)的光纤输入端，任意波形发生器(13)产生与声光调制器(04)频移一致的移频脉冲信号，经功率放大器(14)放大后进入声光调制器(04)的射频输入端，故从声光调制器(04)光纤输出端输出的探测光为经移频后的脉冲光，所述脉冲光经掺铒光纤放大器(05)放大后进入窄带光纤滤波器(06)进行滤波，用于滤除其带宽以外的放大自发辐射噪声，经滤波后的脉冲光再经第一可调光衰减器(07)调节光功率后进入三端口环行器(08)的第一端口(081)，并经三端口环行器(08)的第二端口(082)进入传感光纤(09)，脉冲光在传感光纤(09)的各个位置处均会产生后向散射光，当传感光纤(09)感应到施加在其不同位置处不同频率的外界振动信号时，带有外界振动信息的后向散射光经环行器的第二端口(082)和第三端口(083)进入2×1光纤耦合器的第一端口(101)；从2×1光纤耦合器第一端口(101)进入的后向散射光和从2×1光纤耦合器第二端口(102)进入的参考光经 2×1光纤耦合器第三端口(103)输出进入光电探测器(11)并在光电探测器(11)上进行光学混频，所述光电探测器(11)输出后向散射光和参考光的拍频信号，所述拍频信号的频率为后向散射光和参考光的频差即声光调制器(04)的频移，拍频信号经信号采集及处理模块(12)后最终得到外界振动信号的频率和位置信息。